第二章《低压配电电器》讲义

第二章低压配电电器

低压配电电器是指低压配电系统(也称低压电网)或动力装置中，用来进行电能分配、完成接通和分断电路及对配电线路进行保护的电器。

配电电器主要有刀开关、组合开关、熔断器式刀开关、低压熔断器、低压断路器等。电器基本结构？

2.1常用低压电器的基本问题

低压电器的基本结构由电磁系统和触点系统组成。

一、电磁机构

电磁机构是电磁式电器的感测元件，它将电磁能转换为机械能，从而带动触点动作。

2.1.1 电磁机构的结构形式

电磁机构有电磁线圈（吸引线圈）、铁心及衔铁三部分组成。

由铁心和衔铁构成的磁路形状及衔铁运行方式的不同，以及线圈接入电路的方式不同，电磁机构可分成多种形式。

（1）按衔铁的运动方式分

1）衔铁绕棱角转动拍合式；

2）衔铁绕轴转动拍合式

3）衔铁直线运动--直动式

（2）按线圈的连接方式分

1）串联电磁机构

2）并联电磁机构

如何控制衔铁的动作：

（3）按电磁线圈的种类分

电磁线圈可分为直流线圈和交流线圈两种；

由该种线圈构成的电器则可分为：

直流低压电器和交流低压电器。

2.1.2 电磁机构的吸力特性

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示。

吸力特性是指电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线。

反力特性是指电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系曲线。

吸力特性

电磁机构的吸力特性随线圈电流种类（交流或直流）、线圈连接方式（串联或并联）的不同而不同。其近似计算公式为：

1）交流电磁机构的吸力特性

对于具体电压线圈的交流电磁机构，设外加电压U 不变，则:U ≈4.44fN

当频率f 、匝数N 和外加电压U 都为常数时，磁通也为常数；

虽然电磁机构的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙长度而变化，根据磁路定律： 交流电磁线圈的电流I 与气隙成正比，

交流电磁机构不适用的场合

如果衔铁卡住不能吸合，或者衔铁频繁动作，线圈可能因为过电流而烧毁。所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。

2）直流电磁机构的吸力特性

对于具有直流电压线圈的电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，即电流与气隙大小无关，则吸力F 正比于：

直流电磁机构的吸力特性曲线

衔铁闭合前后电磁吸力变化很大，由于电磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力较大，工作可靠性好

直流电磁机构线圈停电时的问题？ 2012F S B μ=021NI B H F μδδ

=∝∝

当直流电磁机构的电磁线圈断电时，由于磁通急剧变化，因而在线圈中会感应很大的反电动势，其值可达线圈额定电压的10-20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。为了减小此反电动势，一般在电磁线圈上并联一个放电回路，通常放电电阻的阻值取线圈直流电阻的6-8倍。

直流电磁线圈并联的放电回路

2.1.3 电磁机构的反力特性

为了使衔铁在线圈断电后能恢复到原来打开位置，在电磁式电器中都装有释放弹簧。

电磁机构的反力包括释放弹簧的反力、触点弹簧的反力以及运动部件的重力，反力特性曲线如图曲线3所示，

反力特性曲线

吸力特性与反力特性的配合

为了保证吸合过程中衔铁能可靠吸合，电磁吸力特性必须与反力特性配合好，如前图所示。在吸合过程中，吸力必须大于反力。但吸力不能过大，否则会使衔铁吸合时的运动速度过大，使衔铁与铁心柱端面造成严重磨损；

另外，过大的冲击力有可能使触点产生弹跳的现象。吸力也不能过小，否则会使衔铁吸合时的运动速度降低，难以保证高操作频率的要求。

如何实现吸力与反力特性的配合？

在实际应用中，可通过调节改变反力弹簧的松紧度来实现吸力特性与反力特性的适当配合。

交流电磁铁减少衔铁振动的方法

对于单相交流电磁机构，一般在铁心端面上安装一个用铜制成的分磁环(或称短路环)，就可消除衔铁的振动。

2.1.4 触点系统

触点是电磁式电器的执行元件，电器就是通过触点的工作来实现（通/断）被控制的电路。

1）触点的分类

触点的分类方法很多，可分为主触点和辅助触点，主触点用于通断主电路，辅助触点用于通断控制电路；

按其原始状态可分为常开触点和常闭触点，原始状态时断开，线圈通电后闭合的触点称为常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点称为常闭触点。按其结构形式可分为桥式触点和指形触点等；

桥式触点和指形触点

点接触、线接触和面接触

面接触触点的优点？

面接触触点在接触表面上镶有合金，接触电阻小抗磨损能力强，允许通过的电流大，常用于较大容量接触器的主触点；

线接触触点的优点？

线接触触点在通断过程中是滑动接触，这样，可以在通断过程中自动清除接触点表面的氧化膜，保证了触点的良好接触，

常用于通电次数多，电流较大的场合，如中等容量接触器的主触点。

线接触触点的接触过程

2）触点的接触电阻

由于触点的接触面不是理想的光滑表面，在接触时，实际接触的面积总是小于触点原有可接触面积，从而使接触区的导电性能变差。

这种由于动、静触点闭合时在过渡区域所形成的电阻，称为接触电阻。

减少接触电阻的方法

1)选用导电性好、耐磨性好的铜、银、镍及其合金材料做触点；

2)有时在铜触点表面电镀锡、银或镍；

3)还可在触点上装设接触弹簧，使触点接触紧密些；

2.1.5电弧的产生和常用灭弧方法

1）电弧的产生

当触点在分断电路时，如果触点之间的电压达12-20V、触点通过的电流达

0.25-1A，触点间隙内就会产生电弧。

电弧实际上是触点间气体在强电场作用下放电现象。

触点间隙气体放电现象

所谓气体放电，即触点间隙中的气体被游离而产生大量的电子和离子，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。

电流通过这个游离区时消耗电能转换为热能和光能，有可能产生高温并发出强光，使触点烧损，使电路的切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。

触点电弧对电器的影响

1)触点打开时，由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开；

2)电弧的温度很高，严重时可使触点熔化。

3)电弧向四周喷射，会引起电器和周围物质的损坏，还会造成相间短路，甚至造成火灾。

必须采取措施以加速可靠地熄灭电弧

2）常用灭弧方法 (1)灭弧栅灭弧

灭弧栅灭弧原理

灭弧栅由多片表面镀铜的薄钢片（称为栅片）制成，它们置于灭弧罩内的触点上方，彼此之间互相绝缘，片内距离为2-3㎜。一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片内，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，当交流电压过零时电弧自然熄灭。

电弧吸入灭弧栅栅片的切面图