电磁冲击力.docx

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电磁冲击力

电磁冲击力

电气设备的电磁冲击力

云南曲靖鑫创机动部黄兆荣

摘要：

本文讲述了电磁冲击力产生，电磁冲击力的危害和防预措施，同时分别分析了电力线路、发电机、电动机、变压器等用电设备的电磁冲击力的一些情况。

关键词：

电磁力阻抗电流冲击力

一、概述：

各类用的设备若不采取一定的措施，直接启动，电磁冲击力对设备的寿命影响是很大的。

冲击力：

是物体相互碰撞时出现的力，在碰撞、打击过程中，物体间先突然增大而后快速消失，冲击力的特点是作用时间极短，量值可以达到最大。

减少电磁冲击力的措施是减少启动次数，加降压启动装置，加装变频器等。

电磁力是电荷、电流在电磁场中所受力的总称；是处于电场、磁场或电磁场的带电粒子所感受到的作用力，也是带电荷的粒子之间引起的力。

二、电磁场：

电可以带动磁，磁也能带动电，变化的电场和变化的磁场构成了一个电磁场。

电磁冲击力是用电设备在瞬时由自然状态的电磁状态到所加额定功率状态的转换，转换时声音增大，振动增大，电流突然增大，电压降低。

电磁冲击力一般在电气设备启动、停止和短路时发生，有冲击电流就会有冲击力，运行时不会有冲击力。

冲击电流是指用电气设备在供、停电瞬间内部产生的大电流。

体现在感性、容性负载中。

感性负载主要是电机，电机启动时，相当于短路，电流相当大，电磁冲击力也相当大，电机绕组的阻抗都很小，关断时也会产生一个反向的冲击电流。

容性负载是电容性负载，供电时，是相当于短路，瞬间电流理论上是无穷大。

冲击力也就无穷大的，电气人员认为，至少在额定电流10倍以上。

冲击电流的图如下：

电流从零值以很短时间上升到峰值，后以近似指数规律或阻尼正弦波形下降至零，冲击电流的波形用波前时间T1和半峰值时间T2表示，

大家都知道，宇宙是个电磁场，地球是个电磁场，地球是物体、物质组成的，那么物体、物质也是电磁场，物质、物体是由原子、分子组成，你说原子、分子是不是电磁场？

你不会说不是吧？

那么原子、分子就是带电的。

用电桥、电位差计、示波器、频率仪表、万用表、皮安电流表等任何仪器仪表测量任何物体任何都有电参数，只是数据大小不同。

三、原子理论：

现在的理论说：

原子核带正电荷，电子带负电荷，不论正负电荷都是物质，若原子核带的正电荷与电子带的负电荷，抵消了，那么物质不灭就不成立了，物质就能灭亡，只能说明正、负抵消是不对的。

还有若异性相吸，同性相斥，磁铁的相吸就成为一体了，电子还能自由运动吗？

电子绕原子核自由运动，电子和原子核永远不会成为一体，也很难分离，电子离原子核近了，单位体积的电荷增多，原子核对电子有排斥力（斥力）作用，原子核将电子排斥开，电子远离原子核。

电子离原子核远了，单位体积的电荷减少了，原子核对电子显示为引力，将电子吸引，电子不会远离原子核，很难脱离原子核，这样，电子离原子核远、近波动运动，所以原子是带电的，是一个带电的电磁场，

电工师傅们常说的原子是高电位，电子是低电位，。

原子核和电子的示意图大家应该看得多了，它俩示意图如下：

将原子核与电子的示意图合在一起，再来进行受力分析，如下图

把两个示意图合在一起有上图所示，要抵消是A—B段，其它地方就没能抵消，又根据力学分析方法A—B段是原子核和电子的相加，

F=F（+E）–F[-（-E）]

=F（+E）+F（-E）

接触处不是抵消（相减），而是相加。

电子越靠近原子核，排斥力越大，反之，电子远离原子核时引力增大。

原子的远处引力效果比斥力效果明显，物体也是一样。

外给原子一个电磁力偏置，原子的引力或斥力效果加强而更加显现岀来。

电子绕原子核自由运动，会有摩擦吗？

摩擦是生活、工作中常见的一些现象，摩擦使噪音增大，热量增大，电磁力或波动增大，产生新的物质。

所有的物体都是带电的，若物体不带电，那么摩擦那能有电增大呢？

电是电荷集中，电流是电荷定向运动，运动有运动频率。

电气设备启动时，线路和用电设备产生频谱很宽的电磁波，很大的冲击电流。

四、电路的元器件：

任何用电设备在开启机时都会受到电磁冲击力的作用，只是大小不同。

用电设备的等效电路是由电容、电感、电阻组成。

1、电容：

在刚闭合电源与电路时，电容器还没有充电，它的两个极板是等电位，电容此时对电流没有阻碍作用，相当于短路，等到充电之后，两极板有了电位差，对电流有了阻碍作用，充电电流很快减小。

