低壓電器

張白帆

電氣工程與自動化學院第1章低壓電器概述學習本課程的基本要求和參考書籍低壓電器的概述及發展方向

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性能指標和參數5學習本課程的相關要求基本要求：

基礎課程：電路理論，電器學等參考書籍：

教材

《低壓電器》黃永紅張新華主編，化學工業出版社

參考書：1《低壓電器的選用與維修》，夏新民黃威編，化學工業出版社2010年

2《電器學》，張冠生主編，機械工業出版社，1980年

3《低壓電控系統》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

在電力系統的發電、輸電、變電、配電和用電的各個環節中，大量使用對電路起調節、分配、控制、保護和測量作用的各種電氣裝置和電器設備，這些電器設備統稱為開關電器。按開關電器的工作電壓等級可分為高壓電器和低壓電器兩大類。我國現行標準將工作電壓在交流1200V、直流1500V以下的開關電器都稱為低壓開關電器，簡稱為低壓電器。

平均地說，每1萬千瓦發電設備就需要4萬件各類低壓電器元件與之配套。注1：在國家標準GB14048.1-2008《低壓開關設備和控制設備第一部分：總則》中把低壓開關電器的電壓定義為交流1000V、直流1500V。注2：配電網電壓參見：GB156-1999《標準電壓》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熔斷器插入式熔斷器、快速熔斷器線路保護刀閘開關隔離開關、熔斷器式刀閘開關電路隔離轉換開關互投開關ATSE、組合開關、轉換開關兩種以上電源或負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起動器起動器、星三角起動器、軟啟動器交流電動機的起動及正反轉控制繼電器電流、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、接近開關、限位開關、微動開關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及發電機調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械裝置1.2低壓電器的發展概況和動向我國低壓電器產品總體發展方向①傳統低壓電器向模塊化、小型化和零部件通用化方向發展②向可通信化方向發展，自帶通信接口或者直接與數據測控中心交換信息

例如軟啟動器、斷路器的電子式脫扣器和電動機微機保護器的RS485通信接口③向智能化低壓電器方向發展

例如電動機微機保護器、智能型電源互投開關ATSE等等④現場總線測控技術低壓電器中的應用

利用現場總線技術，可以實現低壓配電網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的工作狀態一目了然，及時地準確地知曉大量現場設備的工況，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）電磁機構的結構形式及分類

電磁式電器在電氣控制系統中使用量最大、類型很多。各類電磁式電器的結構主要由兩個部分組成，即檢測部分（電磁機構）和執行部分（觸點系統或者觸頭系統），其次還有滅弧系統和其它緩沖機構等等。a）銜鐵沿棱角轉動的拍合式鐵芯，這種結構廣泛應用在直流電路中；b）銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵芯，其鐵芯有E形和U形兩種。這種結構用于觸點容量較大的交流電器中；c）銜鐵作直線運動雙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構的電磁系統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。當電磁線圈中通入電流時，線圈中產生磁通作用于銜鐵因而產生電磁吸力，使得銜鐵帶動觸點產生位移；當線圈斷電后，銜鐵失去電磁吸力，由復位彈簧將其拉回，從而帶動觸點復位。電磁吸力的表達式：（式1-1）當線圈通以交流電時，氣隙中的磁感應強度按正弦變化：（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變化的關系曲線。不同的電磁機構有不同的吸力特性。

圖1-3為電磁機構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，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的關系曲線，見曲線3。為了使電磁機構能正常工作，吸力特性與反力特性必須配合得當。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（此時吸力由剩磁產生）。1.3電磁式電器的組成與工作原理（3）交流電磁機構上短路環的作用

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，銜鐵周而復始地閉合與釋放，使得銜鐵產生振動和噪聲。

解決辦法是在鐵芯端面上開個小槽，槽內嵌入銅質短路環，見圖1-4。

加上紫銅環后，通過仔細設計，使得未通過紫銅環的Φ1和通過紫銅環的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）觸點系統

圖1-5為觸點的接觸形式。

點接觸可提高單位面積上的接觸壓力，減小觸點的表面電阻；面接觸的觸點材料為合金，在減小觸點接觸電阻的同時，提高觸點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，工作點在C)，用于去除氧化膜。線接觸應用在大電流和通電次數較多的場合。

