电器学-第四章

电器学

第二篇低压电器

第四章低压控制电器作者：欧阳森EPCofSCUT注：该课件与上课PPT有较大差别考试以此为准2/5/20231低压电器概述80％的电能是以低压电的形式利用低压电器的作用对配电线路及其设备起保护(通断)、控制或调节作用；典型设备断路器：多功能电器，适用于过载、短路、欠电压等故障情况下，自动分段故障线路，也可用于不频繁地接通和分断电路线路。刀开关：用于维护线路时隔离电源用，有明显断口以保证维修工作的安全进行。接触器：远距离操作电器，用于在正常工作条件下频繁地接通和分断电路线路。熔断器：短路保护。热继电器：过载保护2/5/20232一、低压电器的主要类别1）按应用场所分类——配电电器和控制电器配电电器：特点：在正常工作及故障工作情况下可靠工作；要求：足够的热稳定和动稳定性；工作于：低压配电系统；具体：当低压配电电路正常运行对低压配电电器起通断和转换电源或负载的作用；当电路出现过裁、短路、欠压、失压、断相和漏电等不正常状态比低压配电电路应起保护作用，自动断开故障电路；因而对低压配电电器的主要技术要求是故障情况下通断能力大、工作可靠、具有多种保护方式、能作选择性保护、有足够的动稳定性和热稳定性等。低压配电电器主要有低压断路器、熔断器、刀开关和转换开关，以及电力网用保护继电器。2/5/20233一、低压电器的主要类别控制电器：特点：在正常工作条件下可靠工作；要求：操作频繁，电寿命长；工作于：电力拖动控制系统。具体：电力拖动控制系统对低压控制电器的主要要求是工作准确可靠、操作频率高、机械寿命和电气寿命长，尺寸小等；低压控制电器应能接通与分断过载电流，但不能分断短路电源；常用低压控制电器有接触器、控制继电器、主令电器、控制器、接口电器、驱动(执行)电器和显示、报警电器、变阻器和电磁铁等。2/5/20234二、系统对开关电器的要求（一）

配电电器的通断能力和通断条件低压配电系统最严重的故障：短路对低压电器的要求：可靠分断、接通；动作快速电器的额定接通能力——短路冲击电流值，即短路电流的最大峰值原因：电流产生的电动力使触头斥开，甚至导致触头熔焊另一个概念：额定短路接通能力，即最大预期短路电流的峰值具体定义：P117，额定电压、频率、功率因数/时间常数下断路器能接通的电流值。

一般用额定短路分断电流IC乘上峰值系数n来表示电器的额定分断能力2/5/20235（一）

配电电器的通断能力和通断条件表II-2接通/分断能力受功率因数/时间常数影响的原因：线路电抗XΣ对电阻RΣ的比值越大，功率因数越小，则：1）短路冲击电流越大——接通能力要求越高2）工频恢复电压变大，导致恢复电压的振荡过程，造成熄弧困难——分断要求更高2/5/20236（一）

控制电器的通断能力和通断条件控制电器的特点：操作频繁；电寿命要求长；使用范围受限。 因为要使控制电器既能适应各种负载情况，又要具有高的操作频率和电寿命是较不经济的。控制电器：控制用电设备在正常工作条件下的通电和断电。背景：不同的用电设备在接通和分断时的情况各不相同，对控制电器的通断能力提出高要求。电阻性负载： 起动电流和工作电流基本相同；绕线电动机负载：起动电流为额定电流的2.5倍；笼型电动机负载：起动电流为额定电流的6倍；2/5/20237（一）

控制电器的通断能力和通断条件电机分断电压与负载的关系电机转子绕组的感应电势EE∞转速结论：正常运行电机分断时，电弧易熄灭刚启动电机则相反控制电器的触头两端电压：U=UN－E2/5/20238三、动热稳定性要求背景：线路发生短路故障到线路被（相应自动配电电器）切断过程中，由于受到短路电流的作用，电器的动稳定性和热稳定性要求被提出来动稳定性：电器承受短路电流的电动力而不致损坏的能力。电动力∞电流平方用冲击电流来表示动稳定性注意交、直流电取值的不同交流：冲击电流值（峰值）直流：短路电流最大值电流时间：0.1s2/5/20239三、动热稳定性要求热稳定性：电器承受规定时间内短路电流产生的热效应而不致损坏的能力。短路电流=周期分量＋非周期分量计算短路电流的发热，可不记入电流的非周期分量。原因：时间常数通常在0.01s，非周期分量不到0.03s就消失了。热稳定性用短路电流周期分量的有效值来表示，则：I2t

（1s时间）热稳定电流的换算2/5/202310（三）保护性能总的来说集中在几方面：过电流保护欠压和失压保护断相保护漏电保护例如：断路器(自动开关)——多种保护熔断器——短路保护热继电器——过载保护2/5/2023111.

