1、中国电气工程大典第十一卷配电工程第二篇低压电器第1章综述知识讲解第1章 综述1. 低压电器用途与分类1.1 低压电器定义与范围低压电器通常是指交流电压1000伏（我国煤矿井下配电电压一般为660伏、1140伏，为此我国低压电器电压范围延伸至1200伏），直流电压1500伏及以下配电和控制系统中从变压器至负载（如电动机）之间的电器设备。它对电能的输送、分配与使用起着开、断、保护、控制、调节、检测及显示等作用。1.2 低压电器分类与用途1.2.1 传统分类及其扩展传统低压电器根据它在电气线路中所处的地位和作用可归纳为配电电器和控制电器。国外从上世纪80年代，我国从上世纪90年代开始在低压终端用电系
2、统中逐步发展了一批外形、结构、安装等具有共同特征并自成体系的低压电器，通常称为终端电器。以下按上面三大部分低压电器分别介绍其主要品种及其用途：1配电电器：一般可分为四大类产品（1）低压断路器主要品种：万能式断路器、塑壳式断路器、剩余电流动作断路器、直流快速断路器、真空断路器等。用途： 主要用作低压配电线路过载、短路或欠压保护，也可作不频繁接通和分断电路。剩余电流动作断路器兼有漏电保护功能。（2）低压开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器主要品种：开关、隔离器、隔离开关、开关熔断器组、隔离器熔断器组、隔离器开关熔断器组、熔断器式开关、熔断器式隔离器、熔断器式隔离开关。用途： 主要用作低压配电系统
3、隔离，以保证低压配电系统中其它电器设备维修时安全。对开关类电器能接通、分断额定电流，对熔断器组合电器还具有短路和过载保护功能。（3）（双电源）转换开关主要品种：（双电源）自动转换开关、（双电源）手动转换开关、（双电源）遥控转换开关用途： 用于两路电源的转换，保证重要负载连续供电。对CB级自动转换开关还具有过电流保护功能。（4）低压熔断器主要品种：专职人员用熔断器、非熟练人员用熔断器、半导体器件保护用熔断器（快速熔断器）。用途： 用作低压配电线路或设备的短路和过载保护2控制电器按传统分为8大类产品（1）接触器主要品种：交流接触器、直流接触器、真空接触器、半导体接触器用途： 主要用于频繁接通和分断
4、电路，并与适当的热继电器或电子式过载继电器（电动机保护器）组合，以保护操作中可能发生过载的电路。（2）起动器主要品种：全电压直接起动器、星三角起动器、自耦减压起动器、变阻式转子起动器、半导体起动器（含软起动器）用途： 主要用作各类交流电动机起动、停止和正、反向控制（3）控制电路电器主要品种：中间继电器、时间继电器、万能转换开关、位置开关（行程开关）、按钮、主令控制器、接近开关等。用途： 主要用作接通和分断控制电路，以发布控制命令或用作程序控制。接近开关可作为检测元件并输出动作命令。（4）控制器主要品种：凸轮控制器、平面控制器用途： 主要用于电气控制设备中转换主电路或发电机励磁回路的接法。以达到
5、电动机起动、换向和调速的目的。（5）变阻器、电阻器主要品种：励磁变阻器、起动变阻器、频敏变阻器、铁基合金电阻。用途： 主要用作发电机调压及电动机平滑起动和调速或改变电路参数，变电能为热能之用。（6）电磁铁主要品种：起重电磁铁、牵引电磁铁、制动电磁铁用途： 用于起重、操纵或牵引机械装置（7）调整器主要品种：碳阻式调整器、磁放大器式调整器用途： 使发电机输出电压稳定在一定范围内（8）信号灯注： 控制电器中第4-8类产品，目前尚无IEC标准。我国仅制订了行业标准，尚无国家标准。为此按标准体系分类中不包括上述5类产品。在以下低压电器产品介绍中也不包括这些产品。3终端电器国际上终端电器品种繁多，可分为模
