低压电器基础知识解析

低压电器通常指工作在交流1200V、直流1500V 以下电路中，起通断、保护、控制或调节作用的电器元件，以及利用电能来控制、保护和调节非电过程和非电装置的用电装备。

1.低压电器的分类

低压电器种类繁多，构造各异，用途广泛。它的分类方法很多，常用的分类方法有以下几类。

1）按操作方式分类

（1）手动电器：这类电器的动作由操作人员手工操控，包括刀开关、转换开关、按钮等。

（2）自动电器：这类电器的动作按照指令或物理量（如电流、电压、时间、速度等）的变化而自动动作，包括接触器、继电器等。

2）按工作原理分类

（1）电磁式电器：这类电器是依据电磁感应原理来工作的电器，包括交直流接触器、各种电磁式继电器、电磁阀等。

（2）非电量控制电器：这类电器是指靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器，包括行程开关、按钮、时间继电器、温度继电器、压力继电器等。

3）按用途分类

（1）配电电器：这类电器主要用于配电系统中，对其的技术要求是分断能力强，限流效果好，动稳定和热稳定值高，包括断路器、熔断器、刀开关等。

（2）控制电器：这类电器主要用于生产机械和设备的电气控制系统，包括接触器、控制继电器、主令电器等。

低压电器按用途的分类如表4.1所示。

表4.1　低压电器按用途分类

续表

2.低压电器的性能参数

1）额定绝缘电压

额定绝缘电压是一个由电器结构、材料、耐压等因素决定的名义电压值。额定绝缘电压为电器最大的额定工作电压。

2）额定工作电压

额定工作电压指低压电器在规定条件下长期工作时，能保证电器正常工作的电压值，通常是指主触点的额定电压。有电磁机构控制的电器还规定了吸引线圈的额定电压。

3）额定发热电流

额定发热电流指在规定条件下，电器长时间工作，各部分的温度不超过极限值时所能承受的最大电流值。

4）额定工作电流

额定工作电流是在具体的使用条件下，能保证电器正常工作时的电流值。它与规定的使用条件（如电压等级、电网频率、工作制、使用类别等）有关，同一个电器在不同的使用条件下有不同的额定电流等级。

5）通断能力

通断能力指低压电器在规定的条件下，能可靠接通和分断的最大电流。通断能力与电器的额定电压、负载性质、灭弧方法等有很大关系。

6）电气寿命

电气寿命指低压电器在规定条件下，在不需修理或更换零件时的负载操作循环次数。

7）机械寿命

机械寿命指低压电器在需要修理或更换机械零件前所能承受的负载操作次数。

此外，低压电器的性能参数还有线圈的额定参数及辅助触点的额定参数等。

3.低压电器的基本结构

尽管低压电器种类繁多，工作原理和结构形式五花八门，但低压电器一般都有两个基本部分，即感受部分和执行部分。感受部分感受外界信号，并通过转换、放大和判断，作出有规律的反应。在手动电器中，它的感受部分有操作手柄、顶杆等多种形式。在有触点的自动电器中，感受部分大多是电磁机构。执行部分根据感受部分的指令，对电路执行“开”、“关”任务。有的低压电器具有把感受和执行两部分联系起来的中间传递部分，使它们协调一致，按一定规律动作，如低压断路器就是如此。

低压电器中大部分为电磁式电器，各类电磁式电器的工作原理基本相同，由电磁机构、触点系统和灭弧系统三部分组成。

1）电磁机构

电磁机构是电磁式电器的信号感测部分。它的主要作用是将电磁能量转换为机械能量并带动触头动作，完成电路的接通或分断。

（1）电磁机构的结构和工作原理。

电磁机构由铁芯、衔铁和线圈等部分组成，电磁机构常用的形式如图4.1所示。电磁机构工作原理是：当线圈中有电流通过时，产生电磁吸力，电磁吸力克服弹簧的反作用力，使衔铁与铁芯闭合，衔铁带动连接机构运动，从而带动相应触点动作，完成通、断电路的控制作用。

图4.1　常用电磁机构的形式

1—线圈；2—铁芯；3—衔铁(www.xing528.com)

