第2章 电器的基本知识

本章重点

掌握电器的分类，电磁式电器的定义、工作原理、结构及组成各部分的相关知识，电弧的产生条件、实质、危害和分类以及灭弧措施。什么是电器？

电器——电气器具。电气(电）——能发热，发光，产生动力，重要能源。电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电工装置。电器——一种能控制电的工具。

2.1电器概述2.1.1电器的分类1.按工作电压等级分低压电器：工作电压在交流1200V或直流1500V以下的各种电器。高压电器：工作电压高于交流1200V或直流1500V的各种电器。安全电压安全电压定义：为防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的额定值为42、36、24、12、6V。

42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动工具等的使用；

36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等场合下使用；

24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带电体的设备选用。2.按动作原理分手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器、继电器、高压断路器等。3.按用途分控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。配电电器：用于电能的输送和分配的电器。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。4.按工作原理分电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器。非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。5.按电器的执行机构特点分有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现。无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导体器件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的饱和截止来实现电路的通断）。2.1.2电器产品的发展1.我国电器产品的发展历程低压电器产品大致可分为三代：20世纪60～70年代：第一代电器产品完全模仿前苏联的基础上设计开发的。特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、品种规格不齐全。CJ10交流接触器DZ10断路器DW10多油断路器第一代电器产品第二代产品

20世纪70～80年代：第二代电器产品更新换代和引进国外先进技术制造的。特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求。CJ20接触器DZ20断路器DW15断路器第二代电器产品第三代产品

20世纪90年代：第三代电器产品跟踪国外新技术自行开发试制的。特点：产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。CJ40接触器DZS断路器DW45断路器第三代电器产品2.电器产品的发展趋势传统的有触点电器：在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断创新和完善。真空电器半导体电器新型电器机电一体化电器有触点电器电器产品向着组合化、成套化和智能化发展。2.1.3新技术在电器设计和开发中的应用1.三维计算机辅助设计系统三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配，实现设计和制造的自动化与优化，并在此基础上自动生成工程图纸。2.低压电器专用计算机应用软件数据、符号、标准元件库。软件包：专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、计算软件包。电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、样机测试等软件包。3.计算机网络系统的应用低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护与信息网络。智能化电器监控器中央计算机包括可编程序控制器（PLC）网络元件监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护功能，还具有通信接口的作用，代替了传统的指令电器、信号电器和测量仪表。网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术的应用一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控制系统的自动化程度；另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信，使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现了四遥（遥控、遥信、遥测、遥调），提高了整个系统的可靠性。4.可靠性技术可靠性物理研究，即产品失效机理研究；可靠性指标与考核方法研究；可靠性实验装置研究；提高可靠性水平研究；5.新的灭弧系统和限流技术实现开关电器“无飞弧”电子灭弧装置实现无弧分断电路国外从20世纪90年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。如今，我国低压电器也已进入第四代的开发。传统低压电器向着高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化和零部件通用化的方向发展。2.2电器的基本理论电器的组成：从控制的角度看电器输入部分输出部分结构上电器感测部分判断部分执行机构2.2.1电磁式电器的工作原理电磁式电器的组成：1、感测和判断部分——电磁机构（线圈、铁心、衔铁、复位弹簧等）。2、执行机构——触头系统（动触点、静触点及其调整机构）。电磁式电器是根据输入电压或电流的变化，在电磁力的作用下，使触点闭合或分断。实现电路的接通或切断，达到控制电气系统的目的。为保证动作的可靠和安全，通常还辅以缓冲调整系统和灭弧系统。线圈通电磁通通过铁心、衔铁和气隙形成闭合回路衔铁受电磁力克服弹性力衔铁吸向铁心触点分断或闭合线圈断电磁通消失衔铁借弹性力复位触点回通电前状态工作原理感测和判断部分电磁机构：铁心吸引线圈衔铁弹簧动触头静触头将电磁能量转换为机械能量，带动触头工作，完成接通和分断电路。交流：硅钢片叠加直流：整块铸铁或铸钢直动式转动式电压线圈：并联在电路中，匝数多、导线细。电流线圈：串联在电路中，匝数少、导线粗。交流线圈：短而粗，有骨架。直流线圈：细而长，无骨架。为此引入电磁机构的吸力特性和反力特性两个概念吸力特性描述电磁吸力随气隙变化的规律反力特性描述反力随气隙变化的规律根据前述，需保证电磁力大于弹性力，衔铁才能被吸合，但电磁力过大又会产生撞击！电磁力和弹性力应如何配合？电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性描述。吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲线。分直流电磁铁的吸力特性与交流电磁铁的吸力特性两种。反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线。1）电磁机构的工作特性直流电磁机构的吸力特性直流电磁铁的电磁吸力B磁感应强度，S磁极截面积结论：对于直流电磁铁，气隙越大，吸力越小；气隙越小，吸力越大。电磁铁吸合过程中吸力不断增大，完全吸合时吸力最大

