电器理论基础演示

电器理论基础演示1第一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一电器理论基础乐清市工业电器工程师培训讲义演示版刘二00八年八月让2第二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一电器理论基础

电器的发热和电动力电接触与电弧理论电磁机构理论什么是电器？什么是电气设备？三大内容3第三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第一章电器的发热与电动力第一节电器中的基本热源

一电器在工作中的能量损耗

（1）“铜损”，即电流在导体电阻中的损耗；

电阻温度系数（TCR）表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化，定义式如下：

铜：α0.0043（1/234.5)银：0.0038铝：0.004290℃时ρ：电阻率，是温度的函数4第四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

在通过交流时，损耗将加大，存在集肤效应和临近效应邻近效应集肤效应对铜略去高次项可以这样计算电阻5第五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一（3）“介损”，即绝缘材料在电场作用下产生的损耗。

以上这些损耗都转换为热能，使电气设备的温度升高。

（2）“铁损”，即在导体周围的金属构件中产生的磁滞和涡流损耗；直流无此损耗直流无此损耗式中6第六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

第二节电器的允许温度和温升

一电气设备工作时的发热及不良影响

电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短时发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，从而产生不良的影响。（1）机械强度下降。铜软化点为180℃

（2）接触电阻增加。铜ρ20=0.0175氧化亚铜Cu2Oρ=5×

（3）绝缘性能下降。对变压器而言温度每变化6℃，绝缘材料老化寿命降低一半或提高一倍。

7第七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一二绝缘材料的耐热等级耐热等级极限温度/℃绝缘材料示例Y90未浸渍的棉纱、丝、纸等A105浸渍过或浸在液态中的棉纱、丝、纸等E120合成有机薄膜、合成有机磁漆等B130云母、玻璃纤维、石棉等F155以适当的树脂粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等H180以硅有机树脂、浸渍或覆盖的云母、玻璃纤维、石棉等C＞180以适当的树脂（热稳定特别优良的硅有机树脂）粘合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等温升一个电器的允许温升是由构成它的最低允许温升的材料所决定的周围空气温度不超过+40℃且其在24小时内平均温度值不超过+35℃

8第八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第三节散热和综合散热系数

一散热方式

散热的过程实质是热量的传递过程，其形式一般有三种:

（1）导热。使热量由高温区传至低温区。（2）对流。在气体中，各部分气体发生相对位移将热量带走的过程。（3）辐射。热量从高温以热射线方式传至低温物体的传播

9第九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一二综合散热系数综合散热系数对于矩形截面导线对于园形截面导线发热体和周围介质的温度系数，见书上表1－4温升为1K的物体每秒钟经由每平方米面积所散发的热量计算综合散热系数可用下列经验公式10第十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一艾萨克·牛顿（IsaacNewton1642.12.25—1727.3.20.）

英国物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家

11第十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第四节电器的发热计算和牛顿公式左端为热源在dt时间内产生的热量，右端第一项为使发热体升温的热量；第二项为散失到周围介质中的热量。发热功率比热容质量为一公斤的物体，温度升高1K所需的热量1焦耳＝W·s＝瓦特·秒＝0.24卡物体质量

kg综合表面散热系数散热面积温升

K12第十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一解方程得发热体的温升公式：式中

发热体的发热时间常数

单位秒（s）

取决于具体问题初始条件的积分常数T也可以理解为在绝热情况下，发热体到达稳定温升所需要的时间13第十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一自然对数的底ee同圆周率一样，是个常数,是一个无理数。

e这个符号由瑞士数学家欧拉(LeonhardEuier1707-1783)在1727年首先引入的。.