6、数化终端保护、控制、计量、自动化元件等四大类产品。考虑低压电器范围及我国目前应用状况，主要有三大类产品。（1） 家用及类似用途电器主要品种：小型断路器、模数化剩余电流保护电器用途： 作为终端配电系统导线和家用电器过载和短路保护、漏电及人身触电保护（2）模数化熔断器组合电器主要品种：模数化熔断器式隔离器、摸数化开关熔断器组、熔断体等用途： 用于终端配电系统过载和短路保护（3）终端组合电器主要品种：非熟练人员用终端组合电器，熟练人员用终端组合电器用途： 主要作为终端用电系统配电、保护与控制，可以不频繁接通与分断电路1.2.2 按标准体系分类1低压开关设备与控制设备，对应于IEC17B，主要产品按标
7、准分类如下：GB14048.2 低压断路器GB14048.3 低压开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器GB14048.4 机电式接触器和电动机起动器GB14048.5 机电式控制电路电器GB14048.6 交流半导体电动机控制器和起动器GB14048.9 控制与保护开关电器GB14048.10 接近开关GB14048.11 转换开关电器IEC 17 B 标准对应的除上述产品外还有GB17701 设备用断路器2家用和类似用途电器，对应于IEC23E主要分为二大类产品GB10963 家用及类似场所用过电流保护断路器（小型断路器）GB16916 家用及类似用途的剩余电流动作断路器3低压熔断器，对应
8、于IEC32B主要分为三大类产品GB13539.2 专职人员使用的熔断器GB13539.3 非熟练人员使用的熔断器GB13539.4 半导体设备保护用熔断器4低压浪涌保护器（SPD），对应于IEC37A1.2.3 其他主要分类1按动作方式分机械动作电器（有触点电器）又可分为自动切换电器和非自动切换电器。非机械动作电器（无触点电器）2按灭弧介质分：空气电器和真空电器3按有、无通信功能分：一般低压电器和可通信低压电器4按功能不同分：标准型、多功能型、智能型2. 低压电器主要特征2.1 低压电器基本特征1低压电器量大面广，据统计发电设备产生的电能80%以上通过低压电器传输而消耗。低压电器在电力系统中
9、一般作为配套设备（在电工行业中作为基础件），其需要量很大。据统计，每增加1万 kw发电设备约需要6-8万件低压电器与之配套。低压电器广泛用于国民经济各行各业低压配电与控制系统中，也用于千家万户用电设备的控制与保护。低压电器产品质量及其可靠性等造成产品工作失效，会导致整个线路故障或成套设备无法工作，甚至造成设备和人身事故。在国民经济发展和人民日常生活中有着不可取代的地位。2低压电器结构上种类繁多，没有固定的模式。但一般具有二个相同的基本部分：一是感受部分，它接受外界信号并发出动作指令，如断路器中脱扣器，接触器、继电器中的电磁系统，手控电器中的手柄等。二是执行部分，它根据感受部分发出的指令完成电路
10、的开关动作，如触头系统。部分电器还有中间传递部分，如断路器中的操作机构，它的任务是把感受和执行两部分联系起来，使它们协调一致，按要求动作。3低压电器运行时存在着电、磁、光、热、机械等能量的转换，这些能量转换大多是暂态过程，许多参数变化又是非线性的，它使低压电器的理论分析变得极为复杂。因此，低压电器设计至今尚无系统的定量计算方法。目前产品设计除部分借助理论分析和计算推导外，还必须依赖成熟的经验数据并通过试验予以验证。计算机辅助设计和最近发展起来的虚拟样机技术、计算机仿真和现代测试技术，为低压电器提供了更为科学的研发手段和设计方法。但是，低压电器新产品设计仍不能完全摆脱经验数据和试验验证。4低压电
11、器产品一般成系列大批量生产，每一系列产品往往有很多规格品种，必须充分注意同一系列产品标准化与通用化。这样有利于组织大批量生产与管理，对保证产品质量、降低制造成本、节省材料等均有重大意义。同时，也有利于用户的选用，安装与维护。为适应大批量生产需求，低压电器产品整体结构与零、部件设计时，必须充分考虑制造工艺要求。从低压电器制造要求来说，生产单个和一批合格产品并不困难，难的是生产成千上万台，甚至几十万台，上百万台产品时，保持其性能一致性与可靠性。为此，对低压电器、生产管理、生产环境与制造工艺要求很高。对材料性能、精度及性能稳定性要求亦很高。低压电器除确保零部件模具精度外，生产与装配过程中的工装夹具、
