空氣開關對變壓器輸出短路保護作用失效的探討

【摘要】空氣開關是低壓配電網絡、電力拖動以及電氣控制系統中非常重要的一種電器元件，集控制和多種保護功能于一身。本文旨在根據空氣開關的結構特點和它的基本工作原理，結合變壓器的工作特點和相關參數關系，分析說明當使用空氣開關作為保護器件時，而變壓器輸出短路時空氣開關不能正常起到保護作用的原因。

【關鍵詞】空氣開關；變壓器；短路；保護

空氣開關作為低壓配電網絡、電力拖動和電氣控制系統中重要器件，一經問世，就由于它不僅具有控制功能，更兼根據不同型號，集短路保護、過電流保護、分勵控制、欠壓保護優于一體，其卓越的優越性，得到廣大用戶的認可，廣泛受到青睞，在很多場合都得到了應用。空氣開關作為一種電氣元件，也并不是十全十美的，并不是在所有情況下都能夠及時的發揮作用，通過多年的實踐工作，發現當使用空氣開關作為電路保護器件，而變壓器輸出端短路時，空氣開關并不能起到應有的保護作用。

為了弄清這個問題，就必須從空氣開關的工作原理和變壓器的結構和相關工作參數特點入手，從上分析空氣開關不脫扣的原因。

一、空氣開關的組成結構

如圖是空氣開關的基本原理圖，在圖中“1”為空氣開關的主觸點，當電路正常工作時，主觸點承載負載上的電流；“2”是自動脫口機構；“3”是過電流脫扣器；“4”分勵脫扣器；“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。脫扣器是用來接收操作命令或電路非正常情況的信號，以機械動作或觸發電路的方法使脫扣機構動作。

二、空氣開關的基本工作原理

常規空氣開關主要是用來作為電氣線路的短路保護和過載保護的，這里主要介紹一下電路短路和過載時空氣開關的脫扣原理。

1.電磁脫扣

在電氣設備正常工作，線路中通過的電流正常時，空氣開關中電磁鐵產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，空氣開關保持正常運行狀態。當設備或供電系統中出現短路性故障時，線路中的電流瞬間超過正常工作電流的若干倍，此時，在電磁鐵上產生較強的電磁力，超過彈簧對銜鐵的反作用力，銜鐵被電磁鐵吸動，自由脫扣機構通過機械傳動機構推動，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，從而對電路起到短路保護的作用。

2.熱脫扣

線路中通過正常電流時，發熱元件發熱使雙金屬片彎曲至一定程度（剛好接傳動機構電磁線圈銜鐵主觸頭觸到傳動機構）并達到動態平衡狀態，雙金屬片不再繼續彎曲。若出現過載現象時，線路中電流增大，雙金屬片將繼續彎曲，通過傳動機構推動自由脫扣機構釋放主觸頭，主觸頭在分閘彈簧的作用下分開，切斷電路起到過載保護的作用。

通過對空氣開關脫扣原理的了解，知道空氣開關無論是電磁脫扣還是熱脫扣，達到對電路起保護的作用，都受電流的影響很大，只有流過空開中的電流超過一定的限度。當空開中的電流瞬間變大時，電磁脫扣機構才會動作，此時熱脫扣器并起不到作用；而電流只是偏大，還沒有大的達到使電磁脫扣裝置動作程度，在較長時間的作用下，熱脫扣器發生動作。

三、變壓器的基本組成

變壓器最基本的組成有兩個部分，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或鋁線繞制，其中與電源相連的繞組稱為原繞組或初級繞組；與負載相連的繞組稱為副繞組或次級繞組。變壓器在實際使用中分為升壓變壓器和低壓變壓器，在低壓側繞組匝數少，導線比較細；在高壓側繞組匝數多，導線比較粗。

四、變壓器輸入與輸出參數關系

在變壓器理想狀態時，變壓器的參數關系：

空載運行時是指變壓器一次繞組接電源、二次繞組開路的狀態。變壓器在外加電壓U1的作用下，一次繞組N1中通過的電流I0稱為空載電流。I0產生工作磁通，又稱勵磁電流。在其作用下，二次繞組N2兩端將感應出電動勢。變壓器的電壓變換關系為：

上式說明變壓器一次、二次繞組電壓的有效值與一次、二次繞組的匝數成正比，比值K稱為變壓比，作為降壓變壓器時，K的值大于1。

當二次繞組接入負載ZL時，稱為變壓器的有載運行。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、發熱等損耗時，可以認為變壓器的輸入功率與輸出功率是相等的。在變壓器的一次側接電源電壓為U1，二次測接負載阻抗ZL，在一次側的等效阻抗為ZL'，則有：

上式說明，變壓器的變壓比為K時，在二次測接阻抗為ZL的負載，相當于在電源上直接接入一個阻抗為K2ZL的負載。當二次測負載阻抗為ZL=0零時，由上面的阻抗轉換關系，則ZL'=0，此時的不僅是變壓器的輸出端處于短路狀態，同時，電源也處于短路狀態，電源上的電流應該會在瞬間增大。在電路中接有空氣開關時，在空氣開關中的電流脫扣器中會有很大的電流，進而產生較強的磁力，電磁鐵吸動銜鐵，使電磁脫扣機構動作而脫扣，使主觸點斷開，起到保護作用。但事實并非如此，空氣開關并不會脫扣起保護。

空氣開關不能起保護是什么原因導致的呢？其原因是空氣開關中的電流并沒有達到起保護作用的程度。進一步來說，又是為什么已經短路了，而電流卻還沒有達到使空氣開關脫扣的程度呢？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下，完全不考慮變壓器線圈本身的阻抗而等效出來的短路。在實際上，變壓器的線圈在接入交流電時，存在一定的阻抗，即ZL0≠0，那么在變壓器負載阻抗雖然為0，二次側的電流為：

該電流比較大，完全超過變壓器正常工作時的電流，工作時間稍長，就會使變壓器變熱，直至變壓器燒壞。而在變壓器的一次側電流為I1，根據變壓器的參數轉換關系：

當變壓器作為降壓變壓器使用時，K的值大于1，當變壓比K大到一定程度時，I1的值就會相應的較低，此時電流I1的值比電流I2的值要小很多，以致達不到使空氣開關脫扣的電流。為了避免變壓器輸出端短路而空氣開關不起作用，就要在電路設計和元件選取時充分考慮變壓器的短路阻抗值。另外，要分清楚短路的類型，分清“直接短路”與等效出來的“間接短路”的不同。

參考文獻

[1]徐立娟.電力電子技術[M].人民郵電出版社，2012.

[2]趙景波.電工基礎[M].人民郵電出版社，2012.

[3]張明軍.電力系統繼電保護[M].人民郵電出版社，2012.

[4]席時達.電工技術[M].高等教育出版社，1992.