低压电器的基本常识

低压电器

张白帆

电气工程与自动化学院第1章低压电器概述学习本课程的基本要求和参考书籍低压电器的概述及发展方向

低压电器的定义与分类电磁式电器的组成与工作原理，常见故障与维修4123第一章目录低压电器的主要技术性能指标和参数5学习本课程的相关要求基本要求：

基础课程：电路理论，电器学等参考书籍：

教材

《低压电器》黄永红张新华主编，化学工业出版社

参考书：1《低压电器的选用与维修》，夏新民黄威编，化学工业出版社2010年

2《电器学》，张冠生主编，机械工业出版社，1980年

3《低压电控系统》杨德清等编，中国电力出版社，2009年1.1低压电器的定义与分类1.低压电器的定义

在电力系统的发电、输电、变电、配电和用电的各个环节中，大量使用对电路起调节、分配、控制、保护和测量作用的各种电气装置和电器设备，这些电器设备统称为开关电器。按开关电器的工作电压等级可分为高压电器和低压电器两大类。我国现行标准将工作电压在交流1200V、直流1500V以下的开关电器都称为低压开关电器，简称为低压电器。

平均地说，每1万千瓦发电设备就需要4万件各类低压电器元件与之配套。注1：在国家标准GB14048.1-2008《低压开关设备和控制设备第一部分：总则》中把低压开关电器的电压定义为交流1000V、直流1500V。注2：配电网电压参见：GB156-1999《标准电压》1.1低压电器的定义与分类2.低压电器的分类

低压电器分为两大类：低压配电电器和低压控制电器。低压电器的分类及用途如下：低压电器名称主要品种用途配电电器断路器塑壳断路器、框架断路器、微型断路器线路保护熔断器插入式熔断器、快速熔断器线路保护刀闸开关隔离开关、熔断器式刀闸开关电路隔离转换开关互投开关ATSE、组合开关、转换开关两种以上电源或负载切换控制电器接触器交流接触器、直流接触器控制交直流电动机起动器起动器、星三角起动器、软启动器交流电动机的起动及正反转控制继电器电流、电压继电器、时间继电器、中间继电器、热继电器用于辅助控制回路控制器凸轮控制器、平面控制器用于辅助控制回路主令电器控制按钮、选择开关、接近开关、限位开关、微动开关用于辅助控制回路电阻器及变阻器铁基合金电阻、励磁变阻器、频敏变阻器改变电路参数及发电机调压电磁铁起重电磁铁、牵引电磁铁、制动电磁铁起重控制和牵引机械装置1.2低压电器的发展概况和动向我国低压电器产品总体发展方向①传统低压电器向模块化、小型化和零部件通用化方向发展②向可通信化方向发展，自带通信接口或者直接与数据测控中心交换信息

例如软启动器、断路器的电子式脱扣器和电动机微机保护器的RS485通信接口③向智能化低压电器方向发展

例如电动机微机保护器、智能型电源互投开关ATSE等等④现场总线测控技术低压电器中的应用

利用现场总线技术，可以实现低压配电网中的各种低压电器智能化控制，使得操作人员在控制室中对各种馈电回路和电动机的工作状态一目了然，及时地准确地知晓大量现场设备的工况，及时地处理各种故障1.3电磁式电器的组成与工作原理（1）电磁机构的结构形式及分类

电磁式电器在电气控制系统中使用量最大、类型很多。各类电磁式电器的结构主要由两个部分组成，即检测部分（电磁机构）和执行部分（触点系统或者触头系统），其次还有灭弧系统和其它缓冲机构等等。a）衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，这种结构广泛应用在直流电路中；b）衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，其铁芯有E形和U形两种。这种结构用于触点容量较大的交流电器中；c）衔铁作直线运动双E形直动式铁芯。多用于交流接触器、继电器以及其它交流电磁机构的电磁系统1.3电磁式电器的组成与工作原理（2）吸力特性与反力特性的配合