12、生产装配线、在线检测也显得十分重要。5由于上述诸多因素，低压电器产品开发周期与推广时间较长。同时，低压电器生命期也比较长。重要系列产品的更新换代周期一般在10年以上。2.2 配电电器主要特征配电电器负责电能的输送与分配以及线路故障时的保护，其主要特征如下。1配电电器不需要频繁操作，因此配电电器不需要很高机电寿命，一般为数仟次。国外最新一代配电电器机械寿命已达数万次。配电电器虽然机电寿命（或操作循环次数）不高，但实际使用寿命（以时间计）较长。在低压电力系统中配电电器一般不需要频繁更换。2具有过电流分断能力的配电电器，一般应具有较高短路电流分断能力，包括短时间耐受电流。这类配电电器除外壳与基座外，
13、结构上分为三个主要部分：触头灭弧系统、操作机构、脱扣器，而且产品结构较为复杂。当线路发生故障时，能及时检测故障信号，并快速动作，分断电路。在分断电路过程中往往产生强烈的电弧并伴有“爆炸声”。3具有隔离功能的配电电器在主触头分离时，应具有良好的绝缘性能，以确保维修人员安全。对不承担过电流分断的配电电器，当线路故障时应具有短时耐受电流的能力。在短路电流分断以前，主触头不应弹跳与熔焊。4承担双电源转换的配电电器，当主电源发生故障或其它原因导致不能正常供电时，应能快速、可靠转换至备用电源。对部分重要负载，除主电源故障外，其它故障不应跳闸。2.3 控制电器主要特征控制电器主要功能是根据控制对象工作要求频
14、繁接通与分断电路。部分控制电器还用于控制对象的各种故障保护。其主要特征如下：1控制电器品种、规格繁多，结构与性能各异。2控制电器一般需频繁接通或分断正常工作电流，所以控制电器具有很高机、电寿命。但其更换频度一般高于配电电器3控制电器一般不分断短路电流，其触头开距较配电电器要小一些。产品结构也较为简单，一般没有复杂的机械操作机构，触头灭弧系统地简单一些。但控制电器必须具有与短路保护电器协调配合的能力。4控制电器动作一般有机械信号和电气信号二种驱动方式。对机械信号驱动的控制电器（如按钮、转换开关）结构十分简单，通常驱动信号通过连杆直接带动触头运动，驱动信号消除后由反力弹簧使触头回复原状态。对电气信
15、号驱动的控制电器，如接触器、继电器操作机构一般为电磁系统，驱动信号使电磁系统动作并通过连接带动触头运动。驱动信号消除后通过反力弹簧使电磁系统和触头复位。2.4 终端电器主要特征终端电器系用于低压电力系统末端的电器属。随着终端用电设备不断发展与创新，从上世纪八十年代开始国内外出现了一批终端配电、控制、计量等电器设备。这些电器具有许多共同的特点，自成系统，并逐渐发展成为低压电器重要组成部分，其主要特征如下：1外形尺寸模数化，终端电器宽度一般以9mm和12mm为模数，长度与高度相同，便于拼装成各类组合电器。2产品安装轨导化。传统低压电器产品一般采用螺钉安装，而终端电器一般采用导轨安装。使产品安装、维
16、修十分方便。3产品外形设计艺术化，终端电器产品相当一部分安装在家庭或办公室内，其外形美观显得十分重要。为此，对终端电器外形设计提出了艺术化要求（相当于艺术品）4功能组合化。各类终端电器根据终端用电系统，用电设备的要求组合在一起，实现过载、短路、漏电（触电）、过压、计量、控制等功能。并要求相关电器保护特性协调一致。5终端电器外形尺寸较其它同容量低压电器要小一些，但零部件加工精度要求较高。2.5 低压电器型号含义及其唯一性1低压电器型号含义低压电器是机械工业量大面广的基础元件，凡是用电的地方都离不开低压电器，其产品性能和质量关系到国民经济每个领域乃至千家万户的可靠用电和生命财产安全。低压电器产品系
