空氣開(kāi)關(guān)對(duì)變壓器輸出短路保護(hù)作用失效的探討

【摘要】空氣開(kāi)關(guān)是低壓配電網(wǎng)絡(luò)、電力拖動(dòng)以及電氣控制系統(tǒng)中非常重要的一種電器元件，集控制和多種保護(hù)功能于一身。本文旨在根據(jù)空氣開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和它的基本工作原理，結(jié)合變壓器的工作特點(diǎn)和相關(guān)參數(shù)關(guān)系，分析說(shuō)明當(dāng)使用空氣開(kāi)關(guān)作為保護(hù)器件時(shí)，而變壓器輸出短路時(shí)空氣開(kāi)關(guān)不能正常起到保護(hù)作用的原因。

【關(guān)鍵詞】空氣開(kāi)關(guān)；變壓器；短路；保護(hù)

空氣開(kāi)關(guān)作為低壓配電網(wǎng)絡(luò)、電力拖動(dòng)和電氣控制系統(tǒng)中重要器件，一經(jīng)問(wèn)世，就由于它不僅具有控制功能，更兼根據(jù)不同型號(hào)，集短路保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)、分勵(lì)控制、欠壓保護(hù)優(yōu)于一體，其卓越的優(yōu)越性，得到廣大用戶(hù)的認(rèn)可，廣泛受到青睞，在很多場(chǎng)合都得到了應(yīng)用?？諝忾_(kāi)關(guān)作為一種電氣元件，也并不是十全十美的，并不是在所有情況下都能夠及時(shí)的發(fā)揮作用，通過(guò)多年的實(shí)踐工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用空氣開(kāi)關(guān)作為電路保護(hù)器件，而變壓器輸出端短路時(shí)，空氣開(kāi)關(guān)并不能起到應(yīng)有的保護(hù)作用。

為了弄清這個(gè)問(wèn)題，就必須從空氣開(kāi)關(guān)的工作原理和變壓器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)工作參數(shù)特點(diǎn)入手，從上分析空氣開(kāi)關(guān)不脫扣的原因。

一、空氣開(kāi)關(guān)的組成結(jié)構(gòu)

如圖是空氣開(kāi)關(guān)的基本原理圖，在圖中“1”為空氣開(kāi)關(guān)的主觸點(diǎn)，當(dāng)電路正常工作時(shí)，主觸點(diǎn)承載負(fù)載上的電流；“2”是自動(dòng)脫口機(jī)構(gòu)；“3”是過(guò)電流脫扣器；“4”分勵(lì)脫扣器；“5”是加熱電阻絲；“6”是欠電壓脫扣器；“7”是脫扣按鈕；“8”是跳鉤；“9”是熱脫扣器。脫扣器是用來(lái)接收操作命令或電路非正常情況的信號(hào)，以機(jī)械動(dòng)作或觸發(fā)電路的方法使脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

二、空氣開(kāi)關(guān)的基本工作原理

常規(guī)空氣開(kāi)關(guān)主要是用來(lái)作為電氣線(xiàn)路的短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)的，這里主要介紹一下電路短路和過(guò)載時(shí)空氣開(kāi)關(guān)的脫扣原理。

1.電磁脫扣

在電氣設(shè)備正常工作，線(xiàn)路中通過(guò)的電流正常時(shí)，空氣開(kāi)關(guān)中電磁鐵產(chǎn)生的電磁力大小反作用在銜鐵上的彈簧拉力，電磁鐵不能被吸動(dòng)，空氣開(kāi)關(guān)保持正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備或供電系統(tǒng)中出現(xiàn)短路性故障時(shí)，線(xiàn)路中的電流瞬間超過(guò)正常工作電流的若干倍，此時(shí)，在電磁鐵上產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁力，超過(guò)彈簧對(duì)銜鐵的反作用力，銜鐵被電磁鐵吸動(dòng)，自由脫扣機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)，釋放主觸頭上的跳鉤。主觸頭在分閘彈簧拉力的作用下切斷電路，從而對(duì)電路起到短路保護(hù)的作用。

2.熱脫扣

線(xiàn)路中通過(guò)正常電流時(shí)，發(fā)熱元件發(fā)熱使雙金屬片彎曲至一定程度（剛好接傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電磁線(xiàn)圈銜鐵主觸頭觸到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，雙金屬片不再繼續(xù)彎曲。若出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象時(shí)，線(xiàn)路中電流增大，雙金屬片將繼續(xù)彎曲，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)推動(dòng)自由脫扣機(jī)構(gòu)釋放主觸頭，主觸頭在分閘彈簧的作用下分開(kāi)，切斷電路起到過(guò)載保護(hù)的作用。

通過(guò)對(duì)空氣開(kāi)關(guān)脫扣原理的了解，知道空氣開(kāi)關(guān)無(wú)論是電磁脫扣還是熱脫扣，達(dá)到對(duì)電路起保護(hù)的作用，都受電流的影響很大，只有流過(guò)空開(kāi)中的電流超過(guò)一定的限度。當(dāng)空開(kāi)中的電流瞬間變大時(shí)，電磁脫扣機(jī)構(gòu)才會(huì)動(dòng)作，此時(shí)熱脫扣器并起不到作用；而電流只是偏大，還沒(méi)有大的達(dá)到使電磁脫扣裝置動(dòng)作程度，在較長(zhǎng)時(shí)間的作用下，熱脫扣器發(fā)生動(dòng)作。

