基本概念：低压开关电器与电气相关

低压成套开关设备除了母线系统和柜架结构外，主要就是主回路中使用的各类低压开关电器了。低压开关电器作为元器件安装在低压成套开关设备中，低压成套开关设备利用低压开关电器实现其通断线路和过电流、速断保护功能。可以说，低压开关电器是低压成套开关设备的最核心部件。

1.低压开关电器的通断任务

有关低压开关电器的通断任务可见本书第1章1.5.1节，其中包括5项通断任务，分别是隔离通断任务、空载通断任务、负载通断任务、电动机通断任务和短路通断任务。

能实现隔离通断任务和空载通断任务的低压开关电器就是隔离开关，能实现负载通断任务的低压开关电器是断路器和负荷开关。对于电动机通断任务，一般使用断路器、负荷开关、接触器和热继电器等，而短路通断任务则非断路器和熔断器莫属了。

2.低压开关电器的结构

低压开关电器大多都是电磁式的，它的基本结构是由触头系统和电磁机构组成。

低压开关电器的触头系统存在接触电阻和电弧等物理现象，电磁机构的电磁吸力和反力则决定了低压开关电器的工作特性，而低压开关电器的触点结构、电弧和灭弧、电磁吸力和反力构成了低压开关电器的基本问题。事实上，低压开关电器的主要技术性能指标参数就是依据触头系统和电磁机构来制定的。

3.低压开关电器的制造标准

低压开关电器有一系列制造标准，这一系列标准中最重要的就是国家标准GB 14048.1～11，对应的等同使用的IEC标准是IEC 60947一系列制造标准。

正确地设计、选用和使用低压开关电器，对于低压成套开关设备的安全运行至关重要。

4.低压开关电器的额定绝缘电压U_i和额定电压U_e

在选用低压开关电器时，必须考虑被选定的器件它是否能适用于低压配电网，例如低压配电网的额定电压、额定频率、过电流（包括过载和短路）等参数。

在第1章1.3节中我们已经明确额定绝缘电压U_i和额定电压U_e的定义以及它们之间的关系。额定绝缘电压U_i是表征低压开关电器性能的标准电压，它给出了在规定的条件下度量低压开关电器各个部件之间的绝缘强度、电气间隙和爬电距离的名义电压值，而且这个电压值也代表着最高的额定电压值。从这里我们可以看出，低压开关电器的额定电压U_e一定是小于或者等于U_i的。

低压开关电器的额定电压U_e是该器件被应用到某低压配电网中的电压参数，可见额定电压U_e一定是多值的。具体的额定电压值由该低压开关电器的产品说明书来决定。

5.低压开关电器的若干电流参数定义

（1）额定持续电流I_u

I_u是指低压开关电器在规定的条件下按长时工作制工作，其各个部件的温升不超过规定极限值时所能承载的电流值。

（2）额定工作电流I_e

额定工作电流I_e是根据开关电器所使用的线路条件而确定的电流值。低压开关电器的额定工作电流I_e与额定电压、电网频率、额定工作制、使用类别、触头寿命、低压成套开关设备的防护等级、海拔等许多因素都有关。同时，低压开关电器的额定工作电流可以有不同的电流值。

（3）额定发热电流I_r和发热电流I_c

额定发热电流I_r是在规定的条件下，按八小时工作制运行低压开关电器。如果低压开关电器各个部件的温度不超过规定极限值，则低压开关电器所能承载的最大电流值被称为额定发热电流。

发热电流是在约定的时间内，低压开关电器各部件的温升不超过规定的极限值时所能承载的最大电流值。

可见，额定发热电流考核的是低压开关电器的运行发热，而发热电流考核的是低压开关电器的短时发热。

（4）分断电流I_b

分断电流I_b是指低压开关电器在执行分断操作时其动静主触点之间开始出现电弧时的电流值。值得注意的是：分断电流I_b指的是某极的电流。

（5）预期分断电流I_pb

预期分断电流I_pb对应于分断过程开始瞬间所确定的预期电流。

（6）预期接通电流I_pm

预期接通电流I_pm是在规定的条件下，低压开关电器接通是所产生的预期电流。

（7）额定短时耐受电流I_cw和额定短路接通能力I_cm

这两个参数是紧密联系在一起的，它们代表了低压开关电器的热稳定性和动稳定性，是低压电器区别于低压开关柜的一个最主要方面。

我们已经知道，低压开关柜的动热稳定性主要表现在母线系统的动、热稳定性上。由于开关电器的外形尺寸和内部导电材料远远小于母线系统，所以作用在开关电器导电材料上的短路电动力作用不明显，而开关电器触头系统的动、热稳定性却十分显著。