e为底数，许多式子都是最简单的，用它是最“自然”的，所以叫“自然对数”，因而在涉及对数运算的计算中一般使用它，是一个数学符号，没有很具体的意义。

e值是这样定义的：

当n→∞时，(1+1/n)n次方的极限。

它也是一个级数和的代码,

e=1+1/1!+1/2!+1/3!+1/4!+......+1/n!+.......=2.718281828459045.......随着n的增大，底数越来越接近1，而指数n趋向无穷大，那结果到底是趋向于1还是无穷大呢？其实，是趋向于2.718281828……这个无限不循环小数。14第十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一讨论牛顿公式：温升将达到其稳定温升12

当当

时对某导体来讲，稳定温升是随通过的电流而变化的。15第十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一3

如果电器在接通电源前已经有初始温升方程式解为结论：建立稳态发热过程需要4T或5T的时间发热和冷却的时间常数相同16第十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一4电器的冷却

电器脱离电源后就开始冷却，由于发热体不再吸收能量，公式可改写成：其解为由于冷却方程式为

5曲线分析17第十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一发热曲线和冷却曲线互为镜像；冷却时在T时，物体的温升为由0点作曲线的切线，交于稳定温升曲线，由此点作垂线，得到T和0.632有初始温升时18第十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第五节电器的工作制和发热长期工作制(八小时工作制、不间断工作制）：可以达到稳定温升通电时间≥4T短时工作制：通电时间不足以达到稳定温升，断电能完全冷却，通电时间＜4T，断电时间≥4T反复短时工作制（断续周期工作制）：通电和断电时间均＜4T通电持续率TD电流过载系数功率过载系数19第十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一1长期或八小时工作制2大于额定电流的温升曲线反复短时工作制20第二十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一导体长期通过电流Ⅰ时,稳定温升为

导体的稳定温升，与电流的平方和导体材料的电阻成正比，而与综合散热系数和散热面积成反比。由此可知：四提高导体载流量的措施21第二十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

在工程实践中，为了保证配电装置的安全和提高经济效益，应采取措施提高导体的载流量。常用的措施有（1）减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比，故减小导体电阻可以有效的提高导体载流量。减小导体电阻的方法。①采用电阻率(ρ)小的材料作导体，如铜、铝合等；②减小导体的接触电阻（Rj)；③增大导体的截面积(S)但随着截面积的增加，往往集肤效应也跟着增加，所以单条导体的截面积不宜做得过大，如矩形截面铝导体，单条导体的最大截面积不超过1250mm2。22第二十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

（2）增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积（A）成正比，所以导体宜采用周边最大的截面形式，如矩形截面、槽形截面等，并采用有利于增大散热面积的方式布置，如矩形导体竖放。（3）提高综合散热系数。提高综合散热系数的方法主要有：①加强冷却。如改善通风条件或采取强制通风，采用专用的冷却介质，如SF6气体、冷却水等；②室内裸导体表面涂漆。利用漆的辐射系数大的特点，提高换热系数，以加强散热，提高导体载流量。表面涂漆还便于识别相序。23第二十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一五热稳定短路电流作用时间很短，

所以短路过程是全部热量用以使导体升温的绝热过程

电器的热稳定性以热稳定电流的平方与短路电流持续时间的乘积来表示。根据已知短路电流、起始温度和短路持续时间，校核已知截面的导体的最高温度是否超过规定的允许温度。2根据已知短路电流、起始温度和短路持续时间和材料的允许温度，确定导体的截面积。热稳定问题就是要解决以下下问题：24第二十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第六节电动力左手定则电动机带电导体在磁场中的受力右手定则发电机导体在磁场中运动切割磁力线，在导体中感应出电动势（电流）右手螺旋定则确定环形线圈和U形导线的磁力线方向电动力的优缺点25第二十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一环形导体所受电动力26第二十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一27第二十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一28第二十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一一两平行导体间电动力的计算

1.两根平行载流导体间的作用力当两个平行导体通过电流时，由于磁场相互作用而产生电动力，电动力的方向与所通过的电流的方向有关。如图所示，当电流的方向相反时，导体间产生斥力；而当电流方向相同时，则产生吸力。29第二十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一2.两根导体间的电动力