點接觸用于小容量的場合，例如繼電器的輔助觸點；面接觸應用在接觸器主觸頭上；線接觸則應用在斷路器上；指形觸點、分裂觸點和片簧觸點則應用在小型繼電器上，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）觸點系統

圖1-6為橋式觸點閉合過程示意圖。

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共同完成。1.3電磁式電器的組成與工作原理（5）滅弧系統和常用的滅弧方法

圖1-7、圖1-8為滅弧系統示意圖橋式結構雙斷點的電動力吹弧方法，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。利用電弧自身產生的磁場和吹弧線圈產生的磁場疊加作用，使得電弧產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指標（1）開關電器和控制電器低壓電器按用途可分為應用在主電路的開關電器和應用在輔助電路的控制電器。

主電路開關電器用于某條電路中電能的接通和分斷。主電路開關電器包括刀閘開關、隔離開關、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行信號傳遞、控制、信號放大、信號轉換和聯絡。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、限位開關和撥碼開關等等。

（2）低壓電器的主要技術性能及參數①開關電器的通斷工作類型及參數②有關開關電器動作時間的參數③與額定電流和短路電流相關的參數④額定工作制⑤使用類型⑥開關電器的操作頻率和使用壽命⑦顏色標志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指標□低壓開關電器的通斷工作類型及參數（工作任務）隔離通斷任務空載通斷任務有載通斷任務通電持續率接通能力分斷能力□低壓開關電器有關動作時間的參數斷開時間：開關電器從斷開操作開始瞬間到所有極的弧觸點都分開的時間間隔燃弧時間：開關電器從弧觸點斷開出現電弧到電弧完全熄滅為止的時間間隔閉合時間：開關電器從閉合操作開始到所有極的觸點都閉合為止的時間間隔1.5低壓電器的主要技術指標□低壓電器與額定電流和短路電流相關的參數額定持續電流Iu：在長期工作制下，電器各個部件的溫升不超過規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，一個開關電器可以有多個額定電流值。額定發熱電流Ir：在規定的條件下試驗時電器在8h工作制下，開關電器各部件不超過規定極限值時所能承載的最大電流值額定峰值耐受電流Ip（動穩定性參數）：在規定的條件和性能條件下，開關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（熱穩定性參數）：在規定的使用條件和性能條件下，開關電器在指定的短時間（1秒）內，在閉合位置上所能承載的電流值。開關電器必須能承受出現短時電流持續1s而不會受到損壞。額定短路分斷能力：在規定的條件下，包括開關電器出線端短路在內的分斷能力額定短路接通能力：在規定的條件下，能在給定的電壓下接通和分斷的預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指標□低壓電器的額定工作制S1長時（不間斷）工作制：

指在恒定負載下連續運行相當長時間，可以使設備達到熱平衡的工作條件、這時系統中的元件必須能無期限地承載恒定負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不會達到其允許溫升，而兩個工作周期之間的間歇時間又很長，能使元件冷卻到環境溫度值。③S3斷續周期工作制：

指開關電器有載時間和無載時間周期性地相互交替分斷和接通，有載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升溫到額定值，也不能在一個無載時間內冷卻到常溫。低壓電器的最主要技術標準縮寫代號內容與IEC出版物的關系GB14048.1低壓開關設備和控制設備

第1部分：總則等同IEC60947-1GB14048.2低壓開關設備和控制設備

第2部分：低壓斷路器等同IEC60947-2GB14048.3低壓開關設備和控制設備

第3部分：開關、隔離器、隔離開關及熔斷器組合電器等同IEC60947-3GB14048.4低壓開關設備和控制設備

機電式接觸器和電動機起動器等同IEC60947-4GB14048.5低壓開關設備和控制設備

第5-1部分：控制電路電器和開關元件

機電式控制電路電器等同IEC60947-5-1GB14048.6低壓開關設備和控制設備

接觸器和電動機起動器

第2部分：交流半導體電動機控制器和起動器等同IEC60947-4-2GB/T14048.7低壓開關設備和控制設備

第7.1部分：輔助電器

銅導體和接線端子排等同IEC60947-7-1GB/T14048.8低壓開關設備和控制設備

第8.2部分：輔助電器

銅導體和保護導體接線端子排等同IEC60947-7-2GB/T14048.9低壓開關設備和控制設備

多功能電器（設備）第2部分：控制與保護開關電器（設備）等同IEC60947-6-2GB/T140