熔斷器和空氣開關在低壓電氣電路中的應用探討

江蘇核電有限公司 李洪偉

熔斷器和空氣開關在低壓電路中被廣泛應用，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的設計動作，還具有保護功能。熔斷器可以說是一種簡單而有效的保護器件。利用金屬導體（熔絲）作為熔體串聯于電路中，當電流超過規定值時，以本身產生的熱量使熔體熔斷，從而斷開電路，避免電氣設備損壞，防止事故范圍擴大、蔓延。

空氣開關，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使電路自動斷開的元器件。空氣開關也是低壓電氣系統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功能。

1 熔斷器和空氣開關在低壓電氣電路中應用的優勢

1.1 過載保護，熔斷器在低壓電氣電路中的應用優勢

過載是指電路中的電流超過了設備或電線的額定電流承載能力，可能導致設備損壞或電線過熱引發火災等安全風險。熔斷器能夠有效地監測電路中的電流，并在電流超過額定值時迅速切斷電路，防止過載現象的發生，可有效地保護電氣設備。熔斷器的過載保護具有以下優勢。第一，安全性：熔斷器能夠快速切斷電路，可避免電氣設備因過載而發生故障或損壞，同時防止電線過熱引發火災等危險情況，提高了電氣系統的安全性。第二，靈敏度：熔斷器對電流的監測和切斷具有高度的靈敏度，能夠及時響應過載現象。第三，可靠性：熔斷器作為一種被動式保護設備，不需要外部電源或其他輔助裝置，具有較高的可靠性。其不會受到其他因素（如溫度、濕度等）的影響，穩定可靠地工作。第四，維修便捷：當熔絲熔斷時，只需更換熔絲即可恢復電路的正常運行，維修相對簡單和經濟。

1.2 高斷電容量，空氣開關在低壓電氣電路中的應用優勢

高斷電容量指的是空氣開關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載和高短路電流的電氣系統。空氣開關具有強大的接觸和斷開能力，能承受高電流和電壓的沖擊，保證電氣系統的正常運行和安全性。高斷電容量帶來以下優勢。一是處理大功率負載：在某些應用中，電路需要處理較大的負載，如大型電機、電動機、變壓器等。空氣開關具有高斷電容量，能夠承受大電流，確保電路能夠穩定運行。二是處理短路故障電流：短路故障可能導致電路中產生極高的電流。空氣開關的高斷電容量使其能夠承受瞬時高電流，迅速切斷電路，防止短路電流對電氣設備造成損壞。三是提高系統可靠性：空氣開關在處理高斷電容量時表現出較高的可靠性，確保電氣系統的穩定運行[1]。

2 熔斷器和空氣開關的工作原理

按反應時間不同，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均是利用熱效應原理完成的保護動作，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成，當電路發生過電流時，會在熔絲上產生足夠的熱量，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計成一定的幾何形狀，在上面還會點上某種材質的焊點，在電路過電流情況下焊點快速發熱，使熔絲迅速斷開。

從某種意義上來講，空氣開關也可以簡單地理解為具有保護和機械聯動功能的刀閘。當電氣回路中發生過載或短路時，電流流過開關內的熱元件，熱元件發熱變形使電磁脫扣器動作斷開電路。帶有欠壓脫扣器的空氣開關，欠壓脫扣器線圈并聯在空氣開關的一次電路中，欠壓脫扣器線圈帶電產生電磁力，電磁力與拉簧形成反作用力，電磁力拉動拉簧上的銜鐵。當電路上電壓降低到脫扣值以下時，線圈產生的電磁力小于拉簧的拉力，拉簧上的銜鐵動作，使電磁脫扣器動作斷開電路。

3 熔斷器和空氣開關的性能區別

快速熔斷器熔斷電流一般為1.5～2倍負載電流，2～3倍負載電流即可快速熔斷，快速熔斷時間一般為0.01～0.02s。快速熔斷器的反時限特性曲線較陡，斷弧能力較強，并有很好的限流作用。快速熔斷器主要用于半導體整流電路、逆變電路或其他電子電路的瞬時短路保護。由于可控硅和一些電子功率元件的過載能力很差，只能在極短時間內承受較大電流，因此，要求短路保護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。快速熔斷器對電流變化靈敏度高，這種特性也導致其不具有對電流性質的判別能力，無法區分故障電流和浪涌電流。當電源系統波動出現浪涌電流時，快速熔斷器會無差別快速熔斷電路。

