第六章常用低压电器文档格式.docx

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属于这一类的电器有刀开关、转换开关、熔断器、低压断路器等。

．执行电器主要用于完成某种动作或传送功能。

属于这一类的电器有电磁铁、电磁离合器等。

（二）按应用场合分类

1．一般用途低压电器也称为基本系列低压电器，在正常工作条件下工作。

这类电器用于电力系统冶金企业、机器制造工业以及其它工业的配电系统、电力拖动系统及自动控制系统。

其它各类低压电器一般是在此类低压电器的基础上派生出来的。

2．矿用低压电器具有防爆功能，适用于含煤尘及甲烷等爆炸性气体的环境。

3．化工用低压电器具有防腐蚀功能，适用于有腐蚀性气体和粉尘的场所。

4．船用低压电器具有耐颠簸、振动和冲击功能，能在很大的倾斜条件下工作，而且耐潮湿，能抵抗盐雾和霉菌的侵蚀。

5．牵引低压电器常用于电力机车，其工作环境温度较高，能耐倾斜、振动和冲击。

6．航空低压电器能在任何位置上可靠地工作，耐冲击和振动，而且体积小、重量轻。

（三）按操作方式分类

可分为手动电器、自动电器。

手动电器属于非自动切换的开关电器，包括按钮、刀开关、转换开关、行程开关和主令电器等。

自动电器有接触器、继电器、断路器等。

操作方式有人力操动、人力储能操动、电磁铁操动、电动机操动、空气压缩操动等。

（四）按使用系统分类

．自动控制电力拖动系统用电器有接触器、起动器、控制继电器等。

对这类电器的主要技术要求是有一定的通断能力、操作频率高、电气和机械寿命长等。

．电力系统用电器有断路器、熔断器、自动开关等，对这类电器的主要技术要求是通断能力强、限流效应好、电动稳定性高、保护性能完善等。

．自动化通讯系统用电器有微型继电器、晶体管逻辑元件等。

对这类电器的主要技术要求是动作时间快、灵敏度高、抗干扰能力强等。

（五）按电器执行功能分类

．有触点电器电器通断电路的执行功能由触点来实现。

．无触点电器电器通断电路的执行功能根据输出信号的逻辑电平来实现。

3．混合电器有触点和无触点结合的电器。

（六）按电力拖动自动控制系统用电器分类

．接触器有交流接触器、直流接触器、晶闸管接触器、智能接触器等类型。

．继电器有电压继电器、时间继电器、中间继电器、热继电器、速度继电器、固态继电器等类型。

．主令电器有按钮、指示灯、微动开关、接近开关、行程开关、主令控制器等类型。

．执行电器有电磁铁、电磁离合器、电磁抱闸、电磁阀等类型。

．熔断器有插入式熔断器、螺旋式熔断器、快速熔断器等类型。

．成套电器主要有低压控制屏（柜）、低压配电屏（柜）、动力配电箱（柜）、照明配电箱（柜）等四大类。

．低压断路器有万能框架式低压断路器、装置式低压断路器、智能化断路器等类型。

．刀开关、转换开关有单极、双极、三极等类型。

二、低压电器的应用

图6-1工矿企业典型配电线路

TM－配电变压器QF－低压断路器

QS－刀开关FU－熔断器KM－接触器

FR－热继电器M1、M2－电动机

在电力拖动控制系统中，低压电器主要用于对电动机进行控制、调节和保护。

在低压配电电路或动力装置中，低压电器主要用于对电路和设备进行保护以及通断、转换电源或负载。

图6-1所示为一工矿企业的典型配电线路，线路上设置了各种低压电器。

这个线路分为三个区间：

降压变压器至中央配电盘母线的线路称为主线路；

中央配电盘母线至车间动力配电盘母线的线路称为分支线路；

车间动力配电盘母线至负载的线路称为馈电线路。

在这三个区间中各装置了一些低压电器。

主线路上装有刀开关QS1和断路器QF1，分支线路上也装有刀开关QS2、QS3、QS4和断路器QF2、QF3。

刀开关用于维修线路时隔离电源，以保证维修工作安全进行；

断路器是一种多功能保护电器，当线路出现过载、短路、失压或欠压故障时，能自动分断故障线路，也可以用于不频繁地接通和分断电力线路。