细长圆截面导体，无限长度且平行导体间的电动力根据比奥——沙瓦定律，导体间的电动力为

式中

分别通过两平行导体的电流（A）；

该段导体的长度（m）电动力作用的线段两平行导体的距离(m)回路系数真空磁导率除铁磁物质外，其他材料都取此值30第三十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一特殊情况下如两根导线长度相等则31第三十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

二正弦交流电产生的电动力

单相交流电的电动力随时间作脉动变化，大小变化而方向不变，脉动频率为电流频率的2倍。当电流为零时，电动力也为零。电流最大时，电动力也为最大。在单相回路中，两导线的电流方向相反，所以导体间产生互相排斥的电动力三三相交流电产生的电动力各相所承受的电动力均是交变的，其频率为电源频率的2倍，电动力的大小及方向均随时间变化。中间相导体承受的最大电动力为A相或B相的1.07倍(0.866/0.81)四短路电流产生的电动力1单相短路电动力随时间变化，但是方向不变。32第三十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

2三相对称短路两边相导体受到斥力，中间相向左向右的最大电动力相等，但是达到最大值的时间不同。三相导体直列分布时，若发生三相对称短路，则以中间相受电动力最大，在同一周期性分量电流下，若发生单相短路，其最大电动力要比三相对称短路的电动力大。

33第三十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

在同一系统中，同一点的单相短路电流小于该点的三相短路电流，所以两相短路时最大电动力小于同一地点三相短路时的最大电动力，故要用三相短路时的最大电动力校验电气设备的动稳定。

五电器的电动稳定性

电器在短路时耐受短路电流的作用、不致产生永久变形或遭到机械损伤的能力。注意34第三十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第二章电弧理论和电接触

第一节电弧的产生

一电弧产生的条件电压12－20V；电流0.25－1A；一定的气隙；二触头开断和闭合都可产生电弧

第二节电弧的特性和方程

一电弧的电压方程近阴极区电压降；近阳极区电降；弧柱电降电弧电压两近极区的电压降基本不变弧柱区内的电场强度E近似恒值弧柱区长度35第三十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一电压电流低于表中数值时，开断时只能产生一为时极短的弧光放电即火花36第三十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一37第三十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第二节直流电弧及其熄灭电压平衡方程式38第三十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一39第三十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一A点不是稳定燃弧点，B点是电路稳态工作点。要熄灭电弧就必须消除稳定燃弧点。1拉长电弧或进行人工冷却：增大弧柱电阻，提高电弧伏安特性向上移。2增大近极区电压降：加栅片，电弧进入栅片区被分成熄灭直流电弧的方法把电弧分割成若干短弧，电弧电压降为

n为栅片数，这比无栅片时增大了电弧的伏安特性也上移3增大弧柱电场强度：增大气体介质的压强、增大电弧与介质的相对运动等二熄灭直流电弧的方法40第四十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第二节交流电弧及其熄灭一交流电弧的特点1电流会自然过零2过零后电弧间隙内的绝缘介质强度的恢复3弧隙电压恢复过程二介质恢复过程极性转换后，新的阴极区可以获得150－250V的介质强度，利用这个近阴极效应可以灭弧，短弧灭弧原理。三弧隙电压恢复过程电流过零后，弧隙两端的电压将由零向反方向的电弧电压上升，这个过程为电压恢复过程。恢复电压的大小和速度和电路参数有关介质恢复速度＞弧隙电压恢复速度电弧熄灭四灭弧装置41第四十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一42第四十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一43第四十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一44第四十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一45第四十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一46第四十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一47第四十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一48第四十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一49第四十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一50第五十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一提高灭弧装置开断能力的辅助方法51第五十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一52第五十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第三节电接触电接触分类固定接触滚动和滑动接触可分、合接触(换接触头)工作任务最重的接触换接触头的基本参数开距、超程、初压力、终压力触头的接触电阻1接触电阻的成因收缩电阻和表面膜电阻2电接触导致接触电阻增加，计算接触电阻的经验公式与触头材料、接触面加工情况以及表面状况有关的系数（书上表2－3）接触压力N与接触形式有关的系数（见教材）