普通熔斷器熔斷電流一般為1.5～2倍負載電流，在過電流情況下會有一定的允許通過的時間。熔體熔斷具有反時限特性，實際電流超過額定電流值越大熔斷時間就越短，相反超過額定熔斷電流越小，熔斷時間就越長。普通熔斷器相對快速熔斷器來說動作速度慢，主要是因為普通熔斷器熔斷時需要累積更多的熱能。這也是普通熔斷器的重要優點，具有對過電流性質和累積熱量大小進行判別的能力。動作反應時間就是普通熔斷器對過電流的開斷時間。

空氣開關具有瞬時短路保護和過流保護功能。保護具有反時限工作特性，通過的電流超過10倍額定電流時，瞬時動作，動作時間小于一個周波，即小于0.02s。過電流倍數越小，動作延時越長，不具備小倍數過電流的瞬時保護作用[2]。

4 應用場合

在低壓電氣配電電路中，熔斷器和空氣開關均可應用在一次、二次電路中。除了可以完成接通和分斷電路外，還能夠在一次、二次電路或元器件發生過流、短路時進行保護，防止故障的范圍擴大。

但在電子電路中，基本上是通過熔斷器來實現元器件的保護，很少看到通過空氣保護電氣元器件，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號機組一臺UPS輸出熔斷器熔斷，UPS 轉旁路運行。

案例2：2018年1月，某電廠2號機組一臺UPS輸出熔斷器熔斷，UPS 轉旁路運行。

案例3：2022年4月，某電廠1號機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正常，該故障導致機組停機。

5.1 案例1、案例2故障原因分析

經排查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，熔斷器長期受熱后，內部熔絲局部逐步氧化，局部氧化導致局部電阻增大，UPS 正常電流在熔絲局部電阻增大部位發熱量累積不斷增加，最終導致熔斷器熔斷。

5.2 案例3故障原因分析

經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，判斷為熔斷器內部局部存在質量缺陷，缺陷部位電阻較大，長期運行時出現高溫并加速老化，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期運行老化所致。直接處理措施均是更換故障熔斷器，后續維護也均是采用定期更換熔斷器的方式。

6 熔斷器和空氣開關的應用建議

在低壓電氣電路中，熔斷器在正常運行期間突然熔斷，熔斷器熔斷的原因分析包括諸如瞬時過流、過載、熔斷器的質量缺陷、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行準確的界定，由于故障熔斷器本身無法進行重復性試驗檢測，也使故障原因直接判斷困難，在此情況下，通常會使用排他法確定熔斷器的故障原因[3]。

相比而言，空氣開關可以進行重復性試驗驗證，故障原因也更容易判斷，同時在實際應用中空氣開關本身的故障率極低。

很多工程在設計初期，電路及元器件的瞬時保護、過載保護選用熔斷器還是空氣開關會出現不同選擇。主要是因為影響選擇的因素有很多，包括沿用已有設計、保護的回路特性、成本等。鑒于熔斷器長期運行后故障率高、熔斷原因不易確定，熔斷器和空氣開關的使用建議如下。

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元件，在成本和空間許可的情況下建議使用空氣開關代替熔斷器。

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，電路應該使用快速熔斷器作為瞬時保護器件，防止故障范圍進一步擴大。

第三，在極端情況下，對于個別電子電路，對比被保護電路在過流情況下損壞可能產生的經濟損失和元器件本身的經濟損失，如果熔斷器熔斷后將造成更嚴重的經濟損失或安全風險，建議使用空氣開關替代熔斷器或采取其他措施，避免發生因熔斷器老化或浪涌干擾導致熔斷器非預期故障熔斷。

第四，根據負載的重要程度考慮熔斷器的更換頻度：對于重要負載，建議熔斷器的負載率達到80%時，4～5年更換熔斷器。熔斷器負載率80%以下時，8～10年更換熔斷器。對于非重要負載，故障后無嚴重后果的熔斷器可以20年或更長時間更換熔斷器。

7 結語

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