材料加工设备与自动化第二章 工业电器、保护及控制.ppt

第二章工业电器、保护及控制,什么是电气化？,电器电气电气系统电气化？机器机械机械系统机械化？,什么是工业电器？,工业电器包括高压电器和低压电器。高压电器主要是指厂级变配电所6l0kV级的高压断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器、仪用互感器、母线、绝缘子等。低压电器主要是指220/380V级电网中用于控制和保护电动机、照明器具和低压线路用的低压断路器、熔断器、电流互感器、刀开关、交流接触器和热继电器等。在工业生产自动化系统中主要涉及工业低压电器。所谓工业低压电器通常是指交流电压1200V、直流1500V及以下配电和控制系统中的电器设备，工业生产电气系统是由各种电气设备按实际需要组合而成。工业低压电器对电能的产生、输送、分配起着开关、控制、保护、调节、检测及显示等作用。工业低压电器广泛应用于发电厂、变电所以及工矿企业、交通运输、民用等电力系统中。电能的80%以上是通过工业低压电器传送与分配的。为保证安全可靠地供电，必须正确地选用各种电气设备。本章着重介绍常用工业低压电气设备的结构、原理和选用方法。,实际的电机启动电路,接触器KM3主接触点闭合,2.1电器基本知识,电弧,电器中保证电流流通的导体间的联系称为电接触，开关电器用以接通和分断电路电流的部件，称为电触头。开关设备在接通和切断负荷电流时，在开关触头之间产生的强烈弧光称电弧。通常当触头间的电压不小于1020V，电流不小于80100mA时，在切断和接通电流的瞬间就会有电弧产生。当开关切断电流时，在其触头之间出现电压并形成电场，触头间电压越高，距离越小，则电场强度也越大。由于强电电场发射和随后发生的热电发射而在触头之间产生大量的电子和离子，并在强电场的作用下加速运动，使触头之间介质的气体分子产生碰撞游离，从而形成了电弧。由于电弧的温度很高，因而加剧了气体分子的游离作用，并维持了电弧的继续燃烧。电弧的主要特点是光亮很强和温度很高。由于它是高温高导电率的游离气体，一般可达3000以上，可能使开关触头熔化和蒸发(如铜在1080熔化)，或使触头附近的绝缘遭到破坏;电弧还可能引起弧光短路，导致火灾和爆炸事故。电弧的产生对电气设备的安全运行有着极大的影响。,灭弧与散热,工业电器在接通和分断电气线路时，不可避免地要产生电弧。电弧有直流电弧和交流电弧。直流电弧的熄灭主要是依靠拉长电弧和冷却电弧。速断灭弧法：电弧的燃烧必须有一定的电弧电压维持，如在开关触头断开时，加速触头分离，将电弧迅速拉长，从而降低了开关触头之间的电场强度，即减小了电弧单位长度的电压，并促使电弧冷却，电弧容易熄灭。这是最简便、最基本的灭弧法，常用于低压开关中。电接触触点温度升高会加剧其表面的化学反应，生成导电性能更差的氧化膜，增大接触电阻，形成恶性循环。绝缘在温度上升后，不仅寿命将缩短，甚至发生击穿。因此，工业电器在工作时始终要面临电弧和发热的问题，因此，在选择和应用电器设备时，应时刻注意工业电器的灭弧和散热，以避免发生电弧短路和过热现象。,工业低压电器的种类,工业低压电器根据它在电气线路中所处的地位和作用，可归纳为低压配电与保护电器(简称配电电器)和低压控制电器两大类。工业配电电器和控制电器在电路中所处的地位与作用不同，对它们的性能要求也有较大的差异。工业配电电器一般不需要频繁操作，对承担保护功能的配电电器应具有较高的分断能力。控制电器则一般不分断大电流，而其动作则相对频繁，有的需要较高生产率操作，因此要求控制电器有较高的机电操作寿命。,工业低压电器的种类,工业低压电器的种类,2.2低压断路器,低压断路器的作用和种类,低压断路器又称低压空气开关，主要用于配电线路和电气设备的开关以及过载、短路和失压保护等。由于其工作可靠，可快速恢复供电，保护特性多样，又可作电路开关，所以广泛地用于供电要求较高，且操作不太频繁的低压配电场合。,低压断路器的工作原理,低压断路器的保护作用是由各种脱扣器及其配合实现的。