馈电线路中装有接触器KM1、KM2，热继电器FR1、FR2和熔断器FU2。

接触器用于正常工作条件下频繁地接通和分断线路，但不能分断短路电流；

熔断器用于对线路进行短路保护；

热继电器用于对电动机进行过载保护。

由此可见，不同的低压电器在线路中所承担的任务是不同的。

三、低压电器额定工作制及正常工作条件

（一）额定工作制

正常情况下，电器的额定工作制有：

1．八小时工作制电器的导电电路通以一稳定电流（对有触点的电器，其触点保持闭合；

具有操作线圈的电器必须通电），通电时间足够长以达到热平衡，但超过八小时必须分断。

2．不间断工作制（又称长期工作制）没有空载期的工作制，电器的载流回路通以稳定电流，而且通电时间超过八小时也不分断。

3．短时工作制有载时间与空载时间互相交替，且前者比后者短的工作制，其通电时间不足以使电器达到热平衡，而两次通电时间间隔却足以使电器温度恢复到等于环境温度。

4．断续周期工作制（又称反复短时工作制）有载时间与空载时间循环交替，且有一定比值。

由于循环周期很短，以至于使电器不能达到热平衡。

（二）正常工作条件

．周围空气温度为－5℃～＋40℃（有外壳的电器，是指外壳周围的空气温度），24h内其平均值不超过＋35℃。

．安装地点的海拔不超过2000m。

．安装地点的空气最高温度＋40℃时，其相对湿度不超过50％，在较低的温度时，允许有较高的相对湿度，最湿月平均最低温度不超过＋25℃，该月的月平均最大相对湿度不超过90％。

对由于温度变化而发生在产品上的凝露情况，必须采取措施。

．用来确定电气间隙和爬电距离的微观环境污染等级可分为四级：

污染等级1：

无污染或仅有干燥的非导电性的污染。

污染等级2：

一般情况仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。

污染等级3：

有导电性污染，或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。

污染等级4：

造成持久性的导电性污染。

例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。

工业用电器一般选取用于污染等级为3级的环境，家用和类似用途电器一般选取用于污染等级为2级的环境。

四、低压电器发展概况

我国低压电器是从本世纪50年代开始起步的，至今已有近50年的历史。

期间经历了全面仿苏、自行设计、更新换代、技术引进、跟踪国外新产品等几个时期，在设计水平、新技术应用、检测技术等方面取得了巨大的成就。

50年代初，我国低压电器行业基本上是生产仿苏产品，50年代末期至60年代中期才逐步转为生产自行设计产品，设计生产出低压断路器、接触器等12大类几百种产品，这一代产品为我国低压配电和控制系统的发展起了重要的作用。

改革开放以来，低压电器制造工业的发展迅速。

至“七五”末（1987年前后），低压电器产品已发展到600多个系列，1200多个品种，数万种规格。

1981年开始，上海人民电器厂、上海电器陶瓷厂、上海华通开关厂等从德国BBC公司、AEG公司和美国西屋公司引进了ME系列低压断路器、B系列交流接触器、K系列中间继电器、T系列继电器、MSB系列电磁起动器等产品制造技术，基本上实现了国产化，有的产品还返销到国外，如上海人民电器厂生产的DW15－2500万能式低压断路器，符合IEC国际标准，结构紧凑新颖，使用维修方便，电动操作方式并附有应急和维修手柄，保护性能齐全，额定电压380V，分断能力为60KA；

DW15C—1000、1600抽屉式万能低压断路器主要技术性能指标与国内引进的同类产品相当，而价格明显低于国外及国内引进同类产品的价格。

目前，我国低压电器的发展正向着更高层次迈进，按照国际标准积极开发、研制新产品，提高传统电器产品的性能，发展机电一体化产品，并提出了高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化的要求。