。变量B是影响F的唯一变量，B与线圈电流I和气隙有关。对于直流线圈，I只与线圈电阻有关而与气隙无关。由磁路近似计算：交流电磁瞬时吸力吸力最大吸力为0电磁吸力为零将小于弹簧的反作用力，衔铁将从与铁心闭合处被拉开；当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合。特点：1、交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间周期性的变化，最大吸力为Fm，最小吸力为零。在衔铁吸引过程中，不能保证吸力始终大于反力，使衔铁产生振动，频繁振动会产生噪音。解决方法：铁心端面上安置一个铜制的分磁环（也称短路环），以消除振动。2、随气隙减小，电抗增大，线圈电流I有所减小，磁感应强度B减小。故随气隙减小，交流电磁机构的吸力增加不如直流机构迅速。其吸力特性相对较平坦。交流电磁机构的吸力特性交流电磁铁的电磁吸力结论交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未动作时，电流比额定工作电流大得多。若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线圈将可能因过电流而烧毁。在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用交流电磁机构，而采用直流电磁机构。F0=f(δ)i=f(δ)短路环短路环铁心吸引线圈衔铁解决交流电磁铁吸合时产生振动和噪音的措施短路环的作用磁通分相的作用，使合成吸力在任一时刻都大于弹簧反作用力Ff，就能消除衔铁的振动，从而消除噪音。短路环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜或铬合金等材料制成。反力特性电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦力统称为电磁机构的反力。电磁机构使衔铁释放的力主要是利用弹簧反力。弹簧的反力特性：剩磁的吸力特性当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙δ的增大而减小。剩磁吸力特性直流吸力特性交流吸力特性反力特性吸力和反力的配合电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力，但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命。在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证衔铁可靠释放。要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间。电磁机构的输入－输出特性输入量x——线圈电压或电流输出量y——衔铁的位置。衔铁吸合时的动作值x0当输入信号下降到复归值xr时，衔铁释放

返回系数复归值xr与动作值x0之比称为返回系数或恢复系数Kf：电磁机构的返回系数一般小于1。2）电磁机构分类1—铁心2—吸引线圈3—衔铁4—轭铁虚线—磁路电磁铁的结构形式山（E）形电磁铁：多用于交流电磁系统拍合式电磁铁：多用于直流继电器和直流接触器螺管式电磁铁：多用作索引电磁机构和自动开关的操作电磁机构，少数过电流继电器也采用。螺管式电磁铁（1）按衔铁的运动方式分类衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱角转动。这种形式磨损小，铁心一般用电工软铁制成，广泛用于直流电器和接触器中。

衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电器中。（2）按磁系统形状分类：电磁机构分为U形和E形。（3）按吸引线圈种类分类吸引线圈：将电能转换为磁场能。吸引线圈的分类：A、按线圈的联接方式分：电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制。电流线圈：串接在主电路中，匝数少，阻抗小，但电流较大，所以常用扁铜线或粗铜线绕制。B、按吸引线圈电流的种类分：直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。2.执行机构执行机构——电器的触头系统。触头（又称触点）的作用——接通和分断电路。动触头静触头灭弧装置导电部件触头对触头的要求导电、导热性良好，接触电阻小。触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面镀一层锡、银或镍。触头上装有接触弹簧，并在安装时将弹簧预先压缩一段，使动触头刚与静触头接触时就产生一个初压力。接触弹簧作用：触头接触得更加紧密，减小接触电阻，消除开始接触时产生的振动。触点系统的分类2）、按其结构形式分

(a)点接触的桥式(b)面接触的桥式(c)线接触指形1）、按其接触形式分(a)点接触，适用小容量电流的接通和分断(b)线接触，适用中等容量电流的接通和分断(c)面接触，适用大容量电流的接通和分断3）、按触头控制的电路分按控制的电路分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流。辅助触头用于接通或断开控制电路，只允许通过较小的电流。

4）、按触头原始状态分按原始状态分为常开触头和常闭触头。当线圈不带电时，动、静触头是分开的称为常开触头/动合触头；当线圈不带电时，动、静触头是闭合的称为常闭触头/动断触头。吸引线圈未通电时的状态。常闭触头常开触头一般装有灭弧罩。常开触点和常闭触点触点闭合（称常开触点）线圈通电触点分断（称常闭触点）线圈常开常闭110001线圈断电，常开和常闭触点的状态如何？用逻辑状态1和0分别代表线圈通电和断电。同样，用1和0分别代表触点闭合和分断。则有下表，结论：常开与常闭是逻辑非关系。常开触点的逻辑状态与线圈相同。触头的复位：线圈断电后所有触头回复到原始状态。动作顺序：先断后合。2.2.3开关电弧理论电弧产生的条件：开关触头在大气中断开电路时，当被分断电路的电流超过0.25～1A，分断后加在触点间隙两端的电压超过12～20V时，在触点间隙中会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体。电弧的实质：电弧是气体放电现象，即触点气体在强电场作用下产生自由电子，正、负离子呈游离状态，使气体由绝缘状态转变为导电状态，并伴有高温、强光。电弧的危害：A、使电路仍旧保持导通状态，延迟了电路的开断，延长了切断故障的时间；