采用电磁式过电流脱扣器作瞬时过电流保护。这个动作是瞬时的(约0.02s)，所以电磁脱扣器又称瞬时脱扣器，常用作短路保护。采用双金属脱扣器作过电流保护元件。该动作具有长延时特性，所以又称长延时脱扣器，动作时间与过载系数等有关，用作过负载保护。失压脱扣器起失压保护。当线路电压正常时，失电压脱扣器产主的吸力足以将它的衔铁10吸合，当线路电压降到某一值时，切断主电路。其动作也是瞬时的（约0.02s）。分离脱扣器王要用于远距离操作和继电保护，使主电路切断。,1.触头；2.跳钩；3.搭钩(代表自由脱扣机构)；4.转铀；5.杠杆；6、11.弹簧；7.过流脱扣器；8.欠压脱扣器；9、10.衔铁；12.热脱扣器双金属片；13.加热电阻丝；14.分离脱扣器(远距离切除)；15.按钮；16.合闸电磁铁,漏电保护断路器的工作原理,电磁式电流动作型漏电保护断路器的原理是在塑壳低压断路器中增加一个能检测漏电电流的互感器4(又称零序电流互感器)和漏电脱扣器5。正常情况时，不论三相负荷是否平衡，通过零序电流互感器主电路的三相电流的相量和等于零，故互感器的二次侧无感应电动势；当负载出现漏电或人身触及相线(俗称火线)时，穿过电流互感器电流的相量和不等于零，电流互感器的二次侧就感应出信号电压，使漏电脱扣器动作，断路器快速断开，切断主电路，从而保护人身安全。漏电断路器的动作时间一般不大于0.1s。,低压断路器的作用和种类,常用的低压断路器主要有万能框架式(DW系列)和塑料外壳式（DZ系列）。万能式断路器是将所有部件都装在一个钢制框架（小容量的也有用塑料底板加金属支架构成)内，导电部件需增加绝缘，部件大都是可拆卸式，以便于装配和调整。结构变化方式较多，可有不同类型的脱扣器和操作机构。辅助触头的数量也可方便地按用户要求增加。一般选择型断路器，特别是大容量的断路器多为万能式，适合做主保护开关。塑料外壳式断路器的塑料外壳由基座和盖组成。所有零部件，诸如触头系统、灭弧室、操作机构、过电流脱扣器、辅助触头等都装在塑料基座中，其特点是结构紧凑简单，防护性能较好，可独立安装。这类断路器为非选择型的，宜用作配电支路负载端开关或电动机保护用开关。,低压断路器的选用,1.低压断路器配置方案的选择低压断路器作为开关和保护电器，在工业生产配电系统中得到十分广泛的应用，常见配置有三种：（1）刀开关+低压断路器（QK+QF）这种方式适用于从变压器二次侧引出低压母线或干线。刀开关(QK)起隔离开关的作用，以方便检修。低压断路器(QF)根据供电要求，可配三段或二段保护，也可采用限流型开关。（2）低压断路器十交流接触器十热继电器(QF十KM十KH)这种方式用途最广，可控制各种用电设备。低压断路器起开关和复式保护(瞬时脱扣器和长延时脱扣器)作用，具有短路保护和过负载保护功能；交流接触器用来控制电气设备的启停，可进行较频繁的操作；热继电器的动作电流可调，能够根据设备运转情况，在一定范围内整定，通常其整定值比低压断路器长延时脱扣器电流小些；失压保护由交流接触器完成。(3)熔断器十低压断路器(FU十QF)当低压断路器极限分断能力不足时，可以用这种配置。低压断路器只需装长延时脱扣器和失压脱扣器，起过负荷和失压保护。短路保护由熔断器完成，也可将熔断器换成刀熔开关。,低压断路器的选用,1.低压断路器配置方案的选择2.低压断路器额定电流的确定(1)断路器的额定工作电压等于或大于线路额定电压。(2)断路器的额定电流等于或大于线路计算负载电流。(3)断路器的额定短路通断能力等于或大于线路中可能出现的最大短路电流，一般按有效值计算。低压断路器瞬时脱扣器电流（INk）:INkKIpk(A)低压断路器长延时脱扣器电流（INt）:INtIc(A)式中:Ic_线路计算电流(A);IPk_线路尖峰电流(A);K_低压断路器可靠系数，对DW系列K=1.35，DZ系列K=1.72.0，对于供多台设备的干线可取K=l.3。,2.3低压保护电器,低压保护电器的种类,在工业生产自动化系统中，低压保护电器主要是熔断器和热继电器。