电磁式电器分为直流与交流两大类：直流电磁铁的铁芯由整块铸铁制成，而交流电磁铁的铁芯则用硅钢片叠成，以减小铁损（磁滞损耗和涡流损耗）。

吸引线圈的作用是将电能转化为磁场能。按通入线圈的电流性质不同，分为直流线圈和交流线圈两种。

实际应用中，由于直流电磁铁仅有线圈发热，所以线圈匝数多，导线细，可制成细长形，且不设线圈骨架，线圈与铁芯直接接触，利于线圈的散热。而交流电磁铁由于铁芯和线圈均发热，所以线圈匝数少，导线粗，可制成短粗形，且吸引线圈设有骨架，以便铁芯与线圈隔离，利于铁芯和线圈散热。

（2）交流电磁铁的短路环。

由于交流电磁铁的磁通是交变的，线圈磁场对衔铁的吸引力也是交变的。当交流电流为零时，线圈磁通为零，对衔铁的吸引力也为零，衔铁在复位弹簧作用下将产生释放运动，这就使得铁芯、衔铁之间的吸引力随着交流电的变化而变化，从而产生振动和噪声，加速铁芯、衔铁接触面间的磨损，引起结合不良，严重时还会使触点烧蚀。为了消除这一弊端，通常在交流电磁铁的铁芯端面上开一个槽，在槽内安置一个铜制的短路环（又称分磁环），短路环包围铁芯端面约2/3的面积，如图4.2所示。

图4.2　交流电磁铁的短路环

1—衔铁；2—铁芯；3—线圈；4—短路环

在铁芯端面装设短路环后，气隙磁通Φ 分为两部分，即不穿过短路环的Φ1 和穿过短路环的Φ2，根据电磁感应定律，磁通Φ2 在相位上滞后Φ1，而且它们的幅值也不一样。由于相位接近90°，并且没有短路环端面的吸力F1 与有短路环端面的吸力F2 近似相等，因此合成电磁吸力就会比较平稳，只要最小合成电磁吸力大于反力，那么衔铁就会牢牢地被吸住，不会产生振动和噪声。

2）触点系统

触点是低压电器的执行机构，起接通和断开被控制电路的作用。

触点按其控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，只能通过较小电流。

触点按其平常状态分为常开触点和常闭触点，如图4.3所示。平常状态时（即触点没动作时）断开，动作（包括手动让其动作或电磁铁通电让其动作）后闭合的触点称为常开触点，也称为动合触点；平常状态时（即触点没动作时）闭合，动作（包括手动让其动作或电磁铁通电让其动作）后断开的触点称为常闭触点，也称为动断触点。

触点按其结构形式可分为桥式触点和指形触点，如图4.4所示。

图4.3　常开触点和常闭触点

图4.4　触点的结构形式

图4.4（a）、（b）所示为桥式触点，其中图4.4（a）为点接触式触点，图4.4（b）为面接触式触点。点接触式触点适用于电流不大且触点压力小的场合；面接触式触点适用于电流较大的场合。

图4.4（c）所示为指形触点，其接触区为一直线，触点在接通与分断时产生滚动摩擦，可以去掉氧化膜，特别适合于触点分合次数多、电流大的场合。

为使触点具有良好的接触性能，触点通常采用铜质材料制成。在使用中，铜的表面容易氧化生成一层氧化铜，使触点接触电阻增大，引起触点过热，影响电器的使用寿命，因此对于电流较小的电器（如接触器、继电器等），常采用银质材料作为触点材料，因为银的氧化膜电阻率与纯银的相似，从而避免触点氧化膜电阻率增加而造成触点接触不良。

4.电弧的产生与熄灭

1）电弧的产生

当动、静触点分开瞬间，两触点间距极小，电场强度极大，在高热及强电场的作用下，金属内部的自由电子从阴极表面逸出，奔向阳极，这些自由电子在电场中运动时撞击中性气体分子，使之激励和游离，产生正离子和电子，这些电子在强电场的作用下继续向阳极移动，同时撞击其他中性气体分子，在触点间隙中产生大量的带电粒子，使气体导电，形成炽热的电子流即电弧。所以，电弧实际上是触点间的气体在强电场作用下产生的电离放电现象，是一种炽热的电子流。

