低压开关电器触头灭弧方法及电磁机构

1.低压开关电器的触头的接触电阻

低压开关电器的触头是执行机构的最重要部分。低压开关电器的触头用于接通和分断电路，因此要求的触头导电性和导热性都非常好。通常触头材料是铜、银和镍的合金材料，也有在铜触头的表面电镀银和镍构成的。

铜的表面极易氧化。若仅仅使用铜来作触头材料，则它将增加触头的接触电阻，使得触头的损耗和温度也随之增加。因此在中间继电器等小容量低压开关电器上，触头常常采用银质合金，它的氧化膜电阻仅仅只有铜质触头的十几分之一。

（1）膜电阻

膜电阻是触头接触表面在大气中自然氧化而生成的氧化膜。氧化膜的电阻要比触头本身的电阻大数十到上千倍，且导电性极差。这种氧化膜电阻被称为触头膜电阻。

（2）收缩电阻

由于触头表面的粗糙度造成触头的实际接触面积小于触头截面面积，从而造成触头的有效导电截面减小，当电流流过时会出现电流收缩的若干导电岛的现象。这种收缩现象增加的电阻称为触头的收缩电阻。

（3）触头的磨损

低压电器触头的磨损包括电磨损和机械磨损。

触头的电磨损是由于在通断过程的电弧烧蚀引起的触头材料损耗，电磨损取决于拉弧后通过触头间隙的电荷量及触头材质。电磨损是触头材料损耗的主因。

触头的机械磨损是由于机械摩擦作用引起的触头材料损耗，机械磨损取决于材料的硬度、触头压力及触头滑动方式等。

（4）触头的接触形式

触头的接触形式分为点接触、线接触和面接触三类，如图3-2所示。

图3-2 触头的接触形式

点接触因为单位面积上的压强大，可减小触头的表面电阻，因此点接触常常用于小电流的低压开关电器中。例如接触器的辅助触头和继电器的触头。

线接触伴随着动、静触头之间的滚动摩擦，有利于去除触头表面的氧化膜。线接触一般用于操作频繁且电流比较大的场合。例如接触器和断路器等。

面接触的触头材料一般为合金，它具有接触电阻小、抗熔焊、抗磨损、允许通过较大电流等特性。面接触一般用于中、小容量的接触器。

（5）触头的状态

触头按其原始的状态分为常开（动合）触头和常闭（动断）触头。这里所指的原始状态即低压开关电器的线圈未得电，或者开关电器未受力等情况。

低压开关电器按其触头开断电流的大小分为主触头和辅助触头。主触头用于主回路的开断，允许通过较大的电流；辅助触头用于控制回路，其开断电流一般为5A。

2.产生触头电弧的原因和灭弧方法

当触头开断电路时的瞬间，动静触头间微小间隙中的空气被击穿，由此引发电弧。电流流过电弧区时，产生大量的热能和光能，这些能量以高温和强光的形式作用在触头上，使得触头材料被融化烧蚀，甚至出现触头粘连而不能断开，造成严重事故。

电弧产生包括四个过程：

过程之一：强电场致电子放射

触头在分开瞬间间隙很小，电路中的电压几乎都落在此空间中，其场强可达数亿V/m。因此触头负极表面的大量自由电子在电场力的作用下进入到触头间隙中，形成电子云。

过程之二：电子运动撞击致空气电离

触头间隙中的自由电子在电场力的作用下向触头正极运动，经过一段路程后获得足够的动能。当自由电子撞击空气时，空气被电离成正负离子，并且随着时间的延续，触头间隙中的电离空气越来越多。

触头间隙中的场强越强、自由电子的运动的路程越长，则电离空气也就越多。

过程之三：热电子发射致空气温度剧烈上升

触头间被电离后的正空气离子向触头阴极运动，撞击触头阴极致使阴极温度升高，进而使阴极上更多的自由电子逸出到触头间隙中并参与对空气的电离撞击，并使得触头间隙中的空气温度剧烈上升。

过程之四：热空气高温电离形成等离子态电弧气体

随着空气温度剧烈上升超过3000℃后，空气分子的剧烈热运动致使中性热空气分子被分解为正负离子形成等离子态的电弧气体。若触头间隙中的电弧气体中有金属蒸汽时，空气分子被离解为等离子气体的过程就更加剧烈。这个过程又被称为空气高温游离。

在上述电弧气体的形成过程中，当触头完全打开后，由于触头间的距离达到最大，电场强度减低，维持电弧要靠电子发射、电子运动撞击电离和热空气的高温游离，其中热空气的高温游离作用是维持电弧的主要因素。

在电弧等离子体发展的过程中，消电离的作用时刻都存在：正负离子会互相接近复合为正常空气分子，从而减弱电离作用；电弧的作用距离越大，散热作用越强，温度降低后维持电弧的各种作用也得到抑制。事实上，在触头间隙电弧中的电离作用和消电离作用是一对矛盾的双方，电离作用强则电弧就能发展和维持，反之消电离作用强则电弧就消散熄灭。这为低压开关电器的灭弧提供了具体的方法。

