1.1 低壓電器的基本知識

低壓電器通常是指額定電壓等級在交流1200V及以下、直流1500V及以下電路中的電器。

1.1.1 低壓電器的分類

低壓電器的種類繁多、結(jié)構(gòu)各異、用途不同，對其分類如下。

1）按電器的動作性質(zhì)分為手動電器和自動電器兩大類。手動電器是由人手操縱的電器，如閘刀開關(guān)、按鈕及手動-△起動器等。自動電器是按指令信號或某個物理量（如電壓、電流、時間、速度及位移等）變化而自動工作的電器，如接觸器、繼電器等。

2）按電器的性能和用途分為控制電器和保護電器兩大類。控制電器用來控制電路通斷或控制電動機的各種運行狀態(tài)，如刀開關(guān)、按鈕和接觸器等。保護電器用于保護電源、電路和電動機，如熔斷器、熱繼電器等。

3）按有無觸點分為有觸點電器和無觸點電器。有觸點電器具有可分離的動觸點和靜觸點，利用觸點的接觸和分離可實現(xiàn)電路的通斷控制。以上敘述的電器均為有觸點電器。無觸點電器沒有可分離的觸點，如現(xiàn)代電力拖動系統(tǒng)中的晶體管無觸點邏輯元器件、電子程序控制器件、數(shù)字控制系統(tǒng)以及計算機控制系統(tǒng)等。

4）按工作原理分為電磁式電器和非電量控制電器。電磁式電器根據(jù)電磁感應(yīng)原理來工作，如交流接觸器、電磁式繼電器等。非電量電器根據(jù)非電量（壓力、溫度、時間和速度等）的變化而工作，如按鈕、行程開關(guān)、壓力繼電器、時間繼電器、熱繼電器和速度繼電器等。

1.1.2 電磁式電器

電磁式電器大多由感測部分和執(zhí)行部分組成。感測部分接受外界輸入信號，并做出一定的反應(yīng)。執(zhí)行部分根據(jù)感測部分做出的反應(yīng)而動作，執(zhí)行電路接通、斷開等控制。對于有觸點的電磁式電器，感測部分指電磁機構(gòu)，執(zhí)行部分指觸點系統(tǒng)。

1.電磁機構(gòu)

電磁機構(gòu)的主要作用是將電磁能轉(zhuǎn)換為機械能，并帶動觸點動作，以接通或斷開電路。電磁機構(gòu)由吸引線圈、鐵心和銜鐵組成。吸引線圈繞在鐵心柱上，靜止不動，鐵心又稱為靜鐵心。銜鐵是可以動作的，稱為動鐵心。其工作原理是，當(dāng)線圈通入電流產(chǎn)生磁場時，磁場的磁通經(jīng)鐵心、銜鐵和工作氣隙形成閉合回路，產(chǎn)生電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心。當(dāng)電磁吸力大于反作用彈簧拉力時，銜鐵被鐵心可靠地吸住。但電磁吸力過大，會使銜鐵與鐵心發(fā)生嚴(yán)重的碰擊。

常見電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如圖1-1所示。鐵心有E型、雙E型、U型和甲殼螺管型，銜鐵動作方式分為直動式、轉(zhuǎn)動式。電磁機構(gòu)可分為以下3種類型。

1）銜鐵沿直線運動的雙E型直動式鐵心，如圖1-1b、e所示。一般用于交流接觸器、繼電器。

2）銜鐵沿軸轉(zhuǎn)動的拍合式鐵心，如圖1-1f、g所示。多用在觸點容量較大的交流電器中。

3）銜鐵沿棱角轉(zhuǎn)動的拍合式鐵心，如圖1-1c所示。一般用在直流電器中。

圖1-1 常見電磁機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式

a）、d）甲殼螺管型鐵心 c）、f）、g）轉(zhuǎn)動拍合式鐵心 b）、e）雙E型直動式鐵心

圖1-2 交流電磁鐵的短路環(huán)

a）短路環(huán)示意圖 b）鐵心截面圖 1—銜鐵 2—鐵心 3—線圈 4—斷路環(huán)

吸引線圈的作用是將電能轉(zhuǎn)化為磁場能，按線圈的接線形式分為電壓線圈和電流線圈。將電壓線圈并聯(lián)在電源兩端，電流大小由電源電壓和線圈本身的阻抗決定，其匝數(shù)多、導(dǎo)線細、阻抗大和電流小，一般用絕緣性能好的漆包線繞成。將電流線圈串聯(lián)在電路中，反應(yīng)電路中的電流，其匝數(shù)少、導(dǎo)線粗，一般用扁銅帶或粗銅線繞成。

按通入線圈的電源種類分為直流線圈和交流線圈。將直流線圈制成瘦高型，不設(shè)骨架，線圈與鐵心直接接觸，以利于散熱。交流線圈和鐵心都發(fā)熱，故將線圈制成短粗型，設(shè)有骨架，使鐵心和線圈隔離，以利于散熱。

當(dāng)將電磁機構(gòu)通入交流電時，產(chǎn)生的電磁吸力是脈動的，電磁吸力時而大于反作用彈簧拉力，時而小于反作用彈簧拉力，使銜鐵在吸合過程中產(chǎn)生振動。消除振動的措施是在鐵心中引用短路環(huán)。具體方法是，在交流電磁機構(gòu)鐵心柱距端面1/3處開一個槽，槽內(nèi)嵌入銅環(huán)（又稱短路環(huán)或分磁環(huán)），如圖1-2所示。吸引線圈通入交流電時，由于短路環(huán)的作用，使鐵心中的磁通分為兩部分，即通過短路環(huán)的磁通和不通過短路環(huán)的磁通。兩部分磁通存在相位差，二者不會同時為零，如果短路環(huán)設(shè)計的合理，使合成電磁吸力總大于反作用彈簧拉力，在銜鐵吸合時就不會產(chǎn)生振動和噪聲。