三、變壓器的基本組成

變壓器最基本的組成有兩個(gè)部分，一是鐵心，二是繞組。在這里，主要考慮的是繞組，繞組通常用絕緣的銅線(xiàn)或鋁線(xiàn)繞制，其中與電源相連的繞組稱(chēng)為原繞組或初級(jí)繞組；與負(fù)載相連的繞組稱(chēng)為副繞組或次級(jí)繞組。變壓器在實(shí)際使用中分為升壓變壓器和低壓變壓器，在低壓側(cè)繞組匝數(shù)少，導(dǎo)線(xiàn)比較細(xì)；在高壓側(cè)繞組匝數(shù)多，導(dǎo)線(xiàn)比較粗。

四、變壓器輸入與輸出參數(shù)關(guān)系

在變壓器理想狀態(tài)時(shí)，變壓器的參數(shù)關(guān)系：

空載運(yùn)行時(shí)是指變壓器一次繞組接電源、二次繞組開(kāi)路的狀態(tài)。變壓器在外加電壓U1的作用下，一次繞組N1中通過(guò)的電流I0稱(chēng)為空載電流。I0產(chǎn)生工作磁通，又稱(chēng)勵(lì)磁電流。在其作用下，二次繞組N2兩端將感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。變壓器的電壓變換關(guān)系為：

上式說(shuō)明變壓器一次、二次繞組電壓的有效值與一次、二次繞組的匝數(shù)成正比，比值K稱(chēng)為變壓比，作為降壓變壓器時(shí)，K的值大于1。

當(dāng)二次繞組接入負(fù)載ZL時(shí)，稱(chēng)為變壓器的有載運(yùn)行。一次繞組中電流有效值為I1，二次繞組中電流的有效值為I2，此時(shí)有：

上式表明，變壓器一次、二次繞組電流的有效值與一次、二次繞組匝數(shù)成反比。

變壓器除了有變壓和變流的作用以外，還有變換阻抗的作用。在不考慮變壓器的漏磁、發(fā)熱等損耗時(shí)，可以認(rèn)為變壓器的輸入功率與輸出功率是相等的。在變壓器的一次側(cè)接電源電壓為U1，二次測(cè)接負(fù)載阻抗ZL，在一次側(cè)的等效阻抗為ZL'，則有：

上式說(shuō)明，變壓器的變壓比為K時(shí)，在二次測(cè)接阻抗為ZL的負(fù)載，相當(dāng)于在電源上直接接入一個(gè)阻抗為K2ZL的負(fù)載。當(dāng)二次測(cè)負(fù)載阻抗為ZL=0零時(shí)，由上面的阻抗轉(zhuǎn)換關(guān)系，則ZL'=0，此時(shí)的不僅是變壓器的輸出端處于短路狀態(tài)，同時(shí)，電源也處于短路狀態(tài)，電源上的電流應(yīng)該會(huì)在瞬間增大。在電路中接有空氣開(kāi)關(guān)時(shí)，在空氣開(kāi)關(guān)中的電流脫扣器中會(huì)有很大的電流，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的磁力，電磁鐵吸動(dòng)銜鐵，使電磁脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作而脫扣，使主觸點(diǎn)斷開(kāi)，起到保護(hù)作用。但事實(shí)并非如此，空氣開(kāi)關(guān)并不會(huì)脫扣起保護(hù)。

空氣開(kāi)關(guān)不能起保護(hù)是什么原因?qū)е碌哪?？其原因是空氣開(kāi)關(guān)中的電流并沒(méi)有達(dá)到起保護(hù)作用的程度。進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，又是為什么已經(jīng)短路了，而電流卻還沒(méi)有達(dá)到使空氣開(kāi)關(guān)脫扣的程度呢？究其原因，變壓器輸出端的短路只能是一種電源的“間接短路”，它是一種在理想狀態(tài)下，完全不考慮變壓器線(xiàn)圈本身的阻抗而等效出來(lái)的短路。在實(shí)際上，變壓器的線(xiàn)圈在接入交流電時(shí)，存在一定的阻抗，即ZL0≠0，那么在變壓器負(fù)載阻抗雖然為0，二次側(cè)的電流為：

該電流比較大，完全超過(guò)變壓器正常工作時(shí)的電流，工作時(shí)間稍長(zhǎng)，就會(huì)使變壓器變熱，直至變壓器燒壞。而在變壓器的一次側(cè)電流為I1，根據(jù)變壓器的參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系：

當(dāng)變壓器作為降壓變壓器使用時(shí)，K的值大于1，當(dāng)變壓比K大到一定程度時(shí)，I1的值就會(huì)相應(yīng)的較低，此時(shí)電流I1的值比電流I2的值要小很多，以致達(dá)不到使空氣開(kāi)關(guān)脫扣的電流。為了避免變壓器輸出端短路而空氣開(kāi)關(guān)不起作用，就要在電路設(shè)計(jì)和元件選取時(shí)充分考慮變壓器的短路阻抗值。另外，要分清楚短路的類(lèi)型，分清“直接短路”與等效出來(lái)的“間接短路”的不同。

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