电接触理论主要研究接触电阻、温升、熔焊和磨损等几个重要现象的机理和计算问题53第五十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一四闭合状态下的触头：考虑温升和电动斥力触头的接通和分断

1触头接通时的弹跳弹跳是触头磨损和粘接的重要原因减小动触头的质量和闭合速度、增大初压力，对减轻触头振动是有益的。

2触头分断时由于电弧造成的材料损失是触头磨损的主要原因。如银及银合金的最大磨损量为触头原厚度的1/3—3/4。这与超程大小有关。触头闭合时的第一次弹跳时间计算：54第五十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一六触头电动力的补偿55第五十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第四节导电膏和触头材料一栓(固定)连接（母线之间连接）1化学腐蚀，产生氧化膜2电化学腐蚀，原电池作用以上都使接触电阻加大3搪锡或镀锡二导电膏是由金属粉末和有机油混合物，电阻率高导电膏的作用：1除膜作用2密封作用3隧道效应导电作用三触头材料由分析可知接触电阻、接触电压、触头温升、触头振动、触头电动力、触头熔焊、触头磨损等都与触头材料的特性有关。56第五十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一57第五十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一58第五十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一59第五十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一60第六十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一1、定义：

弹簧刚度是指使弹簧产生单位变形的载荷，用K和KT分别表示拉（压）弹簧的刚度与扭转弹簧的刚度，其表达式如下：

对于拉压弹簧

对于扭转弹簧

其中：F---弹簧轴向拉（压）力；

λ---弹簧轴向伸长量或压缩量；

T---扭转弹簧的扭矩；

ø---扭转弹簧的扭转角。

2、弹簧刚度与弹簧特性的关系

图a）所示的直线型弹簧，其刚度为一常数。这种弹簧的特性曲线越陡，弹簧刚度相应愈大，即弹簧愈硬；反之则愈软。

图b）所示的弹簧特性曲线为刚度渐增型，即弹簧随变形量的增大其刚度越大，且在最大或冲击载荷作用时，仍具有较好的缓冲减振性能，故多使用弹簧特性曲线具有该型曲线的走向。

图c）所示弹簧特性曲线为刚度渐减型，即弹簧刚度随变形的增大而越小。为了在冲击动能一定时，获得较小冲击力，则应使用具有刚度渐减型特性曲线的弹簧为宜。

弹簧的刚度61第六十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一

(1)由于磁导体的相对磁导率μ通常并非常数，而是磁感应强度B(因而也就是磁通φ)的函数，故在一般场合，磁路是非线性的。(2)电路问题中虽然也有泄漏电流，但由于电导体与电介质的电导率相差极大(其比值高达)，故在非高电压及非高频场合，忽略漏泄电流对工程计算结果几乎没有影响。磁路则不然。磁导体与一般媒质的磁导率比值，通常只有。因此，忽略漏磁通有时会给工程计算结果带来相当大的误差。(3)电流和漏泄电流在电阻上要产生电一热能的转换，而磁通和漏磁通并不会在磁阻上进行磁能与热能的转换，即它们不会产生焦耳热损耗。(4)磁导体外部(如工作气隙和漏磁通的路径)的磁通管的几何参数一般均属未知，故与它相关的磁路参数(如工作气隙的磁导和漏磁寻)均应根据磁场的基本性质和基本定律来确定。(5)由于必须考虑漏磁通，磁路中的磁势和磁阻等，都是分布参数，所以磁路是分布参数性质的路。此外，磁路与电路的物理性质还有着本质上的差异。例如，电路是带电粒子实际的运动路径，其的确有带电粒子在作定向运动；磁路和磁通则只不过是人们借以分析磁场问题的一种手段而已，因为并没有实体的磁通，更谈不上它的“流动”。磁路计算是很复杂的，这里仅就磁路和电路的区别作一介绍62第六十二页，共八十四页，编辑于2023年，星期一第三章电磁机构理论电磁机构由磁系统（衔铁、铁芯、气隙、弹簧）和励磁线圈组成。电磁机构具有能量转换和控制两个方面的作用。