电磁式电器的基本原理见图1-2。当电磁线圈中通入电流时，线圈中产生磁通作用于衔铁因而产生电磁吸力，使得衔铁带动触点产生位移；当线圈断电后，衔铁失去电磁吸力，由复位弹簧将其拉回，从而带动触点复位。电磁吸力的表达式：（式1-1）当线圈通以交流电时，气隙中的磁感应强度按正弦变化：（式1-2）将式1-2代入式1-1后得到：

电磁吸力瞬时值f：（式1-3）

电磁吸力最大值和最小值：（式1-4）（式1-5）1.3电磁式电器的组成与工作原理（2）吸力特性与反力特性的配合

所谓吸力特性，是指电磁吸力随衔铁与铁芯之间的气隙δ变化的关系曲线。不同的电磁机构有不同的吸力特性。

图1-3为电磁机构吸力特性与反力特性的配合。

对于直流线圈，其励磁电流的大小与气隙无关，衔铁动作为恒磁势工作，电磁吸力随气隙的减小而增加，见曲线1；

交流电磁线圈的励磁电流与气隙成正比。虽然动作过程中为恒磁通，但存在漏磁通，其吸力随气隙减小略有增加，见曲线2；

反力特性是指反作用力Fr与气隙δ的关系曲线，见曲线3。为了使电磁机构能正常工作，吸力特性与反力特性必须配合得当。在衔铁吸合时，吸力特性必须处于反力特性的上方，即吸力大于反力。当衔铁释放时，吸力特性必须位于反力特性的下方，即反力大于吸力（此时吸力由剩磁产生）。1.3电磁式电器的组成与工作原理（3）交流电磁机构上短路环的作用

由式1-3可以看出，电磁力F的频率是电源电压频率的两倍，因此随着电源电压的变化，衔铁周而复始地闭合与释放，使得衔铁产生振动和噪声。

解决办法是在铁芯端面上开个小槽，槽内嵌入铜质短路环，见图1-4。

加上紫铜环后，通过仔细设计，使得未通过紫铜环的Φ1和通过紫铜环的Φ2大小接近，而相位差约为90º电角度，因而两磁通不会同时过零。由于电磁吸力与磁通的平方成正比，所以由两磁通产生的合成电磁吸力始终大于反力，使得衔铁与铁芯牢牢吸合，消除了振动和噪声。1.3电磁式电器的组成与工作原理（4）触点系统

图1-5为触点的接触形式。

点接触可提高单位面积上的接触压力，减小触点的表面电阻；面接触的触点材料为合金，在减小触点接触电阻的同时，提高触点的抗熔焊能力和抗磨损能力，允许通过较大的电流；线接触的动、静触头存在滚动摩擦过程（由A至C，工作点在C)，用于去除氧化膜。线接触应用在大电流和通电次数较多的场合。

点接触用于小容量的场合，例如继电器的辅助触点；面接触应用在接触器主触头上；线接触则应用在断路器上；指形触点、分裂触点和片簧触点则应用在小型继电器上，有利于提高通断可靠性。1.3电磁式电器的组成与工作原理（4）触点系统

图1-6为桥式触点闭合过程示意图。

图中的弹簧用于消除接触振动和弹跳，电路的接通和打开由两个触点共同完成。1.3电磁式电器的组成与工作原理（5）灭弧系统和常用的灭弧方法

图1-7、图1-8为灭弧系统示意图桥式结构双断点的电动力吹弧方法，见图1-7。常见于接触器主触头栅片灭弧见图1-8，常见于断路器灭弧罩灭弧方法。利用电弧自身产生的磁场和吹弧线圈产生的磁场叠加作用，使得电弧产生一个向上的电动力F，将电弧吹入灭弧罩中。灭弧罩灭弧常见于框架断路器等大电流低压电器。1.5低压电器的主要技术指标（1）开关电器和控制电器低压电器按用途可分为应用在主电路的开关电器和应用在辅助电路的控制电器。