过电流保护过电流现象：短路、过载特点：低压系统最常见的故障，会导致设备温升过高，减少设备使用寿命。过电流保护特性：保护电器动作时间t与通过它的电流I的函数关系，t=f(I)，t=f(I/IN)。动作时间t：过电流开始到切除故障所需的时间。2/5/2023121.

过电流保护关键：保护特性能与被保护设备的过载热特性配合；快速、可靠地切断故障线路。注意：快速切断能力是基于“配合”基础上，而非首要要求（要选择性开断）。选择性开断通过不同的保护电器对不同的电流进行不同的时间动作值的设置尽可能使停电面积和停电时间最少2/5/2023131.

过电流保护特性配合反时限保护特性动作值越大，动作时间越小例子1：电动机的过载保护特性（过载大小与允许工作时间的关系）图II－1保护特性确定要点：平衡：过载能力和发热允许值临界动作电流：电器动作的最小电流2/5/2023141.

过电流保护断路器的构成：脱扣器系统、触头系统、支架和框架。电磁式断路器的保护特性靠各种脱扣器来实现，如过电流脱扣器、欠压脱扣器等，可参见P160图5－11智能脱扣器则靠（基于单片机的）智能脱扣器来实现以前多个电磁、机械式脱扣器的功能。断路器的保护特性（多种保护性能）：短路和过载保护，选择性保护，欠压、失压保护等等。图II－2：两段式、三段式保护特性反时限保护：用于过载保护；瞬时动作特性：用于短路保护；短延时动作特性：带有短延时（定时限）的短路保护；t0I/IN2/5/202315保护特性的配合背景：不同的负载需要不同的保护特性，即多个保护电器在不同电压线路中的特性配合例子：图II－3配合目的：缩小故障范围，最大限度地保证配电系统的供电故障时，电器对下级设备的快速保护原则A.与被保护对象的特性配合B.保护电器之间的特性配合要点：1）上下级动作电流满足分级要求2）上下级动作时间满足分级要求3）上级电器对下级电器的后备保护t0I/IN2/5/2023162.欠压和失压保护现象：欠压——短暂时间内线路中的电压大幅度降低失压——短暂时间内线路中的电压消失原因：短路故障、系统故障、负荷突增等。危害：设备的非正常运行；电压恢复时，非预期的设备自启动；现代生产、生活对电能质量的高要求；2/5/2023172.欠压和失压保护临界电压：引起电机疲倒时的电源电压。欠压保护：电压降到一定程度，电机会疲倒、堵转，大批电机同时出现几倍的过电流，故障迅速扩大线路电压降低到临界电压时电器所进行的动作失压保护：线路电压低于或甚低于临界电压时，保护电器的动作；

防止电压恢复后电机的自启动2/5/202318电动机临界电压的分析：图II－4感应电机转矩∞(电源电压)2最大转矩的转差率与电源电压变化无关恒定阻转矩的负载机械特性——曲线4(假定)额定电压时电机的机械特性——曲线1——交点N电压降低时电机的机械特性——曲线2——交点H临界电压时电机的机械特性——曲线3——交点KN->H->K：电机转速降低，而转差率s增大K点为不稳定点，此时欠压保护应该迅速动作2/5/202319电动机临界电压的分析：图II－4相关公式的推导——电机学回顾负载转矩恒为Tfz；额定电压UN时最大转矩为Tm；临界电压Uli时最大转矩为Tfz；得到：经验结论：欠压保护动作的电压值：0.35~0.7UN失压保护：能在零压释放即可2/5/2023203.断相保护背景：单相运转是三相感应电动机烧坏的主要原因之一原因：电源线；熔断器、断路器、接触器等各种设备的故障导致某相开路。熔断器单相熔断电源线或电机单相断线电机绕组接线松脱刀开关等接触不良变压器一次侧开路等2/5/2023213.断相保护星形接法三相电机单相断相合成力矩小启动转矩T＝0后果：1）电动机有用转矩减小；2）绕组电流增加以维持负荷功率因数降低，铜耗增加；3）铁损增加有可能由于定、转子温升增高而烧毁电动机。保护方法采用三极热继电器2/5/2023223.断相保护三角形接法图II－5正常的相电流I与线电流Ix的关系：断相的相电流根据电阻按比例分配，单个线圈为2Ix/3，串联的两个线圈为Ix/3——最大增加1.15倍断相时线电流小于热继电器动作电流保护方法：则需认真考虑，附加其它组件(P136图4－20)2/5/2023234.漏电保护触电危害——电流流过的人体部位、电流大小、持续时间等相关主要原因：使心脏不能有节律地进行整体收缩，即心室颤动。经验值： 30－50mA 数分钟

