第1章

電器的根本知識第1章電器的根本知識電器概述1.1電器的根本實際1.2什么是電器？電器——電氣器具。電器的定義：指能根據操作信號或外界現場信號的要求，自動或手動接通和斷開電路，延續或斷續地改動電路參數，以實現對電路或用電設備的切換、控制、維護、檢測、變換和調理的元件、設備和電工安裝。電器——一種能控制電的工具。第1章電器的根本知識1.1.1電器的分類1.按任務電壓等級分低壓電器：任務電壓在交流1200V或直流1500V以下的各種電器。高壓電器：任務電壓高于交流1200V或直流1500V的各種電器。1.1電器概述也有以交流1000V或直流1200V作分界限。平安電壓平安電壓：為防止觸電事故而采用特定電源供電的電壓系列。我國GB3805-83平安電壓規范規定：平安電壓的額定值為42、36、24、12、6V。42V可供有觸電危險的場所運用，如手持式電開工具等的運用；36V可在礦井、多導電粉塵等場所運用的行燈等場所下運用；24V、12V、6V可供某些人體能夠偶爾觸及的帶電體的設備選用。2.按動作原理分手動電器：需求人工直接操作才干完成指令義務的電器。如刀開關、控制按鈕、控制器、轉換開關等。自動電器：不需求人工操作，而是按照電或非電信號自動完成指令義務的電器。如交直流接觸器、繼電器、高壓斷路器等。3.按用途分控制電器：用于各種控制電路和控制系統的電器。主令電器：用于自動控制系統中發送控制指令的電器。維護電器：用于維護電路及用電設備的電器。配電電器：用于電能的保送和分配的電器。執行電器：用于完成某種動作或傳動功能的電器。4.按任務原理分電磁式電器：根據電磁感應原理來任務的電器。非電量控制電器：電器的任務是依托外力或某種非電物理量的變化而動作的電器。5.按電器的執行機構特點分有觸點電器：電器通斷電路的功能由觸點來實現。無觸點電器：電器通斷電路的功能不是經過機械接觸，而是根據輸出信號的高低實現的〔即半導體器件的開關效應，如可控硅的導通和阻斷、三極管的飽和與截止來實現電路的通斷〕。1.1.2電器產品的開展1.我國電器產品的開展歷程低壓電器產品大致可分為三代：20世紀60～70年代：第一代電器產品完全模擬前蘇聯的根底上設計開發的。特點：構造尺寸大、資料耗費多、性能目的不理想、種類規格不齊全。CJ10交流接觸器DZ10斷路器DW10多油斷路器第一代電器產品20世紀70～80年代：第二代電器產品更新換代和引進國外先進技術制造的。特點：技術目的明顯提高，維護特性較完善，體積減少，構造上順應成套安裝要求。第二代電器產品CJ20接觸器DZ20斷路器DW15斷路器第二代電器產品20世紀90年代：第三代電器產品跟蹤國外新技術自行開發試制的。特點：產品性能優良、任務可靠、體積小，具有電子化、智能化、組合化、模塊化、多功能化。第三代電器產品CJ40接觸器DZS斷路器DW45斷路器第三代電器產品國外從20世紀90年代后期就推出了智能化、可通訊的第四代產品。我國估計用10年左右時間完成第四代低壓電器主要系列產品開發與推行〔2021年中國電器行業分會〕。第四代產品我國從90年代起開發的第三代產品已帶有智能化功能，但是單一智能化電器在傳統的低壓配電、控制系統中很難發揚其優越性，產品價錢相對較高，難以全面推行。我國第4代低壓電器總體開展思緒第1批4個工程：新一代智能型萬能式斷路器、新一代小型化塑料外殼式斷路器、新一代小型化控制與維護開關電器、帶選擇性維護小型斷路器，2021年完成研發任務。第2批工程初步確定為新一代交流接觸器、新一代電動機起動器、新一代雙電源轉換開關、公用系列低壓浪涌維護器。2021年啟動、2021年完成。第3批工程重點是各類新型電器，估計2021～2021年啟動、2021年完成。第4代低壓電器的構造特征及根本功能①產品中裝有微處置器②帶有通訊接口，能與現場總線銜接③采用規范化構造，具有互換性，內部可改換部件采用模塊化構造④維護功能齊全⑤外部缺點記錄顯示⑥參數顯示⑦內部缺點自診斷⑧能進展雙向通訊2.