任务1.1 常用低压电器

1.1.1 低压电器基本知识

电器是接通和断开电路或调节、控制和保护电路及电气设备用的电工器具。电器的用途广泛，功能多样，种类繁多，结构各异。

1.几种常用的电器分类

（1）按工作电压等级分类

1）高压电器：用于交流电压1000V以上、直流电压1500V以上电路中的电器，例如高压断路器、高压隔离开关、高压熔断器等。

2）低压电器：用于交流电压1000V及以下、直流电压1500V及以下电路中的电器，例如接触器、继电器等。

（2）按动作原理分类

1）手动电器：用手或依靠机械力进行操作的电器，如手动开关、控制按钮和行程开关等主令电器。

2）自动电器：借助于电磁力或某个物理量的变化自动进行操作的电器，如接触器及各种类型的继电器、电磁阀等。

（3）按用途分类

1）控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器，例如接触器、继电器和电动机起动器等。

2）主令电器：用于在自动控制系统中发送动作指令的电器，例如按钮、行程开关和万能转换开关等。

3）保护电器：用于保护电路及用电设备的电器，如熔断器、热继电器、各种保护继电器和避雷器等。

4）执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器，如电磁铁、电磁离合器等。

5）配电电器：用于电能的输送和分配的电器，例如高压断路器、隔离开关、刀开关、低压断路器等。

（4）按工作原理分类

1）电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器，如接触器、各种类型的电磁式继电器等。

2）非电量控制电器：依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，如刀开关、行程开关、按钮、速度继电器、温度继电器等。

2.低压电器的作用

低压电器能够根据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动改变电路的状态、参数，实现对电路或被控对象的控制、保护、测量、调节、指示和转换。

（1）控制作用 如电梯的上下移动、快慢速自动切换与自动停层等。

（2）保护作用 根据设备的特点，对设备、环境以及人身实行自动保护，如电机的过热保护、电网的短路保护和漏电保护等。

（3）测量作用 利用仪表及与之相适应的电器，对设备、电网或其他非电参数进行测量，如电流、电压、功率、转速、温度和湿度等。

（4）调节作用 低压电器可对一些电量和非电量进行调整，以满足用户的要求，如柴油机油门的调整、房间温湿度的调节和照明度的自动调节等。

（5）指示作用 利用低压电器的控制、保护等功能，检测并指示电气设备运行状况与电气电路工作情况，如绝缘监测、保护掉牌指示等。

（6）转换作用 利用低压电器在用电设备之间实现转换或对控制电路分时投入运行，以实现功能切换，如励磁装置的手动与自动的转换、供电的市电与自备电的切换等。

当然，低压电器的作用远不止这些，随着科学技术的发展，新功能、新设备会不断出现。

对低压配电电器的要求是灭弧能力强、分断能力好、热稳定性好及限流准确等；对低压控制电器，则要求其动作可靠、操作频率高、使用寿命长并具有一定的带负载能力。

常见低压电器的主要种类及用途见表1-1。

3.电磁式电器的基本结构

从结构上看，电器一般都有两个基本组成部分，即感受部分与执行部分。感受部分接收外界输入的信号，并通过转换、放大与判断做出有规律的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现控制的目标。对于有触头的电磁式电器，感受部分是电磁机构，执行部分是触头系统。

（1）电磁机构

1）电磁机构的结构形式。电磁机构由吸引线圈、铁心和衔铁组成。吸引线圈通以一定的电压和电流，产生磁场及吸力，并通过气隙转换成机械能，从而带动衔铁运动使触头动作，完成触头的断开和闭合，实现电路的分断和接通。图1-1所示为几种常用的电磁机构的结构形式。根据衔铁相对铁心的运动方式，电磁机构可分为直动式与拍合式，拍合式又有衔铁沿棱角转动和衔铁沿轴转动两种。