如上海电器科学研究所、南通低压电器厂等单位正在开发研制模数化终端组合电器，这种电器的主要特点是实现了电器尺寸模数化、安装轨道化、外形艺术化和使用安全化。

这将是今后相当时间内，低压电器的重要发展方向之一。

随着国民经济、电力事业和现代工业自动化的发展，对低压电器提出了更多、更新的要求，这些要求就决定了我国低压电器的发展趋势：

．实现低压电器产品智能化　将微处理器技术运用于低压电器中，可以实现低压电器的高性能、多功能和智能化。

例如采用微处理器技术的断路器可以具有完善的保护功能和智能脱扣功能，并且将试验、测量、自诊断、显示、通信等功能集合于一体，从而实现智能化。

又如采用微处理器技术的起动器，可使起动器成为智能化节电型。

．实现低压电器产品通信化低压配电系统的网络化，要求大力发展有通信功能的低压电器，对可通信低压电器提出下列基本要求：

带通信接口、通信归约标准化，可以直接挂在总线上及符合低压电器标准和相关EMC要求。

实现低压电器通信化的方法可以在传统电器上增加联网接口和通信接口，也可以设计直接带联网接口和通信接口功能的电器。

为了实现双向通信，低压电器必须电子化、集成化、智能化。

3．实现低压电器产品模块化、组合化　模块化使电器制造过程简化，这种电器可根据需要任意组合，拆装迅速。

组合化使不同功能的电器组合于一体，电器结构变得紧凑，减少线路中所需元件品种，并使保护特性得到良好配合。

低压电器产品结构上采用模块化和组合化，易于实现标准化、通用化与系列化，制造灵活、使用方便且可靠性高。

4．提高低压电器产品分断能力和限流性能新的灭弧系统和限流技术，将会实现低压开关电器“无飞弧”。

如采用一种三维磁场集中驱弧技术来提高塑壳断路器的开断性能；

采用旋转式双断点限流结构，并在前后级保护特性配合方面实现“能量匹配”以提高开关电器开断能力等。

5．提高低压电器产品可靠性随着自动控制系统的大型化，一个系统所用的元件越来越多，所以元件的可靠性就越来越重要。

在可靠性研究中，可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措施，其次是加速寿命试验的研究、可靠性设计方面的研究、可靠性试验和试验装置的研制等。