17、列、规格、品种繁多，其参数、特性、指标十分复杂。为了最简易地表述其特征，每一系列产品采用特定的系列型号进行表示。每一系列中不同规格、不同品种的产品（包括派生产品）在产品型号标注上均有区分。所以低压电器某型号就标志某一个特定产品。它既确定了产品的技术参数、性能指标、产品特性，又确定了产品结构形式、外形尺寸、安装尺寸，对可通信低压电器来说还涉及通信内容和通讯规约。另外，不同企业由于制造工艺、装备与管理水平不同，使看似相同的产品质量差异甚大，所以低压电器型号既是某一特定产品的标志，也是低压电器产品质量标识。2低压电器型号的唯一性由于低压电器型号特定含义以及我国低压电器制造厂众多，同类产品重复生产十分
18、普遍的情况，必须保持低压电器型号唯一性。（1）从工程设计看，低压电器型号是某一个特定低压电器产品综合特征的标志，是全国电气工程设计中正确、合理选用低压电器的必备条件。设计院在设计某一电力系统时，往往涉及成百上千个低压电器产品，在工程图上无法全部列出每一个产品各项要求，只能标志产品型号。如果低压电器型号不保持唯一性，同一型号出现不同产品。那么全国设计院工程设计时将带来极大困难，并无法保证电气系统设计正确性与合理性。最终会严重影响电力系统可靠运行和人身安全，并将产生许多意想不到的隐患，其后果十分严重。（2）从保护知识产权看，低压电器型号已成为企业品牌与知识产权一部分，保护低压电器型号将有力促进低压
19、电器行业技术进步。低压电器优秀企业为扩大本企业产品影响，每年花费了大量人力、物力和财力，不断提高产品著名度。有的企业甚至花费了数千万投入，创造了自己特定的型号产品，有些产品还被评为中国名牌，其型号的影响远远超过了该厂商标的影响，所以低压电器产品型号实际上已成为该企业品牌与知识产权一部分。如果其它企业可以随意使用他人产品型号，那么优秀企业品牌优势必将受到严重影响，企业之间低水平重复，压价竞争将更趋严重，进而极大阻碍低压电器行业技术进步。（3）从维护使用部门和消费者利益角度，也必须保护低压电器型号唯一性。对结构与性能相似的产品，优秀制造商为了创自己的品牌，在关键部件设计，原材料选用，制造工艺等方面
20、均下了很大功夫以保证其产品性能与质量。使看似相同的产品其质量与可靠性相差甚大，所以低压电器型号实际上已成为低压电器产品的质量标识。优秀企业著名产品的型号往往成为那些不具备产品开发能力，技术水平低，工艺装备差，管理水平落后企业的仿冒目标。如果著名企业的产品型号可以随意采用，那么低压电器假冒伪劣现象将难以制止并将愈现愈烈。其结果必将误导用户，影响使用部门和消费者利益。（4）从行业管理角度，随意使用低压电器型号，必将造成我国低压电器行业极大混乱。既不利于用户正确选用，也不利于低压电器行业健康发展。3. 我国低压电器产品现状3.1 我国低压电器产品总体情况与技术特征从上世纪五十年代至今半个世纪里我国共
21、开发了三代低压电器约600多个系列产品，目前低压电器市场仍处于三代同堂。第一代产品：从上世纪五十年代至七十年代中期，共开发了近400个系列产品。基本上满足了建国初期国民经济发展的需要。这批产品总体技术水平，相当于国外上世纪五、六十年代水平。其主要特征是产品体积大、性能指标低、功能单一。其中大部分产品由于市场原因以及产品性能落后，不符合IEC标准等原因已经淘汰。目前生产的这一代产品约60个系列，其产值约为低压电器行业总产值10-15%。随着低压电器新技术、新产品不断发展以及低压电器主要原材料价格居高不下，这批产品由于耗材、耗能终将在不远的将来被全面淘汰。第二代产品：从1975年至1990年，通过