开关电器触头系统的热稳定性表现在触头的导电杆和导电排上，开关电器触头系统的动稳定性表现在触头的触点接触力和电弧烧蚀作用上。

我们来看图3-1：

图3-1 触头系统的热稳定性和动稳定性

图3-1的右上图中，当短路电流流过触头系统，包括触头和触头导电杆在内都会因此而发热。由于短路电流存在的时间很短，系统来不及散热，因此相当于绝热过程。由于热量在很短时间内剧增，它会引起材料软化。开关电器的触头系统抵御短路电流热冲击的能力叫作开关电器的热稳定性。

我们看式3-1：

式中 K_f——交流附加损耗系数；

I_k——通过触头导电杆（排）的短路电流；

t_K——热稳定时间，也即短路电流流过触头导电杆（排）的时间；

ρ₀——导电排导体材料在0℃时的电阻率；

α——导电排导体材料的电阻温度系数；

A——导电杆（排）的截面积；

c——导电杆（排）的比热容和密度；

γ——导电杆（排）的密度；

θ₀——短路瞬间的起始温度。

注意到，开关电器在短路电流通过之前一般处于额定运行状态，所以应当是环境温度加上电器的稳态运行温升。

开关电器的热稳定性用I²_cwt_K来表示，其中I_cw叫作开关电器的短时耐受电流。我们由式（3-1）可知：

由此可知，只要知道I_cw、t_K、θ_K和A这四个参数中任何三个，就可以得知另外一个参数。另外，热稳定时间t_K通常取定值，为0.5s、1s和3s等。

根据能量不变原则，有I²_cw1t_K1=I²_cw2t_K2 （3-3）

利用式（3-3），我们可以计算不同短路热稳定时间下开关电器的短时耐受电流。

表3-1为不同材料在不同t_K下允许的电流密度经验值。

表3-1 不同t_K下允许的电流密度经验值，单位kA

例如断路器短时耐受电流I_cw的时间长度是1s，若在工程中需要采用时间长度为3s的短时耐受电流值I_cw3，则可按式（3-3）求得。

我们来看图3-1的右下图。

当过载电流或者短路电流流过触头时，会产生两种电磁斥力，一种是霍姆（Holm）力，一种是洛伦兹力。霍姆力是由于触头内电流线的收缩而产生的，见图3-1的左图。

当总电磁斥力F_a超过触头弹簧压力F_c时，触头就会斥开，并且在动静触头间产生电弧。触头斥开后，霍姆力将消失，这时电磁斥力仅仅剩下洛伦兹力。由于霍姆力占总电磁斥力的一半以上，因此触头将在触头弹簧压力F_c的作用下再次闭合。几次反复后，动静触头会出现熔焊和熔融金属喷溅现象，严重影响到触头的电寿命。

低压电器抵御短路电流电动力作用的能力叫作开关电器的动稳定性。

触头的电磁斥力见式（3-5）。

式中 F——触头间的电磁斥力；

R——触头视在半径；

r——触头接触点半径；

μ₀——真空的磁导率；其值为4π×10^-7H/m。

【例3-1】设有一个点接触的触头系统，触头视在直径为15mm。当触头压力为75N时，触头接触点的半径为0.20mm，试求当动静触头间通过20kA的短路电流时，触头间的电磁斥力。

解：我们将参数代入式（3-5），得到：

我们看到，这个触头是完全无法抵御20kA短路电流产生的电磁斥力的。

那么，上面计算的这副触头到底能承受多大的短路电流冲击呢？我们来计算一下：由式（3-5）推得：

也即这副开关电器触头能够承受的最大短路电流是14.4kA。

我们来看看GB14048.3—2008的解释。

标准摘录：GB14048.3—2008《低压开关设备和控制设备 第3部分：开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器》，等同于IEC 60947—3：2005，IDT。

