低壓電器的基本常識

低壓電器

張白帆

電氣工程與自動化學(xué)院第1章低壓電器概述學(xué)習(xí)本課程的基本要求和參考書籍低壓電器的概述及發(fā)展方向

低壓電器的定義與分類電磁式電器的組成與工作原理，常見故障與維修4123第一章目錄低壓電器的主要技術(shù)性能指標(biāo)和參數(shù)5學(xué)習(xí)本課程的相關(guān)要求基本要求：

基礎(chǔ)課程：電路理論，電器學(xué)等參考書籍：

教材

《低壓電器》黃永紅張新華主編，化學(xué)工業(yè)出版社

參考書：1《低壓電器的選用與維修》，夏新民黃威編，化學(xué)工業(yè)出版社2010年

2《電器學(xué)》，張冠生主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1980年

3《低壓電控系統(tǒng)》楊德清等編，中國電力出版社，2009年1.1低壓電器的定義與分類1.低壓電器的定義

在電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的各個環(huán)節(jié)中，大量使用對電路起調(diào)節(jié)、分配、控制、保護(hù)和測量作用的各種電氣裝置和電器設(shè)備，這些電器設(shè)備統(tǒng)稱為開關(guān)電器。按開關(guān)電器的工作電壓等級可分為高壓電器和低壓電器兩大類。我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)將工作電壓在交流1200V、直流1500V以下的開關(guān)電器都稱為低壓開關(guān)電器，簡稱為低壓電器。

平均地說，每1萬千瓦發(fā)電設(shè)備就需要4萬件各類低壓電器元件與之配套。注1：在國家標(biāo)準(zhǔn)GB14048.1-2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備第一部分：總則》中把低壓開關(guān)電器的電壓定義為交流1000V、直流1500V。注2：配電網(wǎng)電壓參見：GB156-1999《標(biāo)準(zhǔn)電壓》1.1低壓電器的定義與分類2.低壓電器的分類

低壓電器分為兩大類：低壓配電電器和低壓控制電器。低壓電器的分類及用途如下：低壓電器名稱主要品種用途配電電器斷路器塑殼斷路器、框架斷路器、微型斷路器線路保護(hù)熔斷器插入式熔斷器、快速熔斷器線路保護(hù)刀閘開關(guān)隔離開關(guān)、熔斷器式刀閘開關(guān)電路隔離轉(zhuǎn)換開關(guān)互投開關(guān)ATSE、組合開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)兩種以上電源或負(fù)載切換控制電器接觸器交流接觸器、直流接觸器控制交直流電動機(jī)起動器起動器、星三角起動器、軟啟動器交流電動機(jī)的起動及正反轉(zhuǎn)控制繼電器電流、電壓繼電器、時間繼電器、中間繼電器、熱繼電器用于輔助控制回路控制器凸輪控制器、平面控制器用于輔助控制回路主令電器控制按鈕、選擇開關(guān)、接近開關(guān)、限位開關(guān)、微動開關(guān)用于輔助控制回路電阻器及變阻器鐵基合金電阻、勵磁變阻器、頻敏變阻器改變電路參數(shù)及發(fā)電機(jī)調(diào)壓電磁鐵起重電磁鐵、牽引電磁鐵、制動電磁鐵起重控制和牽引機(jī)械裝置1.2低壓電器的發(fā)展概況和動向我國低壓電器產(chǎn)品總體發(fā)展方向①傳統(tǒng)低壓電器向模塊化、小型化和零部件通用化方向發(fā)展②向可通信化方向發(fā)展，自帶通信接口或者直接與數(shù)據(jù)測控中心交換信息

例如軟啟動器、斷路器的電子式脫扣器和電動機(jī)微機(jī)保護(hù)器的RS485通信接口③向智能化低壓電器方向發(fā)展

例如電動機(jī)微機(jī)保護(hù)器、智能型電源互投開關(guān)ATSE等等④現(xiàn)場總線測控技術(shù)低壓電器中的應(yīng)用

利用現(xiàn)場總線技術(shù)，可以實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)中的各種低壓電器智能化控制，使得操作人員在控制室中對各種饋電回路和電動機(jī)的工作狀態(tài)一目了然，及時地準(zhǔn)確地知曉大量現(xiàn)場設(shè)備的工況，及時地處理各種故障1.3電磁式電器的組成與工作原理（1）電磁機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及分類