电容器接通时，出现很大合闸涌流，同时有很高振荡频率，电流由电网电压、电容器容量和电路中电抗决定。

根据电容的容量大小不同，电容通交通，阻直流，通高频，阻低频，有移相作用。

纯电容电路，电容器电路中通入电流后，电容器充电需要一定的充电时间，纯电容电路中的电流相位超前于电压相位，差值为90度，是电流相位超前电压于90度；电容容抗计算公式如下：

Xc=1/（2πfC）

Xc=1/（ωC）=1/（2πfC）

Xc--------电容的容抗值；欧姆

ω---------角频率（角速度）

π---------圆周率，

f---------频率，

C---------电容值法拉F

电容受电磁冲击力大了会有过电压，绝缘会击穿或绝缘电阻值不够，发热量增大，使电容发生爆炸。

轻微的，电解液会渗透出来。

电容多次受到很大电磁冲击力的照片

2、电感：

纯电感电路当交流电通过纯电感电路时，线圈中会产生自感应电动势阻碍电流变化，故电感线圈对交流电有阻碍作用。

线圈两端加上电压时，线圈中的电流不会瞬间达到最大，这时纯电感电路的电流相位落后电压相位，差值为90。

电感对突变电流产生感抗，在交频电电路中会形成容、感谐振。

XL=2πfL=ωL

XL电感的感抗值；欧姆

ω---------角频率（角速度）

π---------圆周率，

f---------频率，

L-----------电感值亨利H

电缆的多次受到很大电磁冲击力情况如下照片：

3、电阻：

是导体对电流的阻碍作用，阻碍作用的大小与导体的尺寸、材料、温度有关。

电阻越大，对电流的阻碍作用就越大，不同的材质，电阻率不同。

R=ρL/S

ρ：

：

是电阻率

L是导体的长度

S：

是横截面积

电阻多次受到很大电磁冲击力后的照片：

4、电容、电感、电阻串联电路，电路图如下：

电路中电流为i=Imsinωt，

那么，各元件两端的瞬时电压为:

uL=XLImsin（ωt+π/2）

uC=XCImsin（ωt-π/2）

uR=RImsinωt

u=uR+uC+uL

端电压与电流的相位关系:

UC=IXCUL=IXL

（XL>XC,XL

串联电路中电流相等，以i为参考量作相量图。

（1）当XL

端电压较电流落后一个小于90°的角，电路呈电容性，是容性电路

（2）当XL>XC，则UL>UC，

端电压

应为三个分电压

R、

C、

L的相量和,端电压比电流超前一个小于90°的角，电路呈电感性，是电感性电路。

端电压和电流的大小关系：

电路的端电压与各个分电压构成一个直角三角形叫电压三角形。

由电压三角形得到：

端电压有效值与各分电压有效值的关系是相量和，而不是代数和。

UR=IRUC=IXCUL=IXL

U

是电容、电感、电阻串联电路的欧姆定律

5、绝缘物：

指阻滞热、电或声通过的材料，能隔断电流，有很高电阻的物质。

如橡胶、玻璃、云母等。

绝缘物的电阻值，叫绝缘电阻，绝缘电阻越大，绝缘性能就越好。

绝缘物是用来抵抗电压，电压越高，电位差就越大，在理想情况下，都希望绝缘物通过的电流为零，或无限少，实际上是不可能，绝缘物总是泄漏电流。

绝缘物也是由原子、分子组成，原子、分子是带电的，任何物体即使不带电，也是有电流的。

绝缘电阻：

直流电压加在电介质上，经过一定极化过程，流过电介质的泄漏电流对应的电阻。

皮安电流表（飞安表）是用来：

1．测量防静电鞋、导电鞋的电阻值 

2、测量防静电、导电材料的电阻及电阻率（ISO1853,GB/T 2439）

3、测量计算机房用活动地板的系统电阻值

4、测量绝缘材料电阻（率）5、光电二极管暗电流测量

测量范围：

±20×10-3A～±1×10-15A用途：

测量低压降高内阻的测量对象。

绝缘电阻是电气设备、电气线路基本指标，低压电气设备，常温下绝缘电阻不低于0.5MΩ，对运行中的设备和线路，绝缘电阻不低于1MΩ/kV。

低压电气、连接电缆、二次回路的绝缘电阻一般不低于1MΩ；二次回路小母线的绝缘电阻不低于10MΩ，一类手持电动工具的绝缘电阻不低于2MΩ。

额定电压V

>3300

>500--3300

>36--500

≤36

用兆欧表V

2500

1000

500

500

电磁冲击力对绝缘物有很大的破坏作用，使绝缘电阻的阻值下降，加速绝缘物碳化过程，电磁冲击力是电磁场变化影起，电磁波组成电磁场，电磁波大幅度变化，影起绝缘物的带电粒子（原子）摩擦，摩擦使绝缘物温度升高，温度升高使绝缘物碳化，频率变化幅度和频率变化加大，绝缘物碳化速度加大，绝缘物绝缘物电阻减少。

摩擦还会使生成新物质增多，发热量增大，电磁力变化增大，噪音增大。

是因为任何物体的原子、分子都在热运动，摩擦只是使热运动加剧。

五、大型用电设备的电磁冲击力情况：

1、电力线路电磁冲击力分析：

电力线路由金属导线、绝缘物等组成，由于宇宙、地球是一个电磁场，输电线路本身也是是一个电磁场，输电线路的电磁场和地球的电磁场有相互电磁力作用，即使输电线路没有电流流过，输电线路也会受到地球电磁力的作用，有电流流过时，输电线路受到地球的电磁力要大一些，输电线路的等效电路是一个由电容、电感、阻抗组成的电路，输电线路等效电路如下：

再等效如下：

从等效电路图看到：

电力线路在刚送电瞬间，电容器相当于导线，有短路现象，产生很大的冲击电流，电磁力的大小：

微观是F=qvB是带电粒子的电磁力

而带电导线是:

F=ILB

q是粒子带电量，v是粒子运动速度，L是导体长度，B是磁感应强度

I=U/X

若按一个电容来计算，若按等效电路两个电容和R+JX来计算，阻抗更小，刚送电瞬间的电流更大，冲击力也更大。

刚送电瞬间阻抗趋向于零，电流趋向于无穷大。

若阻抗按0.01Ω计算，那么，电流

I=100U

F=100ULB

电力线路都很长，故电磁冲击力是很大，随着送电时间的延长，电容的充电电压升高，阻抗增大，电容充电电流减小，冲击力会减小。

电容充电曲线图如下：

充电电流如下：

电磁冲击力的图如下：

电磁力冲击力随时间的延长，变的越来越小，电力线路的长度不可能有大的变化或者不变，地球的磁场强度会有所变化，负荷有变化，电流就有变化，电磁力也就有变化，电磁力就有变化。

若电力线路上有短路，阻抗很小，电磁冲击力非常大，能把LGJ-35/6的钢芯铝绞线瞬间冲击断，钢芯铝绞线在空气运动产生高频声音，本人所看见和听见，还好，钢芯铝绞线断线时，钢芯铝绞线所扫过的范围内没有人员，否则，后果非常严重。

后面查明原因是放风筝时，风筝落在两相之间，引起两相短路，风筝突然消失，线路断路点不在短路点，离短路点有一公里左右的地方，我们刚好在路断路点旁边作业。

云南曲靖双友钢铁公司炼钢分厂至矿粉分厂10KV架空线路，矿粉厂（负载）短路时，10KV架空线是钢芯铝绞线，短路时刻，三根钢芯铝绞线在空中同时全部断掉，并相互绞在一起成为麻花形状，象根钢丝绳，停在空中。

2、用机械式兆欧表测量电气设备的绝缘电阻也有电磁冲击力：

用机械式兆欧表测量电力线路、电动机、变压器等用电设备的绝缘电阻时，一根线与地相连接，另一根线悬空，摇起兆欧表，使开路电压达到最大时，将兆欧表的悬空与被测量绝缘电阻的设备接通，这时兆欧表的指针迅速向左转动，表示机械式兆欧表的输出电压迅速下降，是给用电设备充电，边摇边观察，兆欧表的输出电压基本保持不变为止。

用电设备在测量绝缘电阻时，相当于一个电容器。

当兆欧表的输出电压基本不变了，迅速断开兆欧表的连接设备那一根线，人千万不要触及设备，否则会触电，用与地相连接的那一根线与用电设备接触使之放电，放电时有兰色和红色光，同时还有“啪”响声，还有微小的振动，用电设备越大，响声越大，振动声音也就越大。