4.3.6.1 额定短时耐受电流（I_cw）

开关、隔离器或隔离开关的额定短时耐受电流是制造厂规定的，在8.3.5.1试验条件下，电器能够短时承受而不发生任何损坏的电流值。

短时耐受电流值不得小于12倍最大额定工作电流。除非制造厂另有规定，通电持续时间应为1s。

对于交流额定短时耐受电流值是指交流分量有效值，并且认为可能出现的最大峰值电流不会超过此有效值的n倍。系数n按照GB14048.1—2008中表16的规定值。

4.3.6.2 额定短路接通能力（I_cm）

开关或隔离开关的额的额定短路接通能力是制造厂规定的，在额定工作电压、额定频率（如果有的话）和额定功率因素（或时间常数）下电器的短路接通能力值，该值用最大预期电流峰值来表示。

对于交流、功率因素、预期电流峰值与有效值间的关系应符合GB14048.1—2008中表16的规定。

下表是GB14048.1-2008的表16：(www.xing528.com)

表16 对于应于试验电流的功率因数、时间常数和电流峰值与有效值的比率n

GB14048.1—2012的表16与GB14048.1—2008的表16完全相同。

从短时耐受电流的定义看，短时耐受电流就是当线路发生短路时低压开关电器能够在一段时间内承载和忍受的最大发热电流，它表征了低压开关电器对于短路电流的热稳定性。

这里所指的一定的热冲击时间分别为1s或3s。

额定短路接通能力I_cm是一个瞬时量，它是低压开关电器能够承受的最大电流，尽管低压开关电器流过此电流后可能已经损坏。额定短路接通能力I_cm表征了开关电器对于短路电流的动稳定性。

低压开关电器的动稳定性与热稳定性之间符合如下关系：

I_cm=nI_cw （3-6）

6.低压开关电器动作时间的参数

（1）断开时间

低压开关电器从断开操作开始到所有极的弧触头都分开时的时间段。这里特指的弧触头其意义在于当低压开关电器打开时，动静触头间隙里的电弧最后消亡在弧触头。

（2）燃弧时间

低压开关电器分断电路的过程中，从触头打开出现电弧的时间开始，到电弧完全熄灭为止，此时间间隔被称为燃弧时间。

（3）分断时间

从低压开关电器的断开时间开始到燃弧时间结束为止的时间间隔。

（4）接通时间

低压开关电器从闭合操作开始到电流开始流过主电路为止的时间间隔。

（5）闭合时间

低压开关电器从闭合操作开始到所有极的触头都实现接触为止的时间间隔。

（6）通断时间

从电流开始从低压开关电器最先完成闭合的某极中流过起到所有极的电弧最终熄灭为止的时间间隔。

7.额定工作制

低压开关电器的工作制与生产机械的工作制有很大的不同，但两者之间也存在密切的关系。我们来看看标准怎么说：

标准摘录：国家标准GB/14048.1—2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》，等同于IEC 60947-1：2011，MOD。

4.3.4.2 不间断工作制

没有空载期的工作制，电器的主触头保持闭合且承载稳定电流超过八小时（数周、数月甚至数年）而不分断。

注：该工作制区别于八小时工作制，因为氧化物堆积在触头上可导致触头过热。因此电器用于不间断工作制时应考虑采用降容系数或采用特殊设计（例如用银或银基触头）。

4.3.4.3 断续周期工作制或断续工作制

此工作制指电器的主触头保持闭合的有载时间与无载时间有一确定的比例值，此两个时间都很短，不足以使电器达到热平衡。

断续工作制是用电流值、通电时间和负载因数来表征其特性，负载因数是通电时间与整个通断操作周期之比，通常用百分数表示。

负载因数的标准值为：15%，25%，40%和60%。

根据电器每小时能够进行的操作循环次数，电器可分为如下等级：

对于每小时操作循环次数较高的断续工作制，制造厂应规定实际操作循环次数（如已知的话）或根据制造厂规定的操作循环次数来给出额定工作电流值，并应满足下式：

式中 T——整个操作循环时间。

注：上述公式没有考虑通断时电弧能量。

用于断续工作制的开关电器可根据断续周期工作制的特征标明。

例如：在每5min有2min流过100A电流的断续工作可表示为100A，12级，40%

4.3.4.4 短时工作制

短时工作制是指电器的主触头保持闭合的时间不足以使其达到热平衡，有载时间间隔被无载时间隔开，而无载时间足以使电器的温度恢复到与冷却介质相同的温度。

短时工作制的通电时间的标准值为3min、10min、30min、60min和90min

4.3.4.5 周期工作制

周期工作制指无论稳定负载或可变负载总是有规律地反复运行的一种工作制。

额定工作制是对元器件或者电器设备所承受的运行条件的分类。各种工作制充分地考量了元器件的工作特性、工作时间与温升的允许程度之间的关系，给出了限定性的工作条件。所以在选用低压开关电器时，必须让低压开关电器的工作制符合技术说明书上的具体要求。