6．开展基础理论研究，应用计算机辅助设计、制造、试验新产品基础理论研究有电触头、电弧、电磁系统计算方法、电磁系统结构等。

要求新产品具有较高的综合性、可靠性、智能化，在设计时可借助计算机选出最佳方案。

第二节常用低压电器的基本问题

本节学时1学时

本节重点1、低压电器的电磁机构

2、低压电器的触点系统

3、低压电器中电弧的产生和常用的灭弧方法

教学方法结合实际，分析给出电器的基本结构形式即电磁部分和触点部分。

对每部分的结构做了详细的介绍，重点介绍电磁部分的吸力特性和反力特性。

分析电器电弧情况以及灭弧的方法。

低压电器的基本结构由电磁系统和触点系统组成。

一、电磁机构

电磁机构是电磁式电器的感测元件，它将电磁能转换为机械能，从而带动触点动作。

（一）电磁机构的结构形式

电磁机构由电磁线圈（吸引线圈）、铁心及衔铁三部分组成。

根据由铁心和衔铁构成的磁路形状及衔铁运动方式的不同，以及线圈接入电路的方式不同，电磁机构可分成多种形式：

1．按衔铁的运动方式分

⑴衔铁绕棱角转动拍合式衔铁绕磁轭的棱角而转动，磨损较小，铁心一般用电工软铁制成，适用于直流接触器和继电器。

如图6-2a和b所示。

图6-2电磁机构的型式

1-铁心2-线圈3-衔铁

（a）（b）

图6-3电磁机构中线圈的连接方式

（a）串联电磁机构（b）并联电磁机构

⑵衔铁绕轴转动拍合式衔铁绕轴转动，铁心一般用硅钢片叠成，适用于较大容量的交流接触器。

如图6-2c和d所示。

⑶衔铁直线运动直动式衔铁在线圈内作直线运动，较多用于中小容量交流接触器和继电器中。

如图6-2e、f和g所示。

2．按磁路形状分

电磁机构可分为U形（如图6-2a、b、c所示）和E形（如图6-2d、e、f和g所示）。

3．按线圈的连接方式分

⑴串联电磁机构电磁机构的线圈串联于电路中，如图6-3a所示。

按电路的电流种类可分为直流串联电磁机构和交流串联电磁机构。

串联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈中电流的大小。

这种接入方式的线圈又称为电流线圈，它的特点是匝数少，线径较粗。

具有这种电磁机构的电器都属于电流型电器。

⑵并联电磁机构电磁机构的线圈并接于电路中，如图6-3b所示。

按电路的电流种类可分为直流并联电磁机构和交流并联电磁机构。

并联电磁机构的衔铁动作与否取决于线圈两端电压的大小，这种接入方式的线圈又称为电压线圈，它的特点是匝数多，线径较细。

具有这种电磁机构的电器都属于电压型电器。

4．按电磁线圈的种类分

电磁线圈可分为直流线圈和交流线圈两种。

（二）电磁机构的特性

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示。

吸力特性是指电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线。

反力特性是指电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系曲线。

1．吸力特性电磁机构的吸力特性随电磁线圈电流种类（交流或直流）、线圈连接方式（串联或并联）的不同而不同。

其近似计算公式为

（6—1）

式中，F－电磁吸力（N）；

B－气隙磁通密度（T）；

S－吸力处的铁心截面积（m2）；

μ0－空气导磁系数，μ0=1.25×

10-6H/m。

当铁心截面积S为常数时，电磁吸力F与磁通密度B的平方成正比，也可认为电磁吸力F与气隙磁通φ的平方成正比，即

F∝φ2（6－2）

⑴交流电磁机构的吸力特性对于具有电压线圈的交流电磁机构，设外加电压U不变，电磁线圈的阻抗主要取决于线圈的电抗，电阻可忽略不计，则

U≈E＝4.44fNφ（6－3）

式中，U－线圈外加电压；

E－线圈感应电势；

f－电压频率；

N－线圈匝数；

φ－气隙磁通。

当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，磁通φ也为常数。

由式（6－2）知电磁吸力F也为常数，说明电磁吸力F与气隙δ大小无关。

实际上，考虑到漏磁通的影响，吸力F随气隙δ的减小略有增加。

虽然电磁机构的气隙磁通φ近似不变，但气隙磁阻随气隙长度δ而变化，根据磁路定律

可知，交流电磁线圈的电流I与气隙δ成正比。

图6-4所示为电磁机构的吸力特性。

通常U型交流电磁机构，在线圈通电而衔铁尚未吸合时，电流可达到吸合后额定电流的5～6倍；

E型电磁机构则可达到额定电流的10～15倍。

如果衔铁卡住不能吸合，或者频繁动作，线圈可能因为过电流而烧毁。

所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。

图6-4交流电磁机构的吸力特性

⑵直流电磁机构的吸力特性对于具有电压线圈的直流电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，即电流与气隙大小无关。

由式（6－5）和式（6－2）可知，此时

F∝Φ2∝（1/δ）2（6－6）

因此，直流电磁机构的电磁吸力F与气隙δ的平方成反比。

其电磁吸力特性为二次曲线，如图6-5所示。

它表明衔铁闭合前后电磁吸力变化很大，气隙越小，电磁吸力越大。

由于电磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力较大，工作可靠性好。

但是，当直流电磁机构的电磁线圈断电时，由于磁通急剧变化，因而在线圈中会感应很大的反电势，其值可达线圈额定电压的10～20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。