放电后，还能看到放电点会下凹，表示这一个点的物质被电磁力蒸发，电磁力分为引力和斥力，斥力大使物质减少，引力大使物质增多。

电气设备突然上电时和突然放电时都要电磁冲击力。

放电：

是使带电的物体在短时间内不带电，是电荷的转移，使带电物体不显电性。

放电时间越长，放电电流越小，振动越小，对测量对象损害就越小。

有放电就有充电。

充电：

是不带的物体带上电，或者是带电少物体补上电。

充电与放电的方向相反，充、放电速度要与设备要求一致，否则会缩短设备的使用寿命。

充、放电速度如果快了，会产生过电压，使绝缘击穿。

3、电机的电磁冲击力：

电机包括电动机和发电机，小的电动机启动时，电磁冲击力小，大家都忽略了。

大的电动机启动时，有大的电磁冲击力。

A、发电机的电磁冲击力分析：

发电机的等效电路图如下：

E是电源，X是阻抗，是电阻、容抗、感抗的有效阻抗。

发电机的电磁冲击力是短路时会发生，若负荷端短路，短路等效电路图如下：

短路电流为：

I=E/（jX+0）

=E/jX

短路电流非常大，若保护不会动作，发电机会共振，同时有焦臭味，发热量迅速增大，绝缘会击穿，绝缘击穿后，线圈对铁芯放电，电磁冲击力迅速增大，一些绕组线圈会与铁芯沾实熔为一体（引力大的表现），一些绕组线圈会与铁芯会分离（斥力大的表现），

上面的照片是发电机的绕组线圈对定子铁芯放电情况，铁芯被烧熔了，电磁力很大，电磁力分为引力和斥力。

拆发电机的线圈时，一些线圈很松（斥力大），容易拆下来，一些很难拆（引力大），与线槽紧紧沾在一起。

电/磁、磁/电是如何转换的呢？

地球有电场，同时也有磁场，那么由物体、物质组成地球，物体、物质也同样是有电场和磁场，原子内部也是如此，若用磁铁（磁场）靠近（远离）金属物体，打破原来电磁场状态，磁场、电场重新分布，物体的电场增大，运动磁场切割导线，是磁场与导线摩擦，电磁场变化加大了，导体的电场变化加大了。

若磁场不变化了，也就不与导体摩擦，导体的电场恢复正常，又显正常状态。

导线通电是电荷在导体中波动和移动，导线中间的斥力大，导线外面引力大，所以就有趋肤效应，这是用实验观察到的。

用1瓦的升压变压器升30KV以上，桌子散上包谷面，将高压电接近包谷面可以看到，导线这些的高压电的会吹开包谷面，而导体表面则会吸引包谷面。

B、电动机在静止时，电动机的等效电路图如下：

从图中可以看到，电动机刚启动，转子没有运行时，

为零，定子、转子电势有相同的频率。

电流：

jx1趋向为零，

电动机越大，冲击电流越大，电磁冲击力就越大，冲击声音越大，冲击时设备的外壳都能看到振动，随着时间延长，阻抗和

也形成了，电流越来越小，最后稳定在一定范围内。

从电动机的等效电路图看到，电动机启动时，电流很大，电磁冲击力很大，也就是电磁力对电动机的冲击很大，对轴承、轴、轴承座有很大的冲击力，会损伤这些设施。

电磁力分为引力和斥力，会使线圈之间的导线摩擦加大，绝缘击穿可能性增大。

过电流增大，发热量增大。

在拆烧坏的低压电动机的线圈时，一些线圈很容易拆出来，一些线圈很难拆出来，是电磁力的引力和斥力的作用。

还有，启动时，感性、容性设备在启动时都会产生过电压，对绝缘物体有伤害和击穿的作用。

C、变压器：

变压器的作用是用来变化电压的，变压器以三相变压器为例说明：

等效电路图如下，

在供电瞬间，电力变压器的线圈发出电磁冲击声音，有较大的冲击振动，当然有很大的冲击电流，有很大电磁冲击力。

同样，供电瞬间阻抗是趋向为零，每一相的直流电阻很小，在毫欧或微欧级，从变压器的任意两相瞬间供电，若忽略阻抗，那么

或

这个电流是很大的，随时间的延长，阻抗就显示出来了，电流下降的速度很快。

若再考虑对地的影响，冲击电流更大。

变压器避免电磁冲击力的办法是尽量少停电。

变压器的铁芯和铜线圈，都有电磁场，电场和磁场处于一定波动平衡水平，当初级线圈通电后，初级线圈变化电磁场影响铁芯中的电磁场变化，铁芯中的电磁场变化影响铁芯周围的电磁场变化，若线圈在铁芯周围，会影响次级线圈中的电磁场变化，次级线圈变化使线圈两端的电压变化，初级线圈没有变化电磁场，次级线圈中、铁芯中也就没有变化的电磁场，也就没有变化的电压。