电弧产生高温并有强光，可将触点烧损，并使电路的切断时间延长，严重时可引起事故和火灾。因此，在电器使用中应采取适当的措施熄灭电弧。

电弧分为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。

2）灭弧的方法

（1）机械灭弧：通过机械装置将电弧拉长，用于开关电路。

（2）磁吹灭弧：在一个与触点串联的磁吹电线圈产生的磁力作用下，电弧被拉长且被吹入由固体介质构成的灭弧罩内，电弧冷却熄灭。

（3）窄缝灭弧：在电弧形成的磁场、电场力的作用下，电弧被拉入灭弧罩的窄缝中，分成数段并迅速熄灭。

（4）栅片灭弧：当触头分开时，产生的电弧在电场力的作用下被推入一组金属栅片中而分成数段，彼此绝缘的金属片相当于电极，因而就有许多阴阳极压降，对交流电弧而言，在电弧过零时电弧无法维持而熄灭。

5.电气保护

常用的电气保护有以下几种：短路保护、过载保护、过电流保护、欠压保护、失压保护以及欠电流保护等。

1）短路保护

当电动机绕组和导线的绝缘部分损坏或控制电器及线路发生故障时，电气线路将出现短路现象，产生很大的短路电流，导致电动机、导线等电气设备严重损坏。因此，在发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断。常用的短路保护电器是熔断器和低压断路器。

2）过载保护

当电动机负载过大、启动操作频繁或缺相运行时，会使电动机的工作电流长时间超过其额定电流，电动机绕组过热，温升超过其允许值，导致电动机的绝缘材料变脆，寿命缩短，严重时会使电动机损坏。因此，当电动机过载时，保护电器应立即动作，切断电源，使电动机停转，避免电动机在过载下运行。常用的过载保护电器是热继电器。

3）欠压和失压（零压）保护

当电网电压降低时，电动机便在欠压下运行。由于电动机负载没有改变，所以欠压下的电动机转速下降，定子绕组的电流增大。因为电流增大的幅度尚不足以使熔断器和热继电器动作，所以这两种电器起不到保护作用。如不采取保护措施，时间一长将会使电动机过热损坏。欠压将引起一些电器释放，使线路不能正常工作，也可能导致事故。另外，由于某种原因而发生电网突然停电，这时电源电压下降为零，电动机停转，生产机械的运动部件也随之停止运转。如果停电后突然来电，电动机自动进入启动运行状态，也可能导致事故。因此，当电源电压低于一定值或下降为零时，保护电器应立即动作，切断电源，使电动机和控制电器停止工作，并保证电压正常后电动机和控制电器也不能自动进入工作状态。实现欠压保护的电器是接触器、中间继电器和电磁式电压继电器。

4）欠电流保护

直流电动机的启动电流和转速与磁场（激磁电流）成反比，当磁场减弱时电动机的转速增加。所以直流电动机的励磁电流必须大于某一数值，当小于这一数值时称为欠励（磁）或欠电流。欠电流时，将使电动机的启动电流很大，电动机的转速会超过电动机的额定转速，造成飞车事故。常用的欠电流保护电器是欠电流继电器，发生欠电流故障时，如果电动机还未启动，则不允许启动，如果电动机已运行，则应立即切断主电路，停止电动机运行。

5）过电流保护

过电流运行是指电动机或电器元件在超过其额定电流的状态下运行。过电流一般比短路电流小，在额定电流6倍以内。电气线路中发生过电流的可能性大于短路，特别是在电动机频繁启动和频繁正反转时。在过电流情况下，若能在达到最大允许温升之前电流值恢复正常，电器元件仍能正常工作，但是过电流造成的冲击电流会损坏电动机，所产生的瞬时电磁大转矩会损坏机械传动部件，因此要及时切断电源。常用的过电流保护电器是过电流继电器。将过电流继电器线圈串接在被保护线路中，当电流达到其整定值时，过电流继电器动作，其常闭触头串接在接触器线圈所在的支路中，使接触器线圈断电，再通过主电路中接触器的主触头断开，及时切断电动机电源。