電磁式電器在電氣控制系統(tǒng)中使用量最大、類型很多。各類電磁式電器的結(jié)構(gòu)主要由兩個部分組成，即檢測部分（電磁機(jī)構(gòu)）和執(zhí)行部分（觸點(diǎn)系統(tǒng)或者觸頭系統(tǒng)），其次還有滅弧系統(tǒng)和其它緩沖機(jī)構(gòu)等等。a）銜鐵沿棱角轉(zhuǎn)動的拍合式鐵芯，這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在直流電路中；b）銜鐵沿軸轉(zhuǎn)動的拍合式鐵芯，其鐵芯有E形和U形兩種。這種結(jié)構(gòu)用于觸點(diǎn)容量較大的交流電器中；c）銜鐵作直線運(yùn)動雙E形直動式鐵芯。多用于交流接觸器、繼電器以及其它交流電磁機(jī)構(gòu)的電磁系統(tǒng)1.3電磁式電器的組成與工作原理（2）吸力特性與反力特性的配合

電磁式電器的基本原理見圖1-2。當(dāng)電磁線圈中通入電流時，線圈中產(chǎn)生磁通作用于銜鐵因而產(chǎn)生電磁吸力，使得銜鐵帶動觸點(diǎn)產(chǎn)生位移；當(dāng)線圈斷電后，銜鐵失去電磁吸力，由復(fù)位彈簧將其拉回，從而帶動觸點(diǎn)復(fù)位。電磁吸力的表達(dá)式：（式1-1）當(dāng)線圈通以交流電時，氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度按正弦變化：（式1-2）將式1-2代入式1-1后得到：

電磁吸力瞬時值f：（式1-3）

電磁吸力最大值和最小值：（式1-4）（式1-5）1.3電磁式電器的組成與工作原理（2）吸力特性與反力特性的配合

所謂吸力特性，是指電磁吸力隨銜鐵與鐵芯之間的氣隙δ變化的關(guān)系曲線。不同的電磁機(jī)構(gòu)有不同的吸力特性。

圖1-3為電磁機(jī)構(gòu)吸力特性與反力特性的配合。

對于直流線圈，其勵磁電流的大小與氣隙無關(guān)，銜鐵動作為恒磁勢工作，電磁吸力隨氣隙的減小而增加，見曲線1；

交流電磁線圈的勵磁電流與氣隙成正比。雖然動作過程中為恒磁通，但存在漏磁通，其吸力隨氣隙減小略有增加，見曲線2；

反力特性是指反作用力Fr與氣隙δ的關(guān)系曲線，見曲線3。為了使電磁機(jī)構(gòu)能正常工作，吸力特性與反力特性必須配合得當(dāng)。在銜鐵吸合時，吸力特性必須處于反力特性的上方，即吸力大于反力。當(dāng)銜鐵釋放時，吸力特性必須位于反力特性的下方，即反力大于吸力（此時吸力由剩磁產(chǎn)生）。1.3電磁式電器的組成與工作原理（3）交流電磁機(jī)構(gòu)上短路環(huán)的作用

由式1-3可以看出，電磁力F的頻率是電源電壓頻率的兩倍，因此隨著電源電壓的變化，銜鐵周而復(fù)始地閉合與釋放，使得銜鐵產(chǎn)生振動和噪聲。

解決辦法是在鐵芯端面上開個小槽，槽內(nèi)嵌入銅質(zhì)短路環(huán)，見圖1-4。

加上紫銅環(huán)后，通過仔細(xì)設(shè)計，使得未通過紫銅環(huán)的Φ1和通過紫銅環(huán)的Φ2大小接近，而相位差約為90o電角度，因而兩磁通不會同時過零。由于電磁吸力與磁通的平方成正比，所以由兩磁通產(chǎn)生的合成電磁吸力始終大于反力，使得銜鐵與鐵芯牢牢吸合，消除了振動和噪聲。1.3電磁式電器的組成與工作原理（4）觸點(diǎn)系統(tǒng)