当然不是没有电压，因为热运动也是变化电磁场，有变化电压。

当变压器的初级线圈匝数定了时候，在同一个变化电磁场变化作用下，初级线圈的匝数与电压的关系有：

V1/V2=n1/n2

D、避雷针：

是一种把引闪电电流导入地下装置，在一定范围内保护地面建筑物、电力设备，用金属线与埋在地下的一些尖端金属连接起来，利用金属棒、角铁的尖端放电，使云层所带的高电位和地上的低电位放电，使受电击物体免受雷电破坏的金属物。

尖端物体不但引力大，而且斥力也大，尖端物体力大。

尖端物体周围电荷多，尖端的引力大，尖端物体本身电荷多，尖端物体尖端斥力大。

天上的云层有高、低，天上的云层都是由水蒸汽组成，只是位置不同，所以，不能说位置高的云层（水蒸汽）带正电（负电），位置低的云层（水蒸汽）带负电（或正电）。

就象一个男人，在一楼是一个男人，在二楼就变成了一个女人吗？

显然是错误的。

位置高的云层（水蒸汽）是低电位，位置低的云层（水蒸汽）是低电位，与势能一样，位置高的势能大，位置低的势能小。

扳手从三楼掉到一楼水泥地面上，有火花、声音、热量、振动产生。

天上云层之间的电磁能量（势能）有电磁能量差，天上云层的电磁能量与地面的电磁能量（势能）有很大的电磁能量（势能）差值，在一定的距离范围内当电磁能量达到一定值，电磁能量就会释放，形成雷电。

闪电时与扳手掉到地面上一样，同样会产生声音、热量、摩擦、电磁力变化增大，还能产生新的物质。

闪电会产生频谱很宽的频率，从音频到光波，还有X射线等。

若是直流电就是直流电阻，避雷针的等效电路图如下：

在刚触及雷电时，阻抗接近为零，雷电的电压是很高，电压千万伏以上，冲击电流就相当大了，电磁力冲击力在所有用电设备是最大的。

雷电分为直击雷、电磁脉冲、球形雷、感应雷等，直击雷、球形雷对人和建筑造成危害，电磁脉冲主要影响电子设备。

避雷针是一个尖端金属棒，利用的是尖端放电。

尖端放电：

强电场作用下，物体尖锐部分发生的放电现象称为尖端放电，实验证明，尖端部分引力力量大，能吸引电荷物质多。

可以用力学分析的方法来分析尖端放电现象。

E、地线：

将电流引入大地的导线，电气设备漏电保护，是将电流通过地线进入大地。

也称为安全回路线，危险时把高压直接转嫁给地球，是一根生命线。

地线系统图如下：

地线系统由地下尖端金属部分，在1.5~2.0m，每一根尖端金属相隔2m，尖端接地桩与大地充分接触，接触电阻越小越好，放电速度加快。

大地是带电的，是一个小的电磁场，有电荷，空气也是带电的，高空中的云层当然也是带电的，也是一个电磁场，不然地球怎么会是一个电磁场呢，宇宙是一个电磁场，只是大地的电磁场被人类做为一个参考电磁场，把电位定为零电位，实际上大地上任意两点都有电位差，电荷将地球连成一个整体，不同地方的电荷能量和数量多少不同，故所有用电设备都会对地放电。

就象下雨一样，下雨大家能看得见，电荷看不见，雨水下到地面，最后汇聚大海。

任何物质、物体都是带电的，物质多的地方电荷密集度就高。

六、感谢同事们的大力支持

七、参考文献：

1、《电磁力与引力的统一实验》，2015/01期科技创新与生产力杂志上发表黄兆荣

2、严导淦编【物理学】高等教育出版社　北京　１９８２年６月第—版

3、芜湖机械学校主编 【电机原理及应用】 机械工业出版社北京 1979年1月出版

4、梁灿彬编【电磁学】高等教育出版社北京2013年2月

5、黄兆荣《电力设备》杂志2016年11期发表《万有力与电磁力的统一》文章