8.使用类别

低压电器的使用类别与某电器的额定工作电流倍数、额定工作电压倍数及相应的功率因数或者时间常数、短路性能、选择性有关，也与低压开关电器额定接通和分断能力有关。

不同类型的低压开关电器元件使用类别不尽相同，主电路的低压开关电器各有其配套的使用类别。

常见的低压开关设备和控制设备使用类别表见表3-2。

表3-2 低压开关设备和控制设备使用类别表

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9.低压开关电器的操作频率和使用寿命

低压开关电器的操作频率与通断任务密切相关。对于不同的低压电器，其操作次数有极大的不同。例如低压配电网的主进线开关只有在检修时才脱离电网进行分闸与合闸操作，而交流接触器甚至允许每小时操作数百次以上。

在选用低压开关电器时不合理地选择操作频率和使用寿命。

（1）低压开关电器的允许操作频率

低压开关电器每小时内可能实现的最高操作次数与负载性质有很大的关系。例如一台纺织机械的捻丝机，它要求电动机每5s就进行一次正反转操作，于是执行正反转操作的接触器每5s就要动作一次。再例如楼宇中央空调机组冷却塔风机的接触器，它就属于长时工作制的，闭合后一般一日或者数日才打开一次。

在实际应用中，了解低压开关电器在额定工作条件下允许的操作频率非常重要。若低压开关电器的操作频率远低于其工作制要求的操作频率，则该低压开关电器必然很快就损坏了。

（2）机械寿命

低压开关电器的机械寿命是以某低压电器在空载时所能达到的通断次数来定义的，它取决于机械运动的零部件磨损状况。对于断路器之类的低压电器，由于其额定电流大因而接触力也大，通断操作时需要克服的力也大，所以机械寿命相对较短；对于交流接触器之类的低压电器，由于工作时需要克服的接触力较小，所以机械寿命较长。

（3）电寿命

有关低压开关电器电寿命的定义是：将某低压电器带负载执行通断测试操作，观察该低压电器在通断过程中的触头磨损状况，当发现该低压电器的触头因为电气磨损已经报废时，则试验中所记录的通断次数被定义为该低压电器的电寿命。

低压电器的触头在带负载的方式下进行通断操作，触头要承受负载接通时的电弧烧蚀，还要承受负载断开时的电弧烧蚀，同时还可能伴随着触头振动而产生的接触烧蚀。

10.低压开关电器的污染等级

标准摘录：国家标准GB/14048.1—2012《低压开关设备和控制设备 第1部分：总则》，等同于IEC 60947-1：2011，MOD。

6.1.3.2 污染等级

污染等级（2.5.58）与电器使用所处的环境条件有关。

注：电气间隙或爬电距离的微观环境确定对电器绝缘的影响，而不是电器的环境确定其影响。电气间隙或爬电距离的微观环境可能好于或差于电器的环境。微观环境包括所有影响绝缘的因素，例如：气候条件、电磁条件、污染的产生等。

对用在外壳中的电器或本身带有外壳的电器，其污染等级可选用壳内的环境污染等级。

为了便于确定电气间隙和爬电距离，微观环境可分为四个污染等级。

污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性污染。

污染等级2：一般情况仅有非导电性污染，但是必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。

污染等级3：有导电性污染，或由于凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。

污染等级4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。

工业用电器的标准污染等级：

除非其他有关产品标准另有规定外，工业用电器一般适用于污染等级3的环境。但是，对于特殊的用途和微观环境可考虑采用其他的污染等级。

注：电器微观环境的污染等级可能受外壳安装方式的影响。

家用及类似用途电器的标准污染等级：

除非其他有关产品标准另有规定外，家用及类似用途的电器一般用于污染等级2的环境。

低压开关电器是安装在低压开关柜中的。如果环境污染严重，那么低压开关柜和低压开关电器会因为导电性污染而降低爬电距离，严重时甚至会发生短路事故。

一般地，低压成套开关设备和低压开关电器是按污染等级3来定义污染程度的。