熔断器是一种保护电器，当电流超过规定值并经过一定时间后，使熔体熔化，把其所接入的电路断开，可对电路和设备起短路和连续过载保护。热继电器是利用其发热元件，通过电流加热使双金属片弯曲，从而推动机构动作的自动保护电器，通常用于电动机或线路支线的过负荷保护，基本上适用于长期工作或短时工作制的轻载或一般负荷起动的电动机。对于反复短时工作制的电动机，热继电器的使用则有一定局限性。,熔断器的种类,工业生产配电系统中常用的低压熔断器：(1)有填料管式熔断器(RTO)RTO型有填料管式熔断器，是一种新型的低压熔断器，见图3-14。它主要有瓷管、铜熔体和触头底座部分组成。它的熔体熔断后，红色的熔断指示器弹出，便于维护检视。(2)RZl型低压自恢复式熔断器它既能切断短路电流，又能自动恢复供电，并且可以与低压断路器组合成一种新型电器。(3)RLS和RS3系列快速熔断器它主要用于硅半导体元件的短路和适当的过载保护。例如额定电流为100A的可控硅，当过载电流为4.5IN时，只允许过载一个周期(0.02s)。一般的熔断器动作时间最快也得2s左右，而快速熔断器可在0.02s内熔断。（4）民用熔断器在民用电器设备中的熔断器宜选用RL18系列螺旋式熔断器，它的断能高、体积小、易于使用。,熔断器的主要技术参数,（1）熔断器的安-秒特性曲线表示熔断器的通过电流和熔断时间规律的曲线称安-秒特性曲线，熔断器的安-秒特性曲线见图。熔断器在熔断过程中，其熔断时间与电流平方成反比。安-秒特性曲线不仅与熔体的材料形状有关，而且与安装条件、使用环境等有关。通过熔体的电流不大于其额定电流时，熔体不会熔断，只有在超过其额定电流并达到熔断电流时，熔体才会熔断。例如，当通过熔体的电流达到额定电流1.6倍，约以1h熔断;当电流达到2倍时，越340s后熔断；当达到810倍时，熔体则瞬间熔断。因此，熔断器对于保护短路故障是很有效的，但却不宜作电动机的过载保护。（2）熔断器额定电流熔断器的额定电流分为熔体的额定电流和熔断器（熔管）的额定电流。前者决定于熔体的最小熔断电流和熔体的材料及工作温度，后者决定于熔断器几个部分长期工作所允许的温升。(3)熔断器的极限分断能力熔断器的极限分断能力是指熔断器所能断开的最大短路电流值，它决定于熔断器的灭弧能力。,熔断器的选用,(1)熔断器类型的选择在工业生产中，电动机保护用的熔断器，容量不需要很大，也不要求能限流，所以宜采用具有锌质熔体和铅锡合金熔体的熔断器;用于配电线路保护的熔断器，一般要选用高分断能力的熔断器或具有限流作用的熔断器，如RTO系列熔断器，在采用熔断器较多时，最好选用具有熔断指示器的熔断器，如RL1、RTO等，以减少故障定位时间。(2)熔断器额定电流的确定与标注首先，应确定熔体额定电流IN。IN应同时满足工常工作电流(Ic)和起动尖峰电流(IPK)两个条件，即式中：K熔体计算系数，对电动机K=0.30.45。对配电线路K=0.50.6，熔断器的标注:RLl-30，20A，其中30表示熔断器(熔管)的额定电流为30A，20A表示该熔断器熔体的额定电流为20安培。,热继电器的结构,热继电器通常由加热元件、控制触点、动作和复位机构、电流调节等组成。热继电器接入被保护电动机的主电路中，当电动机发生过载时，主双金属片1受热弯曲推动导板2，并通过推杆19和杠杆20顶动拉簧10，使常闭触头3、4断开，分断交流接触器的线圈电路，使电动机断电而不致因过载烧毁。当电动机发生断相运转时，通过差动导板及推杆19的差动放大作用，加速了热继电器的动作，以达到断相保护。,l.主双金属片与加热元件；2.导板；3.常闭静触头；4.常闭动触头；5.常开动触头；6.常开静触头；7.动作指示件；8复位按钮；9.断开检验按钮；10.拉簧；11.电流调节旋钮；12.压簧；13.躯壳；14.调整螺钉；15.支承件；16.补偿双金属片；17.调节螺钉；18.摇架；19.推杆；20.杠杆,热继电器的选用,由于热继电器的发热时间常数一般都比电动机小，因此它的保护特性不易与电动机的发热特性相匹配。