空气开关对变压器输出短路保护作用失效分析

王烁 史忠广

【摘 要】目前，我国的综合国力在不断的提高，变压器上的空气开关是电力拖动、电气控制系统、低压配电网络内的较为重要的电气元件，它具有多种保护与控制性功能，对保护变压器的输出功能具有重要的意义。基于此点，本文根据变压器的参数与工作特点及相互之间的关系，首先阐述了变压器的组成，其次探讨了空气开关的基本工作原理，最后分析了变压器的输出和输入之间的参数关系，总结了在使用变压器的过程中当空气开关作为保护系统时，探讨变压器在输出短路的过程中空气开关不能起到保护作用的因素，以期使空气开关能够保护变压器的正常运行。

【关键词】空气开关；变压器输出；短路保护作用

引言

空气开关作为低压配电网络、电力拖动和电气控制系统中重要器件，一经问世，就由于它不仅具有控制功能，更兼根据不同型号，集短路保护、过电流保护、分励控制、欠压保护优于一体，其卓越的优越性，得到广大用户的认可，广泛受到青睐，在很多场合都得到了应用。空气开关作为一种电气元件，也并不是十全十美的，并不是在所有情况下都能够及时的发挥作用，通过多年的实践工作，发现当使用空气开关作为电路保护器件，而变压器输出端短路时，空气开关并不能起到应有的保护作用。为了弄清这个问题，就必须从空气开关的工作原理和变压器的结构和相关工作参数特点入手，从上分析空气开关不脱扣的原因。

1故障检查原理

行输出电路可等效成一个RLC并联振荡回路，这回路如果加上一个脉冲电压，电路就会产生一个自由正弦衰减振荡。无短路的行输出变压器回路，次级并联的等效电阻可看成很大，所以振荡的幅度大、衰减慢，即自由振荡衰减的时间就长。而有短路的行输出变压器，即使只有一匝短路，其反射到初级的电阻就很小，负载加重，损耗就大，所以其振幅小、衰减快，如有严重短路的变压器，甚至不能形成自由振荡，根本看不到波形，只能看见一些闪动的毛刺。在确定与行输出变压器有关的外围电路无短路故障联的情况下，可以用在路的方法进行测试。若在路测试不明显时，或行输出变压器外围电路有短路时，就会影响测试结果，造成误判。这时只能将变压器拆下来测试了。

2空气开关的工作原理

一般来说空气开关都是用于对电气线路的过载和短路的保护，以下主要解释了空气开关的过载和短路的脱扣原理。1）电磁的脱扣原理在电力设备正常运行工作的过程中，线路内所通过的电流是正常大小，在空气开关内部的电磁铁产生的电磁力反作用于衔铁上面的弹簧，使电磁铁不容易被吸动，促使空气开关能够保持在正常的运行状态下运行。当供电系统中的设备出现短路的故障时，在线路内的电流很容易超过正常电流瞬间增大，造成电磁铁的上面瞬间产生巨大的电磁力，超出弹簧对衔铁自身的反作用力，使得衔铁被电磁吸动。此时，自由脱扣机构会通过机械传动被推动，将主触头上的跳钩释放出去，主触头受到分闸弹簧的拉力作用断开连接将短路切断。这样空气开关会对电流的短路现象起到保护的作用。2）热脱扣现象在线路中的电流正常运行时，其中的发热元件在发热的过程中会促使双金属片出现弯曲的现象。在弯曲到一定程度下，能够达到动态平衡的效果，此时双金属片不能再继续弯曲。如果产生了过载的现象，并且线路内的电流出现增大的现象时，双金属片会出现超过动态平衡继续弯曲的现象，达到一定程度时可通过传动机构联动自由脱扣机构将主触头释放。在一般情况下主触头能够在分闸弹簧的作用下分开，将短路切断，进而能够起到保护电路的作用。实际上通过对空气开关的脱扣原理进行详细的了解，就能发现空气开关不管是热脱扣还是电磁脱扣都能对电路起到一定的保护作用，而且他们都会受到电流的影响，只有在空气开关的电流超过了一定的大小后，并且电流瞬间出现变大的现象，电磁脱落扣才能工作，而这时热脱扣器实际上不能起到保护的作用。如果电流仅是偏大，没有达到能使电磁脱落装置出现动作的程度，此时在长期大电流的作用下，热脱扣器将会出现动作，起到保护作用。

3变压器输入与输出参数关系

在变压器理想状态时，变压器的参数关系：空载运行时是指变压器一次绕组接电源、二次绕组开路的状态。变压器在外加电压U1的作用下，一次绕组N中通过的电流IO称为空载电流。IO产生工作磁通，又称励磁电流。在其作用下，二次绕组叹两端将感应出电动势。变压器的电压变换关系为： 上式说明变压器一次、二次绕组电压的有效值与一次、二次绕组的匝数成正比，比值K称为变压比，作为降压变压器时，K}勺值大于10当二次绕组接入负载Z}时，称为变压器的有载运行。一次绕组中电流有效值为I1，二次绕组中电流的有效值为Iz，此时有： 上式表明，变压器一次、二次绕组电流的有效值与一次、二次绕组匝数成反比。变压器除了有变压和变流的作用以外，还有变换阻抗的作用。在不考慮变压器的漏磁、发热等损耗时，可以认为变压器的输入功率与输出功率是相等的。在变压器的一次侧接电源电压为U，二次测接负载阻抗ZL，在一次侧的等效阻抗为刀，则有： 上式说明，变压器的变压比为I1寸，在二次测接阻抗为ZL的负载，相当于在电源上直接接入一个阻抗为昭ZL的负载。当二次测负载阻抗为ZL=0零时，由上面的阻抗转换关系，则ZL-0，此时的不仅是变压器的输出端处于短路状态，同时，电源也处于短路状态，电源上的电流应该会在瞬间增大。在电路中接有空气开关时，在空气开关中的电流脱扣器中会有很大的电流，进而产生较强的磁力，电磁铁吸动衔铁，使电磁脱扣机构动作而脱扣，使主触点断开，起到保护作用。但事实并非如此，空气开关并不会脱扣起保护。空气开关不能起保护是什么原因导致的呢？其原因是空气开关中的电流并没有达到起保护作用的程度。进一步来说，又是为什么已经短路了，而电流却还没有达到使空气开关脱扣的程度呢？究其原因，变压器输出端的短路只能是一种电源的“间接短路”，它是一种在理想状态下，完全不考虑变压器线圈本身的阻抗而等效出来的短路。在实际上，变压器的线圈在接入交流电时，存在一定的阻抗，即Zl，那么在变压器负载阻抗虽然为0，二次侧的电流为： 该电流比较大，完全超过变压器正常工作时的电流，工作时间稍长，就会使变压器变热，直至变压器烧坏。而在变压器的一次侧电流为I，，根据变压器的参数转换关系： 当变压器作为降压变压器使用时，I1勺值大于1，当变压比I伏到一定程度时，工。的值就会相应的较低，此时电流i的值比电i和Z的值要小很多，以致达不到使空气开关脱扣的电流。为了避免变压器输出端短路而空气开关不起作用，就要在电路设计和元件选取时充分考虑变压器的短路阻抗值。另外，要分清楚短路的类型，分清“直接短路”与等效出来的“间接短路”的不同。

结语

空气开关是电气控制、电力拖动、配电网络系统当中的重要器件，具有较强的控制功能，能够兼顾到不同型号的设备。它具有集保护电流短路、分离控制、保护欠压为一体的优势，并且该控制系统具有一定的优越性，当前已经广泛使用在各种电力系统当中。

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