電器產品的開展趨勢1.1.2電器產品的開展〔1〕在開發第4代低壓電器同時，進一步拓展低壓電器領域。重點放在新能源〔如風力發電、太陽能發電〕配套用電器設備以及配電與控制系統；節能、環保產品；電網平安等。這批工程采用元件與系統相結合方針。〔2〕全面實現低壓電器主要產品網絡化、智能化、可通訊：要求我國第3代低壓電器主要產品、第4代低壓電器全部實現網絡化、智能化、可通訊，能與多種現場總線銜接，也可直接與工業以太網銜接。對部分安裝通訊電纜有困難的場所或網絡擴展需求，可采用無線通訊技術。在實現低壓電器網絡化、可通訊同時，要進一步開發并完善智能網絡配電與控制系統配套產品。完善各類配套產品規格、種類，實現系列化、規范化并完成智能網絡系統主站開發任務。〔3〕在開發新一代高性能、小型化、智能化產品同時，積極討論并大力開展新一代經濟型產品。開展新一代經濟型產品既是原資料大幅度上漲對低壓電器提出節材、節能的需求；也是第1代、第2代低壓電器逐漸淘汰后為滿足中、低端市場的需求。從節能、節材要求思索，新一代經濟型低壓電器不應在第1代、第2代低壓電器上改良、派生，而應該在第3代、第4代低壓電器派生或重新開發的新一代經濟型產品。〔4〕全面淘汰第1代產品；逐漸淘汰第2代產品，部分產品完善、改良、提高；第3代產品深化二次開發。經過全行業共同努力，經過5年左右時間實現我國低壓電器總體技術程度上一個新的臺階。在開展4代半產品同時，積極探求我國第5代低壓電器的可行性，逐漸明晰第5代低壓電器定位、產品特點、開展目的與主要研討內容。〔5〕在第4代低壓電器研發完成并推向市場后，根據國外低壓電器新產品、新技術、新規范、新資料、新工藝最新開展以及市場反響信息，對第4代低壓電器進展完善與改良，部分開展成為4代半產品，以不斷滿足國民經濟與市場開展的需求，也是跟蹤新技術、新產品開展需求。1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用1.三維計算機輔助設計系統三維計算機輔助設計系統集設計、制造和分析于一體，設計者可在三維空間完成零部件設計和裝配，實現設計和制造的自動化與優化，并在此根底上自動生成工程圖紙。2.低壓電器公用計算機運用軟件數據、符號、規范元件庫。軟件包：公用分析、計算軟件，如磁系統三維分析、計算軟件包、電器開關特性的計算機模擬和仿真、低壓電器合閘和分斷過程動態仿真、電磁機構和觸頭運動過程動態仿真、電弧產生與熄滅過程的動態仿真、樣機測試等軟件包。1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用3.計算機網絡系統的運用低壓電器與控制系統已構成了智能化監控、維護與信息網絡。智能化電器監控器中央計算機包括可編程序控制器〔PLC〕網絡元件1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用包括監控器：在網絡中起參數丈量、顯示和某些維護功能，還具有通訊接口的作用，替代了傳統的指令電器、信號電器和丈量儀表。網絡元件：用于構成通訊網絡，主要有現場總線、操作器與傳感器接口、地址編碼器及尋址單元等。1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用微處置機技術、計算機網絡技術和信息通訊技術的運用一方面使低壓電器智能化，提高了低壓配電與控制系統的自動化程度；另一方面使智能化電器與中央控制計算機進展雙向通訊，使低壓配電、控制系統的調度、操作和維護實現了四遙〔遙控、遙信、遙測、遙調〕，提高了整個系統的可靠性。1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用4.可靠性技術可靠性物理研討，即產品失效機理研討；可靠性目的與考核方法研討；可靠性實驗安裝研討；提高可靠性程度研討。1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用5.