22、自行开发、技术引进、夺标攻关完成了低压电器更新换代，共125个系列产品。其总体技术水平相当于国外上世纪七十年代末，八十年代初水平。其主要技术特征是产品性能较第一代产品有相当提高，体积明显缩小，保护功能逐步完善，产品性能符合国家标准和IEC标准。随着第一代产品逐步淘汰第二代产品绝大部分已成为低档产品（或经济型产品），目前市场占有率约为45%左右。我国第三代产品研发伴随着低压电器相关新技术不断发展而开始的，特别是电子技术快速发展，微处理器逐步在低压电器中应用，使低压电器开始具有智能化功能。同时，低压电器新技术如灭弧技术以及新材料、新工艺有了新的突破，使低压断路器分断能力及可靠性进一步提高。为了更好
23、满足国民经济发展和市场需求，我国一批优秀企业与上海电器科学研究所联合发展了我国第三代低压电器。主要包括以下八大类产品：智能化框架式断路器、高性能小型化塑壳断路器、模块化交流接触器、电子式电动机保护器、软起动器、低压真空断路器、双电源自动转换开关、控制与保护开关电器。第三代低压电器主要技术特征是：高性能、小型化；电子化、智能化；模块化、组合化。与上述产品研发同时，国外主要低压电器制造商相继进入中国市场，在中国建立了一批低压电器制造厂，并把上世纪八十年中期至九十年代中期产品引入中国市场。上述二部分近100个系列产品构成了我国第二代低压电器。这批产品从上世纪九十年代中期开始投放中国市场，产量不断增加
24、，已成为我国低压电器高档产品。产值约为行业总产值40-45%。3.2 我国新型低压电器发展与应用上世纪七十年代至八十年代新型电器主要包括：电子电器、限流电器、漏电电器、真空电器。上世纪九十年代新型电器主要包括：智能化电器、终端电器、控制与保护开关电器、双电源自动转换开关等。本世纪初新型电器主要包括：可通信网络化电器、绿色电器等。上述大部分新型电器的诞生与电子技术发展有关。电子技术在低压电器中应用是从时间继电器、漏电电器、断路器脱扣器等产品开始的。由于电子元件可靠性以及价格等原因，很长一段时间电子电器在低压电器行业中发展与应用不快。随着电子元件性能与可靠性不断提高，价格逐步回落，特别是微处理器在
25、低压断路器中应用，诞生了智能化电器，充分体现出电子技术强大生命力，产品很快被市场认可。从此，电子技术在低压电器中应用得到迅速发展。现场总线技术在低压电器中应用也是在这样形势下开始的。微处理在低压电器中应用使低压电器开始具有智能化功能。但是，单一智能化电器在低压配电与控制系统中很难充分发挥其作用。如DW45智能型框架断路器，目前已形成年产量15万台以上，这些断路器大部分仍作为三段保护。要充分发挥智能化电器的作用与功能，必须将智能化电器形成网络，并与上位机通信，实现监控。传统并行连接的通信方式将使网络系统十分复杂，安装、调试、维护与更改设计十分不便。系统成本与运行成本很高，从而难以在低压配电与控制
26、系统中应用。各种开放式现场总线技术不断发展使上述应用成为可能。另外，为了提高电力系统自动化程度、功能扩展以及运行可靠性等因素，低压配电与控制系统实现网络化势在必行。系统实现网络化后，对低压电器提出了双向通信要求。我国第三代低压电器主要产品已具有双向通信功能，能与国际上多种先进的、开放式现场总线连接。如：可通信智能型框架断路器、可通信智能型塑壳断路器、可通信双电源自动转换开关、可通信控制与保护开关电器、可通信电动机保护器、可通信软起动器等。上述可通信低压电器与通信适配器、网络延伸器、电量监控仪、模拟量、数字量I/O模块等配套产品可以构成智能网络低压配电与控制系统。使低压电器与系统功能大大扩展，并
27、使低压成套装置与系统发生重大变化。如传统马达控制中心在现场总线系统中可以取消，系统中电动机控制单元直接安装在控制对象电动机旁边。各种电量参数和控制信号通过现场总线与上位机连接。使中央控制室能实时了解控制设备运行情况并对其实行监控。据专家分析，采用现场总线后，系统成本可降低40%以上。随着电子技术不断发展，除机电一体化产品外，纯电子电器产品也不断得到发展与应用。近几年来发展最快、最具代表性的电子电器为电子式电动机保护器（电子式过载继电器）和软起动器。电子式电动机保护器已在很多场合取代热继电器，使保护功能大大扩展，提高了电动机运行可靠性。软起动器性能明显优于传统星三角起动器、自耦减压起动器、变阻式
