熔断器和空气开关在低压电气电路中的应用探讨

江苏核电有限公司 李洪伟

熔断器和空气开关在低压电路中被广泛应用，其在低压电气电路中的作用不仅可以接通电路，使电路中的元器件完成相应的设计动作，还具有保护功能。熔断器可以说是一种简单而有效的保护器件。利用金属导体（熔丝）作为熔体串联于电路中，当电流超过规定值时，以本身产生的热量使熔体熔断，从而断开电路，避免电气设备损坏，防止事故范围扩大、蔓延。

空气开关，又名空气断路器，是一种只要电路中电流超过额定电流就会使电路自动断开的元器件。空气开关也是低压电气系统中非常重要的一种电器元件，不仅具有控制电路通断功能，还有过载、过流，以及欠压等多种保护功能。

1 熔断器和空气开关在低压电气电路中应用的优势

1.1 过载保护，熔断器在低压电气电路中的应用优势

过载是指电路中的电流超过了设备或电线的额定电流承载能力，可能导致设备损坏或电线过热引发火灾等安全风险。熔断器能够有效地监测电路中的电流，并在电流超过额定值时迅速切断电路，防止过载现象的发生，可有效地保护电气设备。熔断器的过载保护具有以下优势。第一，安全性：熔断器能够快速切断电路，可避免电气设备因过载而发生故障或损坏，同时防止电线过热引发火灾等危险情况，提高了电气系统的安全性。第二，灵敏度：熔断器对电流的监测和切断具有高度的灵敏度，能够及时响应过载现象。第三，可靠性：熔断器作为一种被动式保护设备，不需要外部电源或其他辅助装置，具有较高的可靠性。其不会受到其他因素（如温度、湿度等）的影响，稳定可靠地工作。第四，维修便捷：当熔丝熔断时，只需更换熔丝即可恢复电路的正常运行，维修相对简单和经济。

1.2 高断电容量，空气开关在低压电气电路中的应用优势

高断电容量指的是空气开关能够承受较大的电流和短路故障电流，适用于需要处理大功率负载和高短路电流的电气系统。空气开关具有强大的接触和断开能力，能承受高电流和电压的冲击，保证电气系统的正常运行和安全性。高断电容量带来以下优势。一是处理大功率负载：在某些应用中，电路需要处理较大的负载，如大型电机、电动机、变压器等。空气开关具有高断电容量，能够承受大电流，确保电路能够稳定运行。二是处理短路故障电流：短路故障可能导致电路中产生极高的电流。空气开关的高断电容量使其能够承受瞬时高电流，迅速切断电路，防止短路电流对电气设备造成损坏。三是提高系统可靠性：空气开关在处理高断电容量时表现出较高的可靠性，确保电气系统的稳定运行[1]。

2 熔断器和空气开关的工作原理

按反应时间不同，熔断器分为快速熔断器和普通熔断器，通常也称“快熔”和“慢熔”。

快速熔断器、普通熔断器和空气开关均是利用热效应原理完成的保护动作，但工作原理存在些许差异：普通熔断器的熔丝是由具有一定几何形状的金属丝构成，当电路发生过电流时，会在熔丝上产生足够的热量，熔丝熔断，断开电路。

通常情况下，快速熔断器的熔丝不仅是将金属丝设计成一定的几何形状，在上面还会点上某种材质的焊点，在电路过电流情况下焊点快速发热，使熔丝迅速断开。

从某种意义上来讲，空气开关也可以简单地理解为具有保护和机械联动功能的刀闸。当电气回路中发生过载或短路时，电流流过开关内的热元件，热元件发热变形使电磁脱扣器动作断开电路。带有欠压脱扣器的空气开关，欠压脱扣器线圈并联在空气开关的一次电路中，欠压脱扣器线圈带电产生电磁力，电磁力与拉簧形成反作用力，电磁力拉动拉簧上的衔铁。当电路上电压降低到脱扣值以下时，线圈产生的电磁力小于拉簧的拉力，拉簧上的衔铁动作，使电磁脱扣器动作断开电路。

3 熔断器和空气开关的性能区别

快速熔断器熔断电流一般为1.5～2倍负载电流，2～3倍负载电流即可快速熔断，快速熔断时间一般为0.01～0.02s。快速熔断器的反时限特性曲线较陡，断弧能力较强，并有很好的限流作用。快速熔断器主要用于半导体整流电路、逆变电路或其他电子电路的瞬时短路保护。由于可控硅和一些电子功率元件的过载能力很差，只能在极短时间内承受较大电流，因此，要求短路保护具有快速熔断的能力，使用快速熔断器可以使电子敏感部件免受损坏。快速熔断器对电流变化灵敏度高，这种特性也导致其不具有对电流性质的判别能力，无法区分故障电流和浪涌电流。当电源系统波动出现浪涌电流时，快速熔断器会无差别快速熔断电路。