低压开关电器的灭弧方法如下：

灭弧方法之一：拉长电弧

拉长电弧，降低电场强度；或者将电弧分为许多短弧，使得电场强度无法维持电弧持续存在。

我们来看图3-3。

图3-3 桥式触头中的电弧及其消散方向

图3-3中所示是交流接触器的桥式一次触头，下部的是定触头，上部的是动触头，触头中流过的电流是I。当触头打开后，动静触头之间出现了电弧。我们用右手螺旋定则可以判断出磁力线方向是从外部进入纸面的；再用左手定则可判断出电流I对电弧产生的电磁力F方向向外，如图3-3中的F所示。

电弧在力F的吹弧作用力下被拉长降温，同时还降低了电弧内部单位长度的电场强度，最终电弧被熄灭。

灭弧方法之二：利用冷却介质对电弧降温

图3-4所示为低压熔断器熔芯内的灭弧细沙，它利用细沙将电弧冷却降温直至熄灭。

图3-4 熔断器熔芯内填充细沙进行灭弧

灭弧方法之三：利用灭弧栅使得电弧降温灭弧

利用电磁力使得电弧进入到绝缘材料制作的灭弧窄缝中，让电弧强制降温，减小离子运动速度，加速等离子体中离子的复合作用。

图3-5所示为利用灭弧栅灭弧的示意图：

图3-5 灭弧栅灭弧示意图

灭弧栅是一系列间距为2～2.5mm的钢片，它们被安放在低压开关电器的灭弧室中，彼此之间相互绝缘。

当动、静触头分开后产生了原始电弧。因为灭弧栅片的磁阻比空气小得多，因此电弧下部磁通密度远大于电弧上部的磁通密度，这种上下不对称的磁阻将电弧拉入灭弧栅中，随即电弧被灭弧栅分成许多相互连接的短电弧段。虽然每两片灭弧栅片可以看作是一对电极，因为灭弧栅电极之间是相互绝缘的，故其绝缘效果极强，使得这些短电弧段在受到灭弧栅的绝缘和冷却作用下强制降温熄灭。

灭弧栅不但能对电弧冷却降温，还能对电弧产生“阴极效应”作用。

我们知道空气分子被电离后形成带正电的正离子和带负电的电子，正离子的质量远大于电子；我们还知道交流电流每周期有两次过零。当电弧进入到灭弧栅后，因为电流过零前后触头的阴极和阳极极性要发生改变，于是正负离子的运动方向也要改变。在原先阳极附近的电子因为质量小很容易改变运动方向走向新阳极，而正离子因为质量大却不容易改变运动方向，它们几乎都停留在原先所处的位置，于是在新阴极附近因为缺少电子而出现断流，进而使得电弧被加速熄灭。

灭弧方法之四：将电弧密封在高压容器或者真空容器中

管状熔断器和真空断路器就采取这种方法灭弧。(www.xing528.com)

3.低压开关电器常用的电磁机构

电磁机构是继电器和接触器等低压开关电器的主要部件，其用途是将电磁线圈产生的电磁能转换为机械能，继而带动低压开关电器的触头产生合分操作。图3-6所示为低压开关电器常用的电磁机构结构示意图。

图3-6 低压开关电器常用的电磁机构结构示意图

图3-6中的直动式铁心一般用于中小型接触器和继电器中，图3-6中间的拍合式铁心一般用于直流和交流继电器铁心，图3-6右边的拍合式铁心用于较大容量的接触器和断路器。