主电路开关电器用于某条电路中电能的接通和分断。主电路开关电器包括刀闸开关、隔离开关、熔断器、断路器、接触器和起动器等等。

辅助电路控制电器用于在电路中执行信号传递、控制、信号放大、信号转换和联络。辅助电路控制电器包括各种主令电器、各种继电器、行程开关、限位开关和拨码开关等等。

（2）低压电器的主要技术性能及参数①开关电器的通断工作类型及参数②有关开关电器动作时间的参数③与额定电流和短路电流相关的参数④额定工作制⑤使用类型⑥开关电器的操作频率和使用寿命⑦颜色标志⑧低压电器的图形符号与文字符号1.5低压电器的主要技术指标□低压开关电器的通断工作类型及参数（工作任务）隔离通断任务空载通断任务有载通断任务通电持续率接通能力分断能力□低压开关电器有关动作时间的参数断开时间：开关电器从断开操作开始瞬间到所有极的弧触点都分开的时间间隔燃弧时间：开关电器从弧触点断开出现电弧到电弧完全熄灭为止的时间间隔闭合时间：开关电器从闭合操作开始到所有极的触点都闭合为止的时间间隔1.5低压电器的主要技术指标□低压电器与额定电流和短路电流相关的参数额定持续电流Iu：在长期工作制下，电器各个部件的温升不超过规定极限制时所承载的电流值额定工作电流Ie：在长期工作制下，保证电器正常工作的电流值。额定电流值与额定电压有关，一个开关电器可以有多个额定电流值。额定发热电流Ir：在规定的条件下试验时电器在8h工作制下，开关电器各部件不超过规定极限值时所能承载的最大电流值额定峰值耐受电流Ip（动稳定性参数）：在规定的条件和性能条件下，开关电器在闭合位置上所能承受的电流峰值。这个电流是电路中允许出现的最大瞬时短路电流值，其电动力也最大额定短时耐受电流Is（热稳定性参数）：在规定的使用条件和性能条件下，开关电器在指定的短时间（1秒）内，在闭合位置上所能承载的电流值。开关电器必须能承受出现短时电流持续1s而不会受到损坏。额定短路分断能力：在规定的条件下，包括开关电器出线端短路在内的分断能力额定短路接通能力：在规定的条件下，能在给定的电压下接通和分断的预期电流值约定脱扣电流约定熔断电流1.5低压电器的主要技术指标□低压电器的额定工作制S1长时（不间断）工作制：

指在恒定负载下连续运行相当长时间，可以使设备达到热平衡的工作条件、这时系统中的元件必须能无期限地承载恒定负载电流而无需采取其它措施，并且不会超过元件本身所允许的温升。②S2短时工作制：

与空载相比，有载时间较短的工作制。由于电器元件在额定工作电流Ie恒定的一个工作周期内不会达到其允许温升，而两个工作周期之间的间歇时间又很长，能使元件冷却到环境温度值。③S3断续周期工作制：

指开关电器有载时间和无载时间周期性地相互交替分断和接通，有载时间和无载时间都很短，使得电器元件既不能在一个有载时间内升温到额定值，也不能在一个无载时间内冷却到常温。低压电器的最主要技术标准缩写代号内容与IEC出版物的关系GB14048.1低压开关设备和控制设备

第1部分：总则等同IEC60947-1GB14048.2低压开关设备和控制设备

第2部分：低压断路器等同IEC60947-2GB14048.3低压开关设备和控制设备

第3部分：开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器等同IEC60947-3GB14048.4低压开关设备和控制设备

机电式接触器和电动机起动器等同IEC60947-4GB14048.5低压开关设备和控制设备

第5-1部分：控制电路电器和开关元件

机电式控制电路电器等同IEC60947-5-1GB14048.6低压开关设备和控制设备

接触器和电动机起动器

第2部分：交流半导体电动机控制器和起动器等同IEC60947-4-2GB/T14048.7低压开关设备和控制设备

第7.1部分：辅助电器

铜导体和接线端子排等同IEC60947-7-1GB/T14048.8低压开关设备和控制设备

第8.2部分：辅助电器

铜导体和保护导体接线端子排等同IEC60947-7-2GB/T14048.9低压开关设备和控制设备

多功能电器（设备）第2部分：控制与保护开关电器（设备）等同IEC60947-6-2GB/T140