普通熔断器熔断电流一般为1.5～2倍负载电流，在过电流情况下会有一定的允许通过的时间。熔体熔断具有反时限特性，实际电流超过额定电流值越大熔断时间就越短，相反超过额定熔断电流越小，熔断时间就越长。普通熔断器相对快速熔断器来说动作速度慢，主要是因为普通熔断器熔断时需要累积更多的热能。这也是普通熔断器的重要优点，具有对过电流性质和累积热量大小进行判别的能力。动作反应时间就是普通熔断器对过电流的开断时间。

空气开关具有瞬时短路保护和过流保护功能。保护具有反时限工作特性，通过的电流超过10倍额定电流时，瞬时动作，动作时间小于一个周波，即小于0.02s。过电流倍数越小，动作延时越长，不具备小倍数过电流的瞬时保护作用[2]。

4 应用场合

在低压电气配电电路中，熔断器和空气开关均可应用在一次、二次电路中。除了可以完成接通和分断电路外，还能够在一次、二次电路或元器件发生过流、短路时进行保护，防止故障的范围扩大。

但在电子电路中，基本上是通过熔断器来实现元器件的保护，很少看到通过空气保护电气元器件，而且用到的熔断器几乎全部是快速熔断器，利用的是快速熔断器可以低倍电流快速熔断的特性。

5 熔断器的事故案例

案例1：2017年11月，某电厂1号机组一台UPS输出熔断器熔断，UPS 转旁路运行。

案例2：2018年1月，某电厂2号机组一台UPS输出熔断器熔断，UPS 转旁路运行。

案例3：2022年4月，某电厂1号机组一热交换器流量电磁阀电路熔断器熔断，无其他故障元器件，更换故障熔断器后恢复正常，该故障导致机组停机。

5.1 案例1、案例2故障原因分析

经排查UPS 故障熔断器为快速熔断器，见表1。

表1 案例1、案例2故障原因分析

由此，熔断器熔断的原因分析判断为熔断器老化。熔断器不是完全封闭、完全隔绝空气，熔断器长期受热后，内部熔丝局部逐步氧化，局部氧化导致局部电阻增大，UPS 正常电流在熔丝局部电阻增大部位发热量累积不断增加，最终导致熔断器熔断。

5.2 案例3故障原因分析

经排查电磁阀电路故障熔断器为快速熔断器，见表2。

表2 案例3故障原因分析

该电厂在此熔断器的原因分析中，判断为熔断器内部局部存在质量缺陷，缺陷部位电阻较大，长期运行时出现高温并加速老化，熔断器熔断。

无论案例1、案例2还是案例3，最终的故障原因均为熔断器长期运行老化所致。直接处理措施均是更换故障熔断器，后续维护也均是采用定期更换熔断器的方式。

6 熔断器和空气开关的应用建议

在低压电气电路中，熔断器在正常运行期间突然熔断，熔断器熔断的原因分析包括诸如瞬时过流、过载、熔断器的质量缺陷、熔断器老化或浪涌干扰等。在有些情况下，熔断器熔断的真正原因很难直接进行准确的界定，由于故障熔断器本身无法进行重复性试验检测，也使故障原因直接判断困难，在此情况下，通常会使用排他法确定熔断器的故障原因[3]。

相比而言，空气开关可以进行重复性试验验证，故障原因也更容易判断，同时在实际应用中空气开关本身的故障率极低。

很多工程在设计初期，电路及元器件的瞬时保护、过载保护选用熔断器还是空气开关会出现不同选择。主要是因为影响选择的因素有很多，包括沿用已有设计、保护的回路特性、成本等。鉴于熔断器长期运行后故障率高、熔断原因不易确定，熔断器和空气开关的使用建议如下。

第一，一般低压电气电路，可以使用普通熔断器作为电路保护元件，在成本和空间许可的情况下建议使用空气开关代替熔断器。

第二，一般情况下，由于整流元件或其他电子功率元件较为昂贵，且元件的过流能力较差，电路应该使用快速熔断器作为瞬时保护器件，防止故障范围进一步扩大。

第三，在极端情况下，对于个别电子电路，对比被保护电路在过流情况下损坏可能产生的经济损失和元器件本身的经济损失，如果熔断器熔断后将造成更严重的经济损失或安全风险，建议使用空气开关替代熔断器或采取其他措施，避免发生因熔断器老化或浪涌干扰导致熔断器非预期故障熔断。

第四，根据负载的重要程度考虑熔断器的更换频度：对于重要负载，建议熔断器的负载率达到80%时，4～5年更换熔断器。熔断器负载率80%以下时，8～10年更换熔断器。对于非重要负载，故障后无严重后果的熔断器可以20年或更长时间更换熔断器。

7 结语

本文通过对熔断器和空气开关的工作原理、性能和故障案例分析，提出了熔断器和空气开关的应用建议，可为低压电气电路的设计及类似的故障分析、处理提供参考借鉴。