B、高温引起电弧附近电气绝缘材料烧坏，会烧损触点，缩短电器的使用寿命；

C、形成飞弧造成电源短路事故。电弧分直流电弧和交流电弧，交流电弧有自然过零点，故其电弧较易熄灭。电弧的分类：电弧的产生的原因：D、高温游离A、强电场放射B、撞击电离C、热电子发射灭弧原理

灭弧关键就在于抑制游离因素。因为弧隙中在气体游离的同时，还存在着正离子与自由电子的复合，它们具有从密度高的地方向密度低的地方扩散的趋势，也有从温度高的地方向温度低的地方扩散的趋势，因此加强了去游离因素，就能有效的熄灭电弧。直流电依靠拉长电弧和冷却电弧来灭弧；交流电由于有自然过零，所以在参数相同的情况下，交流电弧比直流电弧容易熄灭，其灭弧应发生在电流过零或接近过零点。灭弧措施：吹弧、拉弧、长弧割短弧、多断口灭弧、利用介质灭弧、改善触头表面材料。开关电器典型灭弧装置1）简单灭弧在大气中分开触头时，借机械力或电弧电流本身产生的电动力拉长电弧，使之在运动中不断与新鲜空气接触为其冷却，使电弧熄灭。低压电器中的刀开关和直动式交流接触器均为简单灭弧。

桥式双断开触点

两处断开点相当于两对电极，若要使该处电弧熄灭后重燃需要2×（150～250）V电压，而通常低压电器断点间的电压达不到此值，实际上起到了灭弧的作用。2）磁吹灭弧装置磁吹线圈

铁心磁吹线圈磁场动触头电动力F当电弧需要较大的电动力吹入灭弧室时，就要采用专门的磁吹装置3）弧罩与纵缝灭弧装置常用耐弧塑料（如陶土、石英、三聚氰胺和MP-1塑料）制造的具有纵缝的灭弧室来限制弧区扩展并加速冷却以削弱热电离。4）栅片灭弧装置栅片灭弧装置有绝缘栅片与金属栅片两种：绝缘栅片灭弧装置：是利用电弧自身磁场产生的电动力拉长电弧，并使电弧在与绝缘栅片紧密接触的过程中迅速冷却；金属栅片灭弧装置：是将电弧分割为多段短弧、利用增大近极区电压降（特别是交流时的近阴极效应）来加强灭弧效果。栅片灭弧装置适用于高低压直流和交流开关电器，以低压交流开关电器用得较多。5）固体产气灭弧装置固体产气灭弧装置：是利用能产生气体的固体绝缘材料如钢纸、有机玻璃等兼作绝缘管和灭弧室。电弧产生时的高温使绝缘材料迅速分解汽化，产生大量含氢及其化合物的高压气体，将电弧分成若干串联短弧，同时产生的气体使绝缘管内的压力增加，则电弧便在近阴极效应和高压气态介质共同作用下很快熄灭。固体产气灭弧装置主要用于高、低压熔断器中。6）石英砂灭弧装置石英砂充填在绝缘管内作为灭弧介质。石英砂灭弧装置也是主要用于高、低压熔断器。熔断器的熔体熔化后产生的金属蒸气受周围石英砂的限制无法自由扩散，遂形成高压气体，使电离了的金属蒸气扩散在石英砂缝隙内，并在弧隙中冷却和消电离。这种装置灭弧能力强，限流作用很显著。7）油吹灭弧装置油吹灭弧装置是以变压器油为介质。产生电弧后，电弧将油汽化、分解而形成油气。油气中主要成分是氢，在油中以气泡的形式包围电弧，使电弧在其中燃烧。利用氢气的高导热性和低粘度加强对弧柱的冷却作用，使电弧的热量散发。另外，由于存在着温度差，使气泡产生运动，又进一步加强了电弧的冷却。若再要提高其灭弧效果，可在油箱中加设一定机构，使电弧定向运动，这就是油吹灭弧。由于电弧在油中灭弧能力比大气中拉长电弧大得多，所以这种方法一般用于高压电器中，如油开关。8）气吹灭弧装置气吹灭弧是