4.低压开关电器电磁机构的工作原理简述

电磁机构存在两种相反的力，一种是吸力特性，一种是反力特性。

从图3-6中我们看到，电磁机构中存在动铁心（衔铁）和定铁心，动铁心与定铁心之间存在气隙。

（1）吸力特性

低压开关电器电磁机构的吸力与低压开关电器的结构有密切的关系。当铁心与衔铁断面互相平行且气隙δ比较小时，电磁吸力近似地可用式（3-7）来求得：

F_m=4B²S×10³（3-7）

式中 B——气隙磁通，单位为T；

S——吸力处的端面积，单位为m²；

F_m——电磁吸力的最大值，单位为N。

从式（3-7）中我们看到电磁吸力F_m与磁通密度B的平方成正比，当吸力处的端面积S为常数时，可认为吸力F与磁通Ф的平方成正比，与端面积S成反比，即

低压开关电器的电磁机构当采取交流励磁时或者采取直流励磁时的吸力特性有很大的不同。

（2）低压开关电器电磁机构采用交流励磁

低压开关电器采用交流励磁的电磁机构时其线圈的阻抗取决于线圈的电抗，而线圈的电阻因为阻值相对较小而予以忽略，于是有

式中 U——线圈电压，单位为V；

E——线圈感应电动势，单位为V；

f——线圈外加电源的频率，单位为Hz；

Ф——气隙磁通，单位为Wb；

N——线圈匝数。

当频率f、匝数N和外加电压U均为常数时，我们从式（3-9）看到气隙磁通Ф也是常数，进而由式（3-9）可知电磁吸力F亦为常数。

因为气隙δ与外加电压U无关，但电磁机构中存在漏磁通，故电磁吸力F随着气隙δ减小而略有增加。气隙磁通Ф与气隙δ之间的关系是：

式中 I——流过励磁线圈的电流，单位为A；

N——线圈匝数；

R_m——磁阻，单位为Ω；

μ0——真空磁导率；

δ——气隙，单位为mm；

S——铁心端面积，单位为m²。

由式（3-6）可以看出，流过低压开关电器交流电磁机构的励磁线圈的电流I与气隙δ是成正比的。

我们知道，在低压开关电器交流电磁机构吸合的过程中其电流变化是很大的，因为电流线圈电感加大，因此电流随着动作过程的持续而逐渐减小。如果在吸合的过程中因为机械的原因使得动铁心未到位或者被卡住，则线圈中会流过较大的电流，严重时有可能烧毁线圈。

对于U形的铁心，交流电磁机构线圈的动作电流约等于额定电流的5～6倍；对于E形的铁心，交流电磁机构线圈的动作电流约等于额定电流的10～15倍。

（3）低压开关电器电磁机构采用直流励磁

直流电磁机构由直流电流来励磁，其励磁和磁动势NI均不受气隙变化的影响，其电磁吸力见式（3-11）：

由式（3-11）可见，直流电磁机构的吸力F与气隙δ的二次方成反比。直流电磁机构的吸力特性曲线与交流电磁机构吸力特性曲线的对比如图3-7所示。

图3-7 交流电磁机构和直流电磁机构的吸力特性曲线对比

在直流电磁机构中，励磁电流仅仅与线圈电阻有关，与气隙大小无关。直流电磁机构中的衔铁闭合前后吸力F变化很大，其特点是气隙δ越小吸力F就越大，而且衔铁闭合前后直流电磁机构的励磁电流不变。可见直流电磁机构的工作特性好，可靠性也高，所以直流电磁机构非常适用于动作频繁的场合。在可靠性要求比较高的场合或者动作特别频繁的场合，建议低压开关电器使用直流电磁机构。

当直流电磁机构的励磁线圈断电时，磁动势NI急剧地降低到接近于零，电磁机构的磁通也发生突变，因此在励磁线圈中会出现很高的反向电动势。反向电动势的数值可达线圈额定电压的10～20倍，很容易破环线圈和控制电路的绝缘。

为了抑制此反向电动势，一般在励磁线圈上并接一个由电阻R和反向泄流二极管构成的放电回路，如图3-8所示。

图3-8中除了反向泄流二极管VD外，电阻R的用途是将储藏在线圈KA中的磁场能消耗在电阻上，限制产生过压。电阻R取值为电磁操作机构直流线圈电阻的6～8倍即可。

1）反力特性：电磁机构将衔铁释放的力有两种，一种是弹簧的反力，另一种是利用衔铁和动铁心的重力。

2）低压开关电器电磁机构吸力特性与反力特性之间的配合：低压开关电器的电磁机构得电后通过电磁线圈使得衔铁或者动铁心吸合，在这个过程中必须让吸力大于反力。如果吸力过分地大于反力，则对低压开关电器的机械寿命产生不利影响，如图3-9所示。

图3-8 直流电磁机构的励磁线圈和反向泄流二极管

图3-9 电磁机构的吸力特性和反力特性

当电磁机构失电后，由于铁磁体内有剩磁，使得电磁机构的励磁线圈即使在失电后仍然有一定的磁性吸力，此剩磁吸力随着气隙增大而减小。因此，当电磁机构失电后，反力必须大于剩磁吸力，才能确保衔铁或者动铁心释放。反映在特性曲线上，电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁特性之间。

不管电磁机构工作在直流电压中还是交流电压中，只要线圈两端的电压大于释放电压，原先处于闭合状态的电磁机构因为吸力大于弹簧反力，使得电磁机构维持吸合状态。这种特性对于工作在直流电源中的电磁机构表现得尤为突出。

对于工作在交流电源中的电磁机构，由于铁心中的磁通量及吸力是周期变化的，吸力在零与最大值F_m之间脉动。吸力中有两个分量，一个是直流分量，另一个是交流分量。交流分量的频率为工频的两倍即100Hz。

由于直流分量和交流分量叠加的结果，使得磁通交流分量过零前后吸力和反力发生变化：若过零前吸力大于反力，则过零后反力大于吸力。于是交流电磁机构就会出现100Hz频率的抖动和撞击，发出极大的噪声，这显然是不允许的。为此，在铁心端面上安装一个铜质的短路环用于消除振动现象。