28、转子起动器等产品。在节能成为我国国民经济发展重要产业政策的今天，软起动器必将获得广泛应用并取代各类传统减压起动器。除了电子电器、智能电器、可通信电器之外，近十年来发展的其它新型电器主要有低压真空断路器、控制与保护开关电器（CPS）、双电源自动转换开关（ATS）、低压浪涌保护器等产品。低压真空断路器具有电弧外不外露，分断能力不受外部环境影响，且安全可靠、电寿命长、免维护等优点。该产品特别适用于无人值班变电站、箱式变电站、操作相对频繁以及使用环境较恶劣的场合。控制与保护开关电器（CPS）是一种新型集成化程度很高的组合电器。它集断路器、接触器、热继电器（或电子式电动机保护器）、隔离器等产品功能于一体
29、。CPS产品的诞生与应用使马达控制中心内部接线大大简化，体积缩小，集成化程度明显提高。它为低压控制成套设备实现小型化，提高低压控制系统运行可靠性具有重要意义。自动转换开关电器（ATSE）主要用于紧急供电系统，将负载从一个电源自动换接至另一个电源（备用）的开关电器，以确保重要负荷（一、二类用电负荷）连续、安全、可靠运行。从上世纪九十年代开始大型建筑物大量兴起，工业自动生产线普遍应用以及医院、银行、通信、军事等特殊行业对供电连续性要求越来越高。因此，从上世纪末开始自动转换开关已成为众多用户关注的又一个新型电器，近年来需求量不断增加。随着电子技术、自动化技术、计算机技术、通信技术不断发展，大量高灵敏
30、度电子产品应用于低压配电系统，特别是终端用电设备中。因此，低压浪涌保护器已成为低压配电系统，特别是终端配电系统中必不可少的产品。为了有效保护低压电力系统中各级用电设备安全。国内外电器制造厂已研制成功适应不同安装场合的各类低压浪涌保护器，并对低压防雷系统提出了整体解决方案。它正在逐步发展成为低压电器行业中一个新兴领域。4. 低压电器发展动向4.1低压电器现代研发技术目前一种崭新的研发技术正在国际上著名开关电器公司和研发中心推广，它以开关电器运行、动作和分断机理研究为核心，并在此基础上进行新产品创新设计。这种现代设计技术包括两个内容：一个是虚拟样机技术，一个是基于现代测试技术的试验研究4.1.1
31、虚拟样机技术长期以来，低压电器的开发主要依靠反复制作样机和试验，这种传统的方法不但使开发的周期很长，并且样机制作和试验都要花费很高的成本。随着计算机仿真技术的发展，可以利用交互式图形技术在计算机屏幕上建立三维可视样机。并且通过精确的仿真技术使这个样机具有和实际样机同样的性能。研发人员可以通过交互手段，改变样机的结构和参数，不但可使样机满足额定的技术要求，并且可实现优化设计。这种新技术就是虚拟样机技术，它可代替周期长、费钱又费力的传统方法。近年来，国际上各大公司对这项技术十分重视，并从二个方面促进了这项新技术推广与应用。一方面商品仿真软件的性能不断完善，另一方面各大公司自行开发或在商品软件上进行
32、二次开发成为各种低压电器设计系统。目前低压电器虚拟样机技术主要应用在以下几个方面：1低压断路器操作机构多体动力学仿真：通过操作机构仿真，不仅优化机构设计，并可获得断路器触头行程、运动速度，加速度及动作时间，它对提高断路器分断性能具有重要意义。2电器的热场与电流场的耦合仿真与温升计算：电器的温升是一个重要技术指标，长期以来依靠牛顿公式的经验计算，难以保证计算的准确性，不得不依靠试验来验证样机的性能。电器的发热具有很复杂的物理现象，作为热源是电流通过导体产生的，由于导体形状不规则和电流分布不均匀以及发热体散热条件的复杂性使电器温升计算十分复杂。通过导体回路电流场和导电回路周围热场的耦合仿真为低压电器温升计算创造了条件。3低压断路器开断电弧的仿真：本项技术的最终目的是用虚拟样机仿真计算得出断路器分断性能以代替昂贵的分断试验。为此
