熔斷器和空氣開關(guān)在低壓電氣電路中的應(yīng)用探討

江蘇核電有限公司 李洪偉

熔斷器和空氣開關(guān)在低壓電路中被廣泛應(yīng)用，其在低壓電氣電路中的作用不僅可以接通電路，使電路中的元器件完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)動(dòng)作，還具有保護(hù)功能。熔斷器可以說是一種簡(jiǎn)單而有效的保護(hù)器件。利用金屬導(dǎo)體（熔絲）作為熔體串聯(lián)于電路中，當(dāng)電流超過規(guī)定值時(shí)，以本身產(chǎn)生的熱量使熔體熔斷，從而斷開電路，避免電氣設(shè)備損壞，防止事故范圍擴(kuò)大、蔓延。

空氣開關(guān)，又名空氣斷路器，是一種只要電路中電流超過額定電流就會(huì)使電路自動(dòng)斷開的元器件?？諝忾_關(guān)也是低壓電氣系統(tǒng)中非常重要的一種電器元件，不僅具有控制電路通斷功能，還有過載、過流，以及欠壓等多種保護(hù)功能。

1 熔斷器和空氣開關(guān)在低壓電氣電路中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

1.1 過載保護(hù)，熔斷器在低壓電氣電路中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

過載是指電路中的電流超過了設(shè)備或電線的額定電流承載能力，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞或電線過熱引發(fā)火災(zāi)等安全風(fēng)險(xiǎn)。熔斷器能夠有效地監(jiān)測(cè)電路中的電流，并在電流超過額定值時(shí)迅速切斷電路，防止過載現(xiàn)象的發(fā)生，可有效地保護(hù)電氣設(shè)備。熔斷器的過載保護(hù)具有以下優(yōu)勢(shì)。第一，安全性：熔斷器能夠快速切斷電路，可避免電氣設(shè)備因過載而發(fā)生故障或損壞，同時(shí)防止電線過熱引發(fā)火災(zāi)等危險(xiǎn)情況，提高了電氣系統(tǒng)的安全性。第二，靈敏度：熔斷器對(duì)電流的監(jiān)測(cè)和切斷具有高度的靈敏度，能夠及時(shí)響應(yīng)過載現(xiàn)象。第三，可靠性：熔斷器作為一種被動(dòng)式保護(hù)設(shè)備，不需要外部電源或其他輔助裝置，具有較高的可靠性。其不會(huì)受到其他因素（如溫度、濕度等）的影響，穩(wěn)定可靠地工作。第四，維修便捷：當(dāng)熔絲熔斷時(shí)，只需更換熔絲即可恢復(fù)電路的正常運(yùn)行，維修相對(duì)簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)。

1.2 高斷電容量，空氣開關(guān)在低壓電氣電路中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

高斷電容量指的是空氣開關(guān)能夠承受較大的電流和短路故障電流，適用于需要處理大功率負(fù)載和高短路電流的電氣系統(tǒng)?？諝忾_關(guān)具有強(qiáng)大的接觸和斷開能力，能承受高電流和電壓的沖擊，保證電氣系統(tǒng)的正常運(yùn)行和安全性。高斷電容量帶來以下優(yōu)勢(shì)。一是處理大功率負(fù)載：在某些應(yīng)用中，電路需要處理較大的負(fù)載，如大型電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器等?？諝忾_關(guān)具有高斷電容量，能夠承受大電流，確保電路能夠穩(wěn)定運(yùn)行。二是處理短路故障電流：短路故障可能導(dǎo)致電路中產(chǎn)生極高的電流?？諝忾_關(guān)的高斷電容量使其能夠承受瞬時(shí)高電流，迅速切斷電路，防止短路電流對(duì)電氣設(shè)備造成損壞。三是提高系統(tǒng)可靠性：空氣開關(guān)在處理高斷電容量時(shí)表現(xiàn)出較高的可靠性，確保電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

2 熔斷器和空氣開關(guān)的工作原理

按反應(yīng)時(shí)間不同，熔斷器分為快速熔斷器和普通熔斷器，通常也稱“快熔”和“慢熔”。

快速熔斷器、普通熔斷器和空氣開關(guān)均是利用熱效應(yīng)原理完成的保護(hù)動(dòng)作，但工作原理存在些許差異：普通熔斷器的熔絲是由具有一定幾何形狀的金屬絲構(gòu)成，當(dāng)電路發(fā)生過電流時(shí)，會(huì)在熔絲上產(chǎn)生足夠的熱量，熔絲熔斷，斷開電路。