吸引线圈用于将电能转换为磁能，按吸引线圈通入电流的性质不同，电磁机构分为直流电磁机构和交流电磁机构，其吸引线圈分别称为直流电磁线圈和交流电磁线圈。另外，根据吸引线圈在电路中的连接方式的不同，又有串联线圈和并联线圈。串联线圈采用粗导线且匝数少，又称为电流线圈；并联线圈匝数多且线径较细，又称为电压线圈。

2）电磁机构工作原理。当吸引线圈通入电流后，产生磁场，磁通经铁心、衔铁和气隙形成闭合回路，产生电磁吸力，将衔铁吸向铁心。与此同时，衔铁还受到反作用弹簧的拉力，只有当电磁吸力大于弹簧反力时，衔铁才可靠地被铁心吸住。而当吸引线圈断电时，电磁吸力消失，在弹簧作用下，衔铁与铁心脱离，即衔铁释放。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表述。

电磁机构的吸力特性是指电磁吸力与气隙的相互关系。当电磁机构吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁（吸合）的力与气隙的关系称为吸力特性。电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系则称为反力特性。一般低压电器的电磁机构的吸力特性与反力特性曲线如图1-2所示。

3）电磁机构的输入-输出特性。电磁机构的吸引线圈加上电压（或通入电流）后，产生电磁吸力，从而使衔铁吸合。因此，也可将吸引线圈电压（或电流）作为输入量x，而将衔铁的位置作为输出量y，则电磁机构衔铁位置（吸合与释放）与吸引线圈电压（或电流）的关系称为电磁机构的输入-输出特性，通常也称为“继电特性”。

将衔铁处于吸合的位置记作y=1，处于释放的位置记作y=0。由以上分析可知，当吸力特性处于反力特性上方时，衔铁被吸合；当吸力特性处于反力特性下方时，衔铁被释放。使吸力特性处于反力特性上方的最小输入量用x₀表示，称为电磁机构的动作值；使吸力特性处于反力特性下方的最大输入量用x_r表示，称为电磁机构的复归值。

电磁机构的输入-输出特性如图1-3所示，当输入量x＜x₀时衔铁不动作，其输出量y=0；当x=x₀时，衔铁吸合，输出量y从“0”跃变为“1”；再进一步增大输入量使x＞x₀，输出量仍为y=1。当输入量x从x₀减小的时候，在x_r＜x＜x₀时，虽然吸力减小，但因衔铁吸合状态下的吸力仍比反力大，衔铁不会释放，其输出量y=1。当x=x_r时，因吸力小于反力，衔铁才释放，输出量由“1”变为“0”；再减小输入量，输出量仍为“0”。所以，电磁机构的输入-输出特性为一矩形曲线。动作值与复归值均为继电器的动作参数，电磁机构的输入-输出特性是电磁式继电器的重要特性。

（2）触头系统 触头亦称触点，是电磁式电器的执行部分，起接通和分断电路的作用。因此，要求触头的导电、导热性能好，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电镀锡、银或镍。对于一些特殊用途的电器，如微型继电器和小容量的电器，触头采用银质材料制成。

触头闭合且有工作电流通过时的状态称为电接触状态，电接触状态时触头之间的电阻称为接触电阻，其大小直接影响电路工作情况。若接触电阻较大，电流流过触头时会造成较大的电压降，这对弱电控制系统影响较严重。同时，电流流过触头时电阻损耗大，将使触头发热，导致温度升高，严重时可使触头熔焊，这样既影响工作的可靠性，又降低了触头的使用寿命。触头接触电阻的大小主要与触头的接触形式、接触压力、触头材料及触头表面状况等有关。

1）触头的接触形式。触头的接触形式有点接触、线接触和面接触三种，如图1-4所示。

点接触由两个半球形触头或一个半球形触头与一个平面触头构成，常用于小电流的电器中，如接触器的辅助触头和继电器触头。线接触常做成指形触头结构，它们的接触区是一条直线，触头通断过程中是滚动接触的，并产生滚动摩擦，适用于通电次数多、电流大的场合，多用于中等容量电器。面接触触头一般在接触表面镶有合金，允许通过较大电流，中小容量接触器的主触头多采用这种结构。