圖1-5為觸點(diǎn)的接觸形式。

點(diǎn)接觸可提高單位面積上的接觸壓力，減小觸點(diǎn)的表面電阻；面接觸的觸點(diǎn)材料為合金，在減小觸點(diǎn)接觸電阻的同時，提高觸點(diǎn)的抗熔焊能力和抗磨損能力，允許通過較大的電流；線接觸的動、靜觸頭存在滾動摩擦過程（由A至C，工作點(diǎn)在C)，用于去除氧化膜。線接觸應(yīng)用在大電流和通電次數(shù)較多的場合。

點(diǎn)接觸用于小容量的場合，例如繼電器的輔助觸點(diǎn)；面接觸應(yīng)用在接觸器主觸頭上；線接觸則應(yīng)用在斷路器上；指形觸點(diǎn)、分裂觸點(diǎn)和片簧觸點(diǎn)則應(yīng)用在小型繼電器上，有利于提高通斷可靠性。1.3電磁式電器的組成與工作原理（4）觸點(diǎn)系統(tǒng)

圖1-6為橋式觸點(diǎn)閉合過程示意圖。

圖中的彈簧用于消除接觸振動和彈跳，電路的接通和打開由兩個觸點(diǎn)共同完成。1.3電磁式電器的組成與工作原理（5）滅弧系統(tǒng)和常用的滅弧方法

圖1-7、圖1-8為滅弧系統(tǒng)示意圖橋式結(jié)構(gòu)雙斷點(diǎn)的電動力吹弧方法，見圖1-7。常見于接觸器主觸頭柵片滅弧見圖1-8，常見于斷路器滅弧罩滅弧方法。利用電弧自身產(chǎn)生的磁場和吹弧線圈產(chǎn)生的磁場疊加作用，使得電弧產(chǎn)生一個向上的電動力F，將電弧吹入滅弧罩中。滅弧罩滅弧常見于框架斷路器等大電流低壓電器。1.5低壓電器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）開關(guān)電器和控制電器低壓電器按用途可分為應(yīng)用在主電路的開關(guān)電器和應(yīng)用在輔助電路的控制電器。

主電路開關(guān)電器用于某條電路中電能的接通和分?jǐn)唷Ｖ麟娐烽_關(guān)電器包括刀閘開關(guān)、隔離開關(guān)、熔斷器、斷路器、接觸器和起動器等等。

輔助電路控制電器用于在電路中執(zhí)行信號傳遞、控制、信號放大、信號轉(zhuǎn)換和聯(lián)絡(luò)。輔助電路控制電器包括各種主令電器、各種繼電器、行程開關(guān)、限位開關(guān)和撥碼開關(guān)等等。