通常情況下，快速熔斷器的熔絲不僅是將金屬絲設(shè)計(jì)成一定的幾何形狀，在上面還會(huì)點(diǎn)上某種材質(zhì)的焊點(diǎn)，在電路過電流情況下焊點(diǎn)快速發(fā)熱，使熔絲迅速斷開。

從某種意義上來講，空氣開關(guān)也可以簡(jiǎn)單地理解為具有保護(hù)和機(jī)械聯(lián)動(dòng)功能的刀閘。當(dāng)電氣回路中發(fā)生過載或短路時(shí)，電流流過開關(guān)內(nèi)的熱元件，熱元件發(fā)熱變形使電磁脫扣器動(dòng)作斷開電路。帶有欠壓脫扣器的空氣開關(guān)，欠壓脫扣器線圈并聯(lián)在空氣開關(guān)的一次電路中，欠壓脫扣器線圈帶電產(chǎn)生電磁力，電磁力與拉簧形成反作用力，電磁力拉動(dòng)拉簧上的銜鐵。當(dāng)電路上電壓降低到脫扣值以下時(shí)，線圈產(chǎn)生的電磁力小于拉簧的拉力，拉簧上的銜鐵動(dòng)作，使電磁脫扣器動(dòng)作斷開電路。

3 熔斷器和空氣開關(guān)的性能區(qū)別

快速熔斷器熔斷電流一般為1.5～2倍負(fù)載電流，2～3倍負(fù)載電流即可快速熔斷，快速熔斷時(shí)間一般為0.01～0.02s。快速熔斷器的反時(shí)限特性曲線較陡，斷弧能力較強(qiáng)，并有很好的限流作用?？焖偃蹟嗥髦饕糜诎雽?dǎo)體整流電路、逆變電路或其他電子電路的瞬時(shí)短路保護(hù)。由于可控硅和一些電子功率元件的過載能力很差，只能在極短時(shí)間內(nèi)承受較大電流，因此，要求短路保護(hù)具有快速熔斷的能力，使用快速熔斷器可以使電子敏感部件免受損壞。快速熔斷器對(duì)電流變化靈敏度高，這種特性也導(dǎo)致其不具有對(duì)電流性質(zhì)的判別能力，無法區(qū)分故障電流和浪涌電流。當(dāng)電源系統(tǒng)波動(dòng)出現(xiàn)浪涌電流時(shí)，快速熔斷器會(huì)無差別快速熔斷電路。

普通熔斷器熔斷電流一般為1.5～2倍負(fù)載電流，在過電流情況下會(huì)有一定的允許通過的時(shí)間。熔體熔斷具有反時(shí)限特性，實(shí)際電流超過額定電流值越大熔斷時(shí)間就越短，相反超過額定熔斷電流越小，熔斷時(shí)間就越長(zhǎng)。普通熔斷器相對(duì)快速熔斷器來說動(dòng)作速度慢，主要是因?yàn)槠胀ㄈ蹟嗥魅蹟鄷r(shí)需要累積更多的熱能。這也是普通熔斷器的重要優(yōu)點(diǎn)，具有對(duì)過電流性質(zhì)和累積熱量大小進(jìn)行判別的能力。動(dòng)作反應(yīng)時(shí)間就是普通熔斷器對(duì)過電流的開斷時(shí)間。

空氣開關(guān)具有瞬時(shí)短路保護(hù)和過流保護(hù)功能。保護(hù)具有反時(shí)限工作特性，通過的電流超過10倍額定電流時(shí)，瞬時(shí)動(dòng)作，動(dòng)作時(shí)間小于一個(gè)周波，即小于0.02s。過電流倍數(shù)越小，動(dòng)作延時(shí)越長(zhǎng)，不具備小倍數(shù)過電流的瞬時(shí)保護(hù)作用[2]。

4 應(yīng)用場(chǎng)合

在低壓電氣配電電路中，熔斷器和空氣開關(guān)均可應(yīng)用在一次、二次電路中。除了可以完成接通和分?jǐn)嚯娐吠?，還能夠在一次、二次電路或元器件發(fā)生過流、短路時(shí)進(jìn)行保護(hù)，防止故障的范圍擴(kuò)大。

但在電子電路中，基本上是通過熔斷器來實(shí)現(xiàn)元器件的保護(hù)，很少看到通過空氣保護(hù)電氣元器件，而且用到的熔斷器幾乎全部是快速熔斷器，利用的是快速熔斷器可以低倍電流快速熔斷的特性。

5 熔斷器的事故案例

案例1：2017年11月，某電廠1號(hào)機(jī)組一臺(tái)UPS輸出熔斷器熔斷，UPS 轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行。