50－几百mA

几个心脏脉动周期安全临界值：30mA·s漏电保护电器的设计依据

400V以下低压配电网中性点接地方式：经电阻接地10kV配电网中性点接地方式：经消弧线圈，或改进形式为综合考虑消弧线圈动作原理、选线装置原理，需要作特性配合2/5/202324第四章低压控制电器主要控制对象：电动机、泵类、变频设备等控制要求：频繁的起、停、转向操作对控制电器的基本要求：操作频率高、工作准确可靠、使用寿命长、体积小、重量轻。种类：控制继电器、接触器、起动器、控制器、主令电器、电阻器、变阻器、电磁铁等。2/5/202325低压控制电器的主要作用控制继电器：控制，主电路的保护接触器：远动，频繁操作起动器：电机起、停、转向，过载保护双金属元件：热感应单元，即“输入”部分其它：控制器：转换接线、变更参数主令电器：如按钮、行程开关等电阻器：恒定阻值变阻器：阻值改变，如起动电阻器电磁铁：电磁能——>机械能2/5/2023264.2主令电器主令电器是用来开闭控制电路，以实现对其他电器(通常为电磁机构的线圈)发出控制指令的电器。其特点①它是由人工或物件位置操动的非自动电器，是在一个控制程序中首发控制指令的电器；②开闭的电流小(5A以下)，没有灭弧的专门要求；③多为双断点桥式触点；④属低压电器。2/5/2023274.3

控制继电器适用：远距离闭合和断开交直流小容量控制电路，用作控制和保护或信号转换。输入信号：电压、电流等电量信号；温度、压力、速度等动作信号。概念：动作值、返回值。图4－52/5/2023284.3控制继电器结构：不具备灭弧系统；分类：电压继电器——反映输入电压的变化而动作中间继电器电流继电器——电流时间继电器——执行的延迟性热继电器——过载保护温度继电器——过热保护、温度控制速度继电器——电机转速和转向的监测2/5/2023294.3控制继电器图4－8继电特性图4－5电磁式继电器的影响参数电磁吸力与电流的关系：F∞I2用力矩表示，有M∞I2则不同的动作电流对应不同的吸力矩，式4－1：(M1/M2)＝(Ic1/Ic2)2

2/5/2023304.3控制继电器二）返回系数目的：了解返回系数与继电器反力特性的关系系数与吸力特性关系的推导过程：P129图4－9动作电流Ic对应的曲线F上返回电流If对应的曲线F下由上，可知返回系数有（式4－3）注意：由于返回值是一定的（曲线F3）则：要使返回系数增大，必须减小吸力特性和反力特性的差异（减小F’）。2/5/2023314.3控制继电器返回系数与F’的关系：推导过程P129－130推导过程：图4－10释放位置上，两个动作电流与两个反力的比例关系：式4-3与4-4之间同理，衔铁返回(吸合)位置上的反力与电流关系：则式4－4：结论：减小F’，则返回系数增大。2/5/2023323）动作时间提高继电器返回系数的方法：P130调整整定值；一般方法：1）使吸力特性和反力特性合理配合(尽量接近)；2）减小工作行程。共同点：使吸力特性和反力特性尽量接近2/5/2023334）消耗功率和灵敏度消耗功率：减少匝数有助于减小功耗但灵敏度越高，所要求消耗的功率越小灵敏度和控制容量：互相制约关系

2/5/202334三）动作时间分类：快动作（<0.05s）、延时动作（>0.2s）和正常动作定义：动作时间＝触动时间＋运动时间触动时间：P32由电路平衡方程式：推导得到（4－6）：运动时间式4－7结论：继电器动作时间与很多参数相关2/5/202335五、时间继电器定义：从接受信号到执行元件动作具有一定时间间隔的继电器。原理：根据线圈切断电源后磁系统中磁通缓慢衰减的原理工作。利用磁系统的衔铁由吸合位置到释放的过程获得延时。种类：电磁式、钟表式、气囊式、电子式、数字式2/5/202336五、时间继电器电磁式时间继电器靠非磁性垫片来控制延时时间：从线圈短接到磁通衰减到释放磁通不同厚度非磁性垫片对延时的影响图4－12剩磁越大，延时稳定性越差结论：增大非磁性垫片(气隙)，有助于减小剩磁2/5/202337时间继电器调整延时的方法1）线圈短接；图4－11剩余磁通——影响延时时间的稳定性；剩磁越大，延时调整范围越小——△t1、△t2选矫顽力小的磁性材料(使剩磁磁通小)曲线1<曲线2——剩磁Φs1<Φs22）非磁性垫片——粗调；图4－12增大工作气隙，减小剩磁——防止衔铁不能可靠释放材料：磷青铜片只能粗调延时3）改变反作用弹簧的反力——细调；4）阻尼筒使磁通缓慢地减小，增大延时T＝L/R——铜、铝等其他温升和电压波动等2/5/202338热继电器P134形式双金属片式热敏电阻式易熔合金式双金属片结构图4－16热元件的加热方式图4－17直接、间接复合互感器2/5/202339热继电器P136补偿双金属片的作用图4－18补偿温度变化机械传动断相保护机构图4－20单相、双相、三相故障都会