为了得到比较好的保护效果，应按电动机的工作环境、起动情况、负载性质来选择热继电器。（1）热继电器元件的额定电流IN式中：INm_为电动机的额定电流。（2）启动时间通常，电动机不宜频繁启动，且启动时间不超过6s，按额定电流选择的热继电器可满足启动时间要求，即在电动机启动过程中热继电器不动作。对重载启动，由于启动时间长，可选用JR9系列热继电器，其6INm的动作时间大于15s。对频繁启停的电机不宜使用一般型热继电器。在实际使用时，应根据电动机的实际电流、环境和季节温度的变化以及负荷变动情况调整热继电器动作电流，调整范围约为60%100%额定电流。在保证电动机正常运转的情况下，动作电流应整定小些。,2.4低压控制电器,低压控制电器,包括刀开关、交流接触器和起动器等民主要用来控制低压电动机、照明电路、电加热器具、电焊机和自动化装置等。,刀开关,又称闸刀，是手动电器中最简单而又广泛使用的一种低压电器，主要用来隔离电源，以确保线路和设备维修时的安全，也可以用于非频繁地接通、分断或转换容量不大的低压电器。常用刀开关的种类很多，如按操作方式可分为单投和双投，还可分为单极、杀极、三极、带灭弧罩和不带灭弧罩等。刀熔开关是由刀开关与低压熔断器组合而成的熔断器式刀开关。具有刀开关和熔断器的双重功能，经济实用，在低压配电屏上应用较多。低压负荷开关是由熔断器与带灭弧罩的刀开关串联组合而成，封装在金属外壳或绝缘外壳内(前者称封闭式铁壳开关HH型、后者称开启式负荷开关HK型)。它可以通断负荷电流，又能进行短路保护，操作方便，因此可以用在供电可靠性要求不高、负荷不大的低压电路中。转换开关是实现电路转换的电器，常用在控制和测量系统中。例如，使用转换开关能够完成小型电动机的在横反转控制及简单变极调速控制；转换开关与测量仪表配合使用，也可以用一个电压表或电流表测量三相电压或电流。,交流接触器,接触器是用来远距离接通和分断交流(或直流)主电路或大容量控制电路的开关电器。接触器与手动切换电器(如刀开关)的不同点在于可实现远距离操作功能和失压保护功能，且允许频繁地操作。接触器也不同于低压断路器，因它虽具有一定的过载能力，但不能自动切断短路电流，也不具备过负荷保护功能。由于接触器生产方便，成本低，通用性强，因此在工厂电气系统中得到广泛的应用。1.交流接触器是采用桥式触头来控制交流电路通断的。按主触头的极数可分为3极、4极、5极，其中3极应用最广;按有无灭弧装置分为两种。固态继电器在工业生产的应用也越来越多。固态继电器是由大功率可控硅组成的无触点、无电弧、可频繁操作的电力开关，主要用于自动秤、打包机、高速灌装机等需频繁启停的电动机控制。在这种场合下一般的交流接触器如CJl0、CJ20型等无法长期使用。,交流接触器的选用,交流接触器在不同场合下的操作条件存在很大差异，其额定工作电流或额定控制功率随使用条件，如额定工作电压、使用类别、操作频率、工作制等的不同而变化。只有根据不同使用条件正确选用其容量等级，才能保证接触器在控制系统中长期可靠地运行。（1）按电动机的额定功率或线路的计算电流选择接触器的等级，并根据安装场所的周围环境选择结构型式。（2）短路时的动、热稳定校验。线路的三相短路电流不应超过接触器允许的动、热稳定值。当使用接触器切断短路电流时，还应校验接触器的分断能力。（3）接触器电磁吸引线圈的额定电压、电流及辅助触点的数目，应满足控制回路的要求。（4）根据操作次序校验接触器所允许的操作频率。（5）交流接触器的标注。CJ20-16，380V。16表示交流接触器的额定电流为16A，380V表示该接触器的线圈电压为380V。,起动器,一般由通用交流接触器、热继电器或电子式综合保护器、按钮等元件按一定方式组合而成。用于普通电动机的起动和停止控制，也常用于单台较大功率电动机的降压起动控制。起动器可以装有欠电压继电器、瞬时电磁过载继电器或分励脱扣器;减压起动器则还有自耦减压变压器、电抗器等减压元件;有的减压起动器还装有自动转换中的欠电流继电器;手动起动器则无接触器而是用手柄经过凸轮机构带动触头来完成电路的通断和转换。