案例2：2018年1月，某電廠2號(hào)機(jī)組一臺(tái)UPS輸出熔斷器熔斷，UPS 轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行。

案例3：2022年4月，某電廠1號(hào)機(jī)組一熱交換器流量電磁閥電路熔斷器熔斷，無其他故障元器件，更換故障熔斷器后恢復(fù)正常，該故障導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

5.1 案例1、案例2故障原因分析

經(jīng)排查UPS 故障熔斷器為快速熔斷器，見表1。

表1 案例1、案例2故障原因分析

由此，熔斷器熔斷的原因分析判斷為熔斷器老化。熔斷器不是完全封閉、完全隔絕空氣，熔斷器長(zhǎng)期受熱后，內(nèi)部熔絲局部逐步氧化，局部氧化導(dǎo)致局部電阻增大，UPS 正常電流在熔絲局部電阻增大部位發(fā)熱量累積不斷增加，最終導(dǎo)致熔斷器熔斷。

5.2 案例3故障原因分析

經(jīng)排查電磁閥電路故障熔斷器為快速熔斷器，見表2。

表2 案例3故障原因分析

該電廠在此熔斷器的原因分析中，判斷為熔斷器內(nèi)部局部存在質(zhì)量缺陷，缺陷部位電阻較大，長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)高溫并加速老化，熔斷器熔斷。

無論案例1、案例2還是案例3，最終的故障原因均為熔斷器長(zhǎng)期運(yùn)行老化所致。直接處理措施均是更換故障熔斷器，后續(xù)維護(hù)也均是采用定期更換熔斷器的方式。

6 熔斷器和空氣開關(guān)的應(yīng)用建議

在低壓電氣電路中，熔斷器在正常運(yùn)行期間突然熔斷，熔斷器熔斷的原因分析包括諸如瞬時(shí)過流、過載、熔斷器的質(zhì)量缺陷、熔斷器老化或浪涌干擾等。在有些情況下，熔斷器熔斷的真正原因很難直接進(jìn)行準(zhǔn)確的界定，由于故障熔斷器本身無法進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)檢測(cè)，也使故障原因直接判斷困難，在此情況下，通常會(huì)使用排他法確定熔斷器的故障原因[3]。

相比而言，空氣開關(guān)可以進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)驗(yàn)證，故障原因也更容易判斷，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中空氣開關(guān)本身的故障率極低。

很多工程在設(shè)計(jì)初期，電路及元器件的瞬時(shí)保護(hù)、過載保護(hù)選用熔斷器還是空氣開關(guān)會(huì)出現(xiàn)不同選擇。主要是因?yàn)橛绊戇x擇的因素有很多，包括沿用已有設(shè)計(jì)、保護(hù)的回路特性、成本等。鑒于熔斷器長(zhǎng)期運(yùn)行后故障率高、熔斷原因不易確定，熔斷器和空氣開關(guān)的使用建議如下。

第一，一般低壓電氣電路，可以使用普通熔斷器作為電路保護(hù)元件，在成本和空間許可的情況下建議使用空氣開關(guān)代替熔斷器。

第二，一般情況下，由于整流元件或其他電子功率元件較為昂貴，且元件的過流能力較差，電路應(yīng)該使用快速熔斷器作為瞬時(shí)保護(hù)器件，防止故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。

第三，在極端情況下，對(duì)于個(gè)別電子電路，對(duì)比被保護(hù)電路在過流情況下?lián)p壞可能產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失和元器件本身的經(jīng)濟(jì)損失，如果熔斷器熔斷后將造成更嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或安全風(fēng)險(xiǎn)，建議使用空氣開關(guān)替代熔斷器或采取其他措施，避免發(fā)生因熔斷器老化或浪涌干擾導(dǎo)致熔斷器非預(yù)期故障熔斷。

第四，根據(jù)負(fù)載的重要程度考慮熔斷器的更換頻度：對(duì)于重要負(fù)載，建議熔斷器的負(fù)載率達(dá)到80%時(shí)，4～5年更換熔斷器。熔斷器負(fù)載率80%以下時(shí)，8～10年更換熔斷器。對(duì)于非重要負(fù)載，故障后無嚴(yán)重后果的熔斷器可以20年或更長(zhǎng)時(shí)間更換熔斷器。

7 結(jié)語

本文通過對(duì)熔斷器和空氣開關(guān)的工作原理、性能和故障案例分析，提出了熔斷器和空氣開關(guān)的應(yīng)用建議，可為低壓電氣電路的設(shè)計(jì)及類似的故障分析、處理提供參考借鑒。