第一节电磁机构的特性一基本特性：63第六十三页，共八十四页，编辑于2023年，星期一机械特性是电磁机构的负载特性，是电磁机构设计的依据。64第六十四页，共八十四页，编辑于2023年，星期一吸力特性；

它是电磁系统的电磁吸力F与衔铁的机械行程δ之间的关系。在电路参数保持不变的稳态过程中得到的吸力特性称为静态吸力特性，它也称为静特性或简称吸力特性。在考虑了电路参数在过渡过程中的变化后得到的吸力特性称为动态吸力特性或动特性。反力特性：

反力弹簧或其他反力装置作用于衔铁的反作用力Ff与衔铁行程δ的关系称为电磁系统的反力特性。65第六十五页，共八十四页，编辑于2023年，星期一电磁机构的反力特性1反力不随气隙变化而变化直动式衔铁的重力；2反力随气隙直线变化预压力的弹簧；3反力随气隙成折线变化带触头和弹簧的电器66第六十六页，共八十四页，编辑于2023年，星期一δ力矩不变，归化到铁芯中心二反力特性的计算67第六十七页，共八十四页，编辑于2023年，星期一电磁机构的吸力计算电磁机构的线圈获得的能量转换成消耗在电路中的能量和转换成磁能。磁链指的是通过线圈的磁通量与线圈匝数的乘积

磁势=电流×线圈匝数=I×NI是电流N是匝数

磁链=磁通×线匝圈数=φ×Nφ是磁通N是匝数2麦克斯韦的电磁力计算公式（适用于小气隙）68第六十八页，共八十四页，编辑于2023年，星期一3各种电磁机构的静态吸力特性A

转动式U型电磁机构B转动式E型电磁机构电磁吸力也比U型的陡峭。恒磁势（直流）曲线1恒磁链（交流）曲线2恒磁势（直流）曲线1恒磁链（交流）曲线269第六十九页，共八十四页，编辑于2023年，星期一D直动式E型电磁机构电磁吸力比U型的大，在直流时更为明显C

直动式U型电磁机构恒磁势（直流）恒磁链（交流）电磁吸力是和工作气隙磁通的平方成正比和气隙平方成反比直流比交流曲线陡，直动式的吸力比拍合式大70第七十页，共八十四页，编辑于2023年，星期一1直流磁路：

（1）并联线圈（电压线圈）：当外加电压一定时，电阻不变，线圈中的电流是一定的，也即线圈的磁势()是一定的，不随工作气隙变化而变化。

（2）串联线圈（电流线圈）：线圈本身电阻很小，线圈电流等于负载电流，故线圈电流也不随工作气隙变化而变化。因此直流电磁系统称为恒磁势系统。2交流磁路：

（1）并联线圈：线圈的电压、电流都是交变的，故磁势、磁通、磁通密度及磁场强度等均是交变的。E：线圈中的感应电势（反电动势）由于电阻较小，电阻压降可以忽略线圈电压一定，频率一定时，基本上是恒定的，不随气隙变化。因此是恒磁链系统。（2）串联线圈：线圈电流不随工作气隙变化，因此是恒磁势系统。四恒磁势和恒磁链71第七十一页，共八十四页，编辑于2023年，星期一注意点：

交流并联系统的线圈的磁链不随工作气隙的大小变化，其磁路中的磁通也基本上不随工作气隙的大小变化，但是在工作气