起动器的工作原理是由接触器或触头组来接通、分断电动机电路。使电动机起动停转的。当电动机发生过电流或断相运行时，热继电器或电子式综合保护器动作，使接触器分断电路，保护电动机不会被烧毁。大多数起动器中一般末装设短路保护电器，因此起动器的主电路中通常还要加装具有保护短路功能的熔断器或低压断路器。,2.5电气线路,导线,工业电气线路按结构可分为架空线路和电缆线路。由于一般工业企业多属于中小型电力用户，厂区范围不大，主要是500V以下的低压线路和部分10kV高压线路。本节主要介绍低压电气线路的导线截面选择以及线路敷设方式。导线按结构特点可分为裸导线、绝缘电线和电缆。1.裸导线裸导线系指仅有导体(如铝、铜、钢等)不带绝缘和护层的导电线材。常见的裸导线有各种架空输电线路使用的绞线、软接线和型线。按其外观形态可分为单线、绞线和型线(包括型材)三类。绞线中用作输配电的架空导线，为裸电线的主要产品，约占总量的70%左右。单线有圆单线和扁线两种。主要用作各种电线电缆的导电体。,导线,1.裸导线单线有圆单线和扁线两种。主要用作各种电线电缆的导电体。绞线按其结构可分为4种:简单绞线由材质相同线径相等的圆单线同心绞制而成，主要用于对强度要求不高的架空导线。组合绞线由导电线材和增强线材组合同心绞制而成，主要用于对强度要求较高的架空导线。复绞线由材质相同线径相等的束(绞)股线同心绞制而成，性柔软，可用作仪表或电器设备的软接线。特种导线用于有特种使用要求的架空电力线路，如自阻尼导线可使导线减振；倍容量导线可增大线路的传输容量。在工厂供电系统中，最常用的是铝绞线、铜绞线和钢绞线以及钢芯铝绞线。型线常用的有硬铜母线（TMY）和硬铝母线（LMY）。主要作为变电所或配电屏的汇流母线，其截面多为矩形铜或铝板型材。,导线,1.裸导线2.绝缘电线绝缘电线是用铜或铝作导线，外层敷以绝缘材料的电线。常用绝缘材料是橡胶和塑料。聚氯乙烯塑料是固体绝缘材料，电气性能和耐水性能好、抗腐蚀、有一定的机械强度、制造简单，将逐步代替橡皮、棉纱等。尤其是在室内，已广泛地采用聚氯乙烯绝缘电线。在室外，可采用氯丁橡皮绝缘导线，其在耐日光、耐大气老化和耐低温等防的性能较好。3.电力电缆电缆是一种特殊的导线，它是将一根或数根绝缘导线组合成线芯，裹以相应的绝缘层(橡皮、纸或塑料，外面包上密闭护套(常为铝、铅或塑料等，这种导线称电缆。电缆通常分为电力电缆和电器装备用电缆(如软电缆和控制电缆)。在电力系统中，最常用的电缆有电力电缆和控制电缆两种。输配电能的电缆，称为电力电缆。控制电缆是用在保护、操作回路中来传导电流的。电缆一般由导电线芯、绝缘层和保护层三个主要部分组成，其截面结构如图。,导线的选择方法,导线截面的选择必须满足以下条件：（1）按发热条件选择导线在通过正常最大负荷电流（如计算电流）时，发热不应超过线芯允许的温度，否则将会因过热引起导线绝缘层损坏或加速老化。通常，橡皮、塑料（聚氯乙烯）绝缘的电线或电缆，其线芯允许长期温度均为65，裸铝、铜绞线和母线的长期允许温度为70。（2）按电压损耗条件选择导线在通过正常最大负荷电流(即计算电流)时，在线路上产生的电压损耗不应超过最大允许值，以保证供电质量。通常在正常运行情况下，电动机端子的电压偏移5%，照明系统要求5%。（3）按经济电流密度条件选择对高压输电线路和特大电流的低压线路，导线应按规定的经济电流密度选择，以使线路的年运行费用最小，节约电能和有色金属。（4）按机械强度条件选择为了防止断线，保证安全可靠运行，导线应有足够的机械强度。,导线的选择方法,导线截面的选择必须满足以下条件：（1）按发热条件选择（2）按电压损耗条件选择（3）按经济电流密度条件选择（4）按机械强度条件选择为了防止断线，保证安全可靠运行，导线应有足够的机械强度。对于工业生产企业，多为1000V以下的低压动力或照明线路，虽然线路不长，但因负荷电流较大。导线选择的一般原则宜为“按发热条件选择导线截面，按允许电压损耗校验”。对于