2）触头的结构形式。触头在接触时，要求其接触电阻尽可能小，为使触头接触得更加紧密以减小接触电阻，同时消除开始接触时产生的振动，在触头上装有接触弹簧，使触头在刚刚接触时即产生初压力，且随着触头闭合逐渐增大触头互压力。

触头按其原始状态可分为常开触头和常闭触头。原始状态时（吸引线圈未通电时）断开，吸引线圈通电后闭合的触头叫常开触头（动合触头）。原始状态时闭合，吸引线圈通电后断开的触头叫常闭触头（动断触头）。吸引线圈断电后所有触头回复到原始状态。

按触头控制的电路可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，只能通过较小的电流。

触头的结构形式主要有桥式和指形两类，如图1-5所示。桥式触头在接通与断开电路时由两个触头共同完成，对灭弧有利。桥式触头的接触形式一般是点接触和面接触。指形触头在接通或断开时产生滚动摩擦，能去掉触头表面的氧化膜，从而减小触头的接触电阻。指形触头的接触形式一般采用线接触。

3）减小接触电阻的方法。首先，触头材料应选用电阻率小的，使触头本身的电阻尽量减小；其次，增加触头的接触压力，一般在动触头上安装触头弹簧；最后，改善触头表面状况，尽量避免或减少触头表面形成氧化膜，并在使用过程中尽量保持触头清洁。

（3）电弧的产生和灭弧方法

1）电弧的产生。在自然环境下开断电路时，如果被开断电路的电流（电压）超过某一数值（根据触头材料的不同，其值在0.25～1A、12～20V），在触头间隙中就会产生电弧。电弧实际上是触头间气体在强电场作用下产生的放电现象。这时触头间隙中的气体被电离，产生大量的电子和离子，在强电场作用下，大量的带电粒子做定向运动，使绝缘的气体变成了导体。电流通过这个电离区时所消耗的电能转换为热能和光能，由于热和光的效应，在触头间隙会产生高温并发出强光，使触头烧蚀，并使电路切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。为此，必须采取措施熄灭或减小电弧。

2）电弧产生的原因。电弧产生的原因主要为4个物理过程：

①强电场放射。触头在通电状态下开始分离时，其间隙很小，电路电压几乎全部降落在触头间很小的间隙上，使该处电场强度很大，强电场将触头负极表面的自由电子拉入触头间隙，使触头间隙的气体中存在较多的电子，这种现象称为强电场放射。

②撞击电离。触头间隙的电子在电场作用下，向正极加速运动，经一定路程后获得足够大的动能，在其前进途中撞击气体原子，将气体原子分裂成电子和阳离子。此后，电子在向正极运动过程中还将撞击其他原子，使触头间隙中的气体电荷越来越多，这种现象称为撞击电离。

③热电子发射。撞击电离产生的阳离子向负极运动，撞击在负极上使负极温度逐渐升高，并使负极金属中电子动能增加，当负极温度达到一定程度时，一部分自由电子即有足够动能从负极表面逸出，再度参与撞击电离。电极由于高温发射电子的现象称为热电子发射。

④高温游离。当电弧间隙中的气体温度升高时，气体分子热运动速度加快，当电弧温度达到或超过3000℃时，气体分子发生强烈的不规则热运动并相互碰撞，使电中性的气体分子游离成电子和阳离子。这种因高温气体分子撞击所产生的游离称为高温游离。

3）灭弧的基本方法。

①快速拉长电弧，以降低电场强度，使电弧电压不足以维持电弧的燃烧，从而熄灭电弧。

②用电磁力使电弧在冷却介质中运动，降低弧柱周围的温度，使电荷运动速度减慢、电中和速度加快，从而使电弧熄灭。

③将电弧挤入绝缘壁组成的窄缝中冷却，加快电中和速度，使电弧熄灭。

④将电弧分成许多串联的短弧，增加维持电弧所需的临界电压降，最终熄灭电弧。