为了减小此反电势，一般在电磁线圈上并联一个放电回路，如图6-6所示。

这样，当线圈断电时，放电电路使原先贮于磁场中的能量消耗在电阻上，而不致产生过电压。

通常放电电阻的阻值取线圈直流电阻的6～8倍。

图6-7吸力特性和反力特性

1－直流电磁机构吸力特性2－交流电磁机构吸力特性3－反力特性

2．反力特性为了使衔铁在线圈断电后能恢复到原来打开位置，在电磁式电器中都装有释放弹簧。

电磁机构的反力包括释放弹簧的反力、触点弹簧的反力以及运动部件的重力，反力特性曲线如图6-7所示曲线3。

图中，δ1为起始位置，δ2为动、静触点接触时的位置。

在δ1～δ2区域内，释放弹簧在起作用，随着气隙的减小，反力逐渐增大；

到达δ2位置，动、静触点开始接触，触点弹簧的初压力作用于衔铁上，使反力骤增，曲线突变；

其后，在δ2～0区域内，释放弹簧与触点弹簧同时起作用，随着气隙的减小，反力迅速增大，其线段变化较δ1～δ2段陡。

3．吸力特性与反力特性的配合为了保证吸合过程中衔铁能可靠吸合，电磁吸力特性必须与反力特性配合好，如图6-7所示。

在整个吸合过程中，吸力都必须大于反力，即吸力特性高于反力特性。

但吸力不能过大，否则会使衔铁吸合时的运动速度过大，使衔铁与铁心柱端面造成严重机械磨损；

此外，过大的冲击力有可能使触点产生弹跳现象。

吸力也不能过小，否则会使衔铁吸合时的运动速度降低，难以保证高操作频率的要求。

在实际应用中，可通过改变反力弹簧的松紧来实现吸力特性与反力特性的适当配合。

对于单相交流电磁机构，一般在铁心端面上安装一个用铜制成的分磁环（或称短路环），以便正常工作，见图6-8a所示。

这是因为电磁机构的磁通是交变的，而电磁吸力与磁通的平方成正比。

当磁通过零时，吸力也为零，这时衔铁在弹簧反力作用下被拉开。

磁通过零后

图6-8加短路环后的磁通和电磁吸力

（a）磁通示意图（b）电磁吸力图

吸力增大，当吸力大于反力时，衔铁又吸合。

在如此往复循环的过程中，衔铁产生强烈的振动。

当加入分磁环后，交变磁通的一部分穿过分磁环，在环中产生涡流。

根据电磁感应定律，此涡流所产生的磁通φ2较未穿过分磁环的磁通φ1在相位上滞后。

由φ1和φ2产生的吸力F1和F2如图6-8b所示。

作用在衔铁上的力是F1+F2，只要此合力始终大于其反力，就可消除衔铁的振动。

二、触点系统

触点是电磁式电器的执行元件，电器就是通过触点的工作来通断被控制的电路。

（一）触点的接触形式

图6-9触点结构形式

（a）桥式触点（b）指形触点

触点的结构形式很多，按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点，主触点用于通断主电路，辅助触点用于通断控制电路。

按其原始状态可分为常开触点和常闭触点，原始状态时断开，线圈通电后闭合的触点称为常开触点；

原始状态时闭合，线圈通电后断开的触点称为常闭触点。

按其结构形式可分为桥式触点和指形触点，如图6-9所示。

按其接触形式可分为点接触、线接触和面接触，如图6-10所示。

图6-10a所示为点接触，它由两个半球面或一个半球面与一个平面形触点构成，接触区域是一个点或面积很小的面。

这种触点结构很容易提高单位面积上的压力，减小触点接触电阻。

常用于电流较小的电器中，如继电器的触点和接触器的辅助触点。

图6-10b所示为面接触，它由两个平面形触点相接触，接触区域是一个面积。

这种触点一般在接触表面上镶有合金，以减小触点的接触电阻，提高触点的抗熔焊、抗磨损能力，允许通过很大的电流。

常用于大容量的接触器主触点。

图6-10c所示为线接触，它由两个圆柱面形的触点构成，接触区域是一条直线或一条窄面，常做成指形触点结构，这种接触形式在通断过程中是滑动接触，如图6-10d，开始接触时，静、动触点在A点接触，靠弹簧压力经B点滚动到C点，并在C点保持接通状态。

断开时作相反运动。

这样可以在通断过程中自动清除触点表面的氧化膜，保证了触点的良好接触。

这种滚动线接触常用于通电次数多，电流较大的场合，如中等容量的接触器主触点。

图6-10触点接触形式

（a）点接触（b）面接触（c）线接触（d）线接触触点的接触过程

（二）触点的接触电阻

由于触点的接触面不是理想的光滑表面，在接触时，实际接触的面积总是小于触点原有可接触面积，使有效导电面积减小，当电流流经时，就会产生电流收缩现象，从而使电阻增大及接触区的导电性能变差。

这种由于动、静触点闭合时在过渡区域所形成的电阻，称为接触电阻。

接触电阻的存在，不仅会造成一定的电压损失，还会使铜耗增加，触点温度升高。

这样，触点在较高的温度下很容易产生熔焊现象而使触点工作不可靠。

因此应采取适当措施减小接触电阻。

要使接触电阻尽可能减小，首先选用导电性好、耐磨性好的金属材料做触点，使触点本身的电阻尽量减小，通常选用铜、银、镍及其合金材料，有时也在铜触点表面电镀锡、银或镍。

还可在触点上装设接触弹簧，使触点在刚刚接触时产生初压力，并且随着触点闭合逐渐增大触点互压力，使触点接触的紧密一些。

另外，对于较大容量电器，还可采用具有滑动作用的指形触点，从而让清洁的金属接触面互相接触，以增强触点的导电性。

三、电弧的产生和常用的灭弧方法

（一）电弧的产生

当触点在分断电路中，如果触点之间的电压达12～20V、电流达0.25～1A，触点间隙内就会产生电弧。

电弧实际上是触点间气体在强电场作用下产生的放电现象，所谓气体放电，就是触点间隙中的气体被游离产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。

电路通过这个游离区时所消耗的电能转换为热能和光能，发出光和热的效应，产生高温并发出强光，使触点烧损，并使电路的切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。

电弧对电器的影响有三方面：

1．触点打开时，由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开。

2．电弧的温度很高，严重时可使触点熔化。

3．电弧向四周喷射，会引起电器和周围物质的损坏，还会造成相间短路，甚至造成火灾。

所以必须采取适当灭弧措施以加速并可靠地熄灭电弧。

（二）常用灭弧方法

图6-11灭弧栅灭弧原理

（a）栅片灭弧原理（b）电弧进入栅片的图形

1－静触点2－短电弧3－灭弧栅片4－动触点5—长电弧

1．灭弧栅灭弧图6-11所示为灭弧栅灭弧原理图。

灭