新的滅弧系統和限流技術實現開關電器“無飛弧〞電子滅弧安裝實現無弧分斷電路1.1.3新技術在電器設計和開發中的運用1.2電器的根本實際電器的組成：從控制的角度看電器輸入部分輸出部分構造上電器感測部分判別部分執行機構1.2.1電磁式電器的任務原理電磁式電器的組成：感測和判別部分——電磁機構執行機構——觸頭1.感測和判別部分電磁機構：鐵心吸引線圈銜鐵彈簧動觸頭靜觸頭將電磁能量轉換為機械能量，帶動觸頭任務，完成接通和分斷電路。動畫演示1.感測和判別部分鐵心吸引線圈銜鐵彈簧動觸頭靜觸頭當吸引線圈兩端施加一定電壓或通以一定電流時，在電磁機構的磁路產生磁場，并經過氣隙轉換成機械能，當施加在銜鐵上的電磁吸力大于電磁機構的反力時，銜鐵就帶動動觸頭運動，完成觸頭的閉合和斷開，實現電路的接通和分斷。結論交流電磁機構的勵磁電流在線圈已通電但銜鐵尚未動作時，電流比額定任務電流大得多。假設發生銜鐵卡住不能吸合或銜鐵頻繁動作，交流線圈將能夠因過電流而燒毀。在可靠性要求高或頻繁操作的場所，普通不采用交流電磁機構。電磁機構分類1——鐵心2——吸引線圈3——銜鐵銜鐵沿棱角而轉動的拍合式鐵心：這種方式磨損小，鐵心普通用電工軟鐵制成，廣泛用于直流電器和接觸器中。銜鐵沿軸轉動的拍合式鐵心：鐵心普通用硅鋼片疊成，常用于大容量交流接觸器中。銜鐵做直線運動的直動式鐵心：銜鐵在線圈內做直線運動，多用于中小容量的交流接觸器和繼電器中。吸引線圈吸引線圈：將電能轉換為磁場能。吸引線圈的分類按線圈的聯接方式分：電壓線圈：電壓線圈并接在電源上，匝數多，阻抗大，但電流較小，所以常用絕緣較好的電線繞制。電流線圈：串接在主電路中，匝數少，電流較大，所以常用扁銅線或粗銅線繞制。按吸引線圈電流的種類分：直流線圈：因直流電磁鐵的鐵心不發熱。只需線圈發熱，所以其線圈做成高而薄的瘦長型，且不設線圈骨架，使線圈與鐵心直接接觸，易于散熱。交流線圈：由于交流電磁鐵的鐵心存在磁滯和渦流損耗，不僅線圈要發熱而且鐵心也要發熱，所以其線圈設有骨架，使鐵心與線圈隔離并將線圈制成短而厚的矮胖型，這樣做有利于鐵心和線圈散熱。吸引線圈2.執行機構執行機構——電器的觸頭系統。觸頭〔又稱觸點〕的作用——接通和分斷電路。動觸頭靜觸頭滅弧安裝導電部件觸頭對觸頭的要求：導電、導熱性良好，接觸電阻小。觸頭通常用銅、銀、鎳及其合金資料制成，有時也在銅觸頭外表鍍一層錫、銀或鎳。觸頭上裝有接觸彈簧，并在安裝時將彈簧預先緊縮一段，使動觸頭剛與靜觸頭接觸時就產生一個初壓力。接觸彈簧作用：觸頭接觸得更加嚴密，減小接觸電阻，消除開場接觸時產生的振動。2.執行機構常開觸頭和常閉觸頭觸頭按其原始形狀可分為：常開觸頭和常閉觸頭。原始形狀——吸引線圈未通電時的形狀。常閉觸頭常開觸頭2.執行機構常開觸頭：當線圈未通電時觸頭斷開，而線圈通電后觸頭閉合的觸頭，又稱為動合觸頭；常閉觸頭：當線圈未通電時觸頭閉合，線圈通電后觸頭斷開的觸頭，又稱為動斷觸頭。觸頭的復位——線圈斷電后一切觸頭回復到原始形狀。動作順序：先斷后合。2.執行機構主觸頭和輔助觸頭按觸頭控制的電路分為：主觸頭和輔助觸頭。主觸頭：用于接通和斷開主電路，允許經過較大的電流，普通裝有滅弧罩；輔助觸頭：用于接通和斷開控制電路，只允許經過較小的電流。2.執行機構觸頭的構外型式橋式觸頭2.執行機構橋式觸頭：橋式觸頭的兩個觸點串于同一條電路中，電路的接通和斷開由兩個觸點共同完成。點接觸型式——適用于電流不大，且觸頭壓力小的場所，如繼電器電路、輔助觸點；面接觸型式——適用于大電流的場所，這種觸頭普通在接觸外表上鑲有合金，以減小觸點的接觸電阻，提高耐磨性，多用于較大容量接觸器的主觸頭。2.執行機構指形觸頭：觸頭的接觸區為不斷線，觸頭接通或分斷時產生滾動摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以緩沖觸頭閉合時的撞擊能量，改善觸頭的電器性能。適用于通電次數多，電流大的場所，常用于刀開關。2.執行機構1.2.2電接觸實際觸頭在閉合形狀下動、靜觸點完全接觸，并有任務電流經過時，稱為電接觸。