（2）低壓電器的主要技術(shù)性能及參數(shù)①開關(guān)電器的通斷工作類型及參數(shù)②有關(guān)開關(guān)電器動作時間的參數(shù)③與額定電流和短路電流相關(guān)的參數(shù)④額定工作制⑤使用類型⑥開關(guān)電器的操作頻率和使用壽命⑦顏色標(biāo)志⑧低壓電器的圖形符號與文字符號1.5低壓電器的主要技術(shù)指標(biāo)□低壓開關(guān)電器的通斷工作類型及參數(shù)（工作任務(wù)）隔離通斷任務(wù)空載通斷任務(wù)有載通斷任務(wù)通電持續(xù)率接通能力分?jǐn)嗄芰Α醯蛪洪_關(guān)電器有關(guān)動作時間的參數(shù)斷開時間：開關(guān)電器從斷開操作開始瞬間到所有極的弧觸點(diǎn)都分開的時間間隔燃弧時間：開關(guān)電器從弧觸點(diǎn)斷開出現(xiàn)電弧到電弧完全熄滅為止的時間間隔閉合時間：開關(guān)電器從閉合操作開始到所有極的觸點(diǎn)都閉合為止的時間間隔1.5低壓電器的主要技術(shù)指標(biāo)□低壓電器與額定電流和短路電流相關(guān)的參數(shù)額定持續(xù)電流Iu：在長期工作制下，電器各個部件的溫升不超過規(guī)定極限制時所承載的電流值額定工作電流Ie：在長期工作制下，保證電器正常工作的電流值。額定電流值與額定電壓有關(guān)，一個開關(guān)電器可以有多個額定電流值。額定發(fā)熱電流Ir：在規(guī)定的條件下試驗時電器在8h工作制下，開關(guān)電器各部件不超過規(guī)定極限值時所能承載的最大電流值額定峰值耐受電流Ip（動穩(wěn)定性參數(shù)）：在規(guī)定的條件和性能條件下，開關(guān)電器在閉合位置上所能承受的電流峰值。這個電流是電路中允許出現(xiàn)的最大瞬時短路電流值，其電動力也最大額定短時耐受電流Is（熱穩(wěn)定性參數(shù)）：在規(guī)定的使用條件和性能條件下，開關(guān)電器在指定的短時間（1秒）內(nèi)，在閉合位置上所能承載的電流值。開關(guān)電器必須能承受出現(xiàn)短時電流持續(xù)1s而不會受到損壞。額定短路分?jǐn)嗄芰Γ涸谝?guī)定的條件下，包括開關(guān)電器出線端短路在內(nèi)的分?jǐn)嗄芰︻~定短路接通能力：在規(guī)定的條件下，能在給定的電壓下接通和分?jǐn)嗟念A(yù)期電流值約定脫扣電流約定熔斷電流1.5低壓電器的主要技術(shù)指標(biāo)□低壓電器的額定工作制S1長時（不間斷）工作制：

指在恒定負(fù)載下連續(xù)運(yùn)行相當(dāng)長時間，可以使設(shè)備達(dá)到熱平衡的工作條件、這時系統(tǒng)中的元件必須能無期限地承載恒定負(fù)載電流而無需采取其它措施，并且不會超過元件本身所允許的溫升。②S2短時工作制：

與空載相比，有載時間較短的工作制。由于電器元件在額定工作電流Ie恒定的一個工作周期內(nèi)不會達(dá)到其允許溫升，而兩個工作周期之間的間歇時間又很長，能使元件冷卻到環(huán)境溫度值。③S3斷續(xù)周期工作制：

指開關(guān)電器有載時間和無載時間周期性地相互交替分?jǐn)嗪徒油ǎ休d時間和無載時間都很短，使得電器元件既不能在一個有載時間內(nèi)升溫到額定值，也不能在一個無載時間內(nèi)冷卻到常溫。低壓電器的最主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)縮寫代號內(nèi)容與IEC出版物的關(guān)系GB14048.1低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第1部分：總則等同IEC60947-1GB14048.2低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第2部分：低壓斷路器等同IEC60947-2GB14048.3低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第3部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)及熔斷器組合電器等同IEC60947-3GB14048.4低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

機(jī)電式接觸器和電動機(jī)起動器等同IEC60947-4GB14048.5低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第5-1部分：控制電路電器和開關(guān)元件

機(jī)電式控制電路電器等同IEC60947-5-1GB14048.6低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

接觸器和電動機(jī)起動器

第2部分：交流半導(dǎo)體電動機(jī)控制器和起動器等同IEC60947-4-2GB/T14048.7低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第7.1部分：輔助電器

銅導(dǎo)體和接線端子排等同IEC60947-7-1GB/T14048.8低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

第8.2部分：輔助電器

銅導(dǎo)體和保護(hù)導(dǎo)體接線端子排等同IEC60947-7-2GB/T14048.9低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備

多功能電器（設(shè)備）第2部分：控制與保護(hù)開關(guān)電器（設(shè)備）等同IEC60947-6-2GB/T140