電接觸：導體和導體之間的銜接處。電接觸情況的好壞將影響觸頭的任務可靠性和運用壽命。電接觸的構造方式按接觸任務的原理分：固定接觸：兩接觸元件在任務時間內固定接觸，無相對運動也不分別。如母線的螺栓銜接或鉚接，電子設備和儀器中的插接件、銜接器和插頭等。滾動和滑動接觸：兩接觸元件能作相對滾動和滑動，但不相互分別。如變阻器的滑動頭、電機的電刷和滑環、電氣機車的饋電弓和饋電線等。可分、合接觸：兩接觸元件可隨時分別或閉合。可分、合的接觸元件通常稱為觸頭或觸點。在任何利用觸頭實現電路通、斷的電器中都有這類電接觸類型。電接觸的義務傳導電流，保證電接觸能長時間的可靠穩定地任務。根本要求長期經過額定電流的電接觸其溫升不能超越國家規范規定的數值，且溫升穩定；電接觸在經過短時的短路電流或脈沖電流時，接觸處不會發生熔焊或松馳景象；可分、合接觸在斷開過程中，觸頭資料損失應盡量小；可分、合接觸在閉合過程中，接觸處不應出現不能斷開的熔焊景象，而且觸頭外表不會出現嚴重損傷和變形。對接觸元件的根本要求：接觸時接觸元件為良好的導體；分別后應為良好的絕緣體。存在的問題：當兩導體相互接觸流過電流時，接觸處會出現部分高溫，嚴重時可到達接觸導體資料的熔點，在接觸處出現熔焊景象。在電接觸中普遍存在接觸電阻、接觸溫升和電磨損等問題。接觸方式點接觸：多用于小電流。線接觸：廣泛用于接觸器、自動開關及高壓開關電器的觸頭中。面接觸：固定接觸常采用此方式，多用于大電流。觸頭的發熱和熔焊當電流流過兩導體的接觸處時，由于接觸電阻的存在，將會使接觸處的溫度升高。溫度的升高又會促使外表膜的生長，使接觸電阻添加，從而使溫度進一步上升。嚴重時接觸點的溫度可達接觸元件資料的軟化點、熔化點甚至沸騰點，最后使兩接觸面產生金屬焊接。當開關電器發生金屬性的熔焊后，觸頭就不能正常分斷，開關也就失去作用。純金屬資料金屬合金資料復合資料常用的觸頭資料復合資料：是一種機械混合物。采用高導電資料和高熔點資料制成粉末后燒結而成，其制造方法類似于陶瓷，所以也稱粉末合金資料或金屬陶瓷資料。復合資料既有較低的接觸電阻，又耐弧、耐磨損和抗熔焊。普通作大容量觸頭資料。1.2.3開關電弧實際電弧——開關觸頭在大氣中斷開電路時，假設電路的電流超越0.25～1A，電路斷開后加在觸頭間的電壓超越12～20V，那么在觸頭間隙〔又稱弧隙〕中便會產生一團溫度極高、發出強光和可以導電的近似圓柱形的氣體。高壓開關分斷時產生電弧電弧的影響在開關電器中，電弧的存在雖然可以給電路中磁能的泄放提供場所，從而降低電路開斷時產生的過電壓，但當開關觸頭間產生電弧時，它會延伸電路的切斷時間，電弧的高溫還會燒壞觸頭，嚴重時甚至引起開關電器著火和爆炸，構成火災影響電力系統的平安運轉。開關電器典型滅弧安裝1〕簡單滅弧在大氣中分開觸頭時，借機械力或電弧電流本身產生的電動力拉長電弧，使之在運動中不斷與新穎空氣接觸為其冷卻，使電弧熄滅。低壓電器中的刀開關和直動式交流接觸器均為簡單滅弧。橋式雙斷開觸點兩處斷開點相當于兩對電極，假設要使該處電弧熄滅后重燃需求2×〔150～250〕V電壓，而通常低壓電器斷點間的電壓達不到此值，實踐上起到了滅弧的作用。2〕磁吹滅弧安裝磁吹線圈鐵心磁吹線圈磁場動觸頭電動力F當電弧需求較大的電動力吹入滅弧室時，就要采用專門的磁吹安裝3〕弧罩與縱縫滅弧安裝常用耐弧塑料〔如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料〕制造的具有縱縫的滅弧室來限制弧區擴展并加速冷卻以減弱熱電離。4〕柵片滅弧安裝柵片滅弧安裝有絕緣柵片與金屬柵片兩種：絕緣柵片滅弧安裝：是利用電弧本身磁場產生的電動力拉長電弧，并使電弧在與絕緣柵片嚴密接觸的過程中迅速冷卻；金屬柵片滅弧安裝：是將電弧分割為多段短弧、利用增大近極區電壓降〔特別是交流時的近陰極效應〕來加強滅弧效果。柵片滅弧安裝適用于高低壓直流和交流開關電器，以低壓交流開關電器用得較多。5〕固體產氣滅弧安裝固體產氣滅弧安裝：是利用能產生氣體的固體絕緣資料如鋼紙、有機玻璃等