2.觸點系統(tǒng)

觸點是有觸點電器的執(zhí)行部分，通過觸點的閉合、斷開來控制電路的通、斷。觸點通常有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。

1）橋式觸點。圖1-3a所示為兩個點接觸型橋式觸點，圖1-3b為兩個面接觸型橋式觸點。將兩個觸點串聯(lián)在同一電路中，共同完成電路的通、斷。點接觸型適用于小電流、觸點壓力小的場合。面接觸型適用于大電流的場合。

2）指式觸點。圖1-3c所示為指式觸點，其接觸區(qū)為一直線，觸點動作時產(chǎn)生滾動摩擦，以利于去掉氧化膜，適用于接通次數(shù)多、電流大的場合。

觸點通常采用具有良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能的銅材料制成，但銅的表面易生成氧化膜，增大觸點表面的接觸電阻，使損耗增大，溫度升高。對于一些繼電器或容量小的電器，觸點常用銀質(zhì)材料制成，可以增加導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，降低氧化膜電阻率（銀質(zhì)氧化膜的電阻率和純銀相似），且銀質(zhì)氧化膜只有在高溫下才能形成，又容易被粉化。對于容量大的電器，采用滾動接觸式觸點，可將氧化膜去掉，也常用銅質(zhì)觸點。

觸點上通常裝有接觸彈簧，在觸點剛剛接觸時產(chǎn)生初壓力，隨著觸點的閉合壓力增大，使接觸電阻減小，觸點接觸更加緊密，并消除觸點開始閉合時產(chǎn)生的振動。

圖1-3 觸點的結(jié)構(gòu)形式

a）點接觸橋式觸點 b）面接觸橋式觸點 c）指式觸點

1.1.3 電弧和滅弧方法

實踐證明，當(dāng)開關(guān)電器切斷有電流的電路時，如果觸點間電壓大于10～20V、電流超過80mA，觸點間就會產(chǎn)生強烈而耀眼的光柱，即電弧。電弧是電流流過空間氣隙的現(xiàn)象，說明電路中仍有電流通過。當(dāng)電弧持續(xù)不熄時，會產(chǎn)生很多危害：①延長了開關(guān)電器切斷故障的時間；②電弧的溫度很高（表面溫度可達3000～4000℃，中心溫度可達10000℃），如果電弧長時間燃燒，不僅會將觸點表面的金屬熔化或蒸發(fā)，而且會燒壞電弧附近的電氣絕緣材料，引發(fā)事故；③使油開關(guān)的內(nèi)部溫度和壓力劇增引起爆炸；④形成飛弧造成電源短路事故。因此，應(yīng)在開關(guān)電器中采用有效措施，使電弧迅速熄滅。

1.電弧的形成

當(dāng)開關(guān)電器的觸點分離時，觸點間的距離很小，觸點間電壓即使很低，但電場強度仍很大（E=U/d），在觸點表面由于強電場發(fā)射和熱電子發(fā)射而產(chǎn)生的自由電子，會逐漸加速運動，并在間隙中不斷與介質(zhì)的中性質(zhì)點產(chǎn)生碰撞游離，使自由電子的數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致介質(zhì)被擊穿，引起弧光放電，弧隙溫度劇增，產(chǎn)生熱游離，不斷產(chǎn)生大量自由電子，間隙由絕緣變成導(dǎo)電通道，使電弧持續(xù)燃燒。

2.電弧的熄滅

在電弧產(chǎn)生的同時，還伴隨著一個去游離的過程，它主要表現(xiàn)在正負離子的復(fù)合和離子向弧道周圍的擴散。因此，電弧的產(chǎn)生和熄滅是游離和去游離作用的結(jié)果。當(dāng)游離作用大于去游離作用時，電弧電流越來越大，電弧持續(xù)燃燒；當(dāng)游離作用小于去游離作用時，電弧電流越來越小，直至電弧熄滅。可見，為迅速滅弧，要人為增大去游離的作用。

3.滅弧方法

為了加速電弧熄滅，常采用以下幾種滅弧方法。

1）吹弧。利用氣體或液體介質(zhì)吹動電弧，使之拉長、冷卻。按照吹弧的方向，分為縱吹和橫吹。另外，還有兩者兼有的縱橫吹、大電流橫吹和小電流縱吹。

2）拉弧。加快觸點的分離速度，使電弧迅速拉長，表面積增大迅速冷卻。如在開關(guān)電器中加裝強力開斷彈簧來實現(xiàn)此目的。

3）長弧割短弧。用柵片滅弧的示意圖如圖1-4所示。當(dāng)開關(guān)分?jǐn)鄷r，觸點間產(chǎn)生電弧，電弧在磁場力作用下進入滅弧柵內(nèi)被切割成幾個串聯(lián)的短弧。當(dāng)外加電壓不足以維持全部串聯(lián)短電弧時，電弧迅速熄滅。交流低壓開關(guān)多采用這種滅弧方法。

4）多斷口滅弧。對同一相采用兩對或多對觸點，使電弧分成幾個串聯(lián)的短弧，使每個斷口的弧隙電壓降低，觸點的滅弧行程縮短，以提高滅弧能力。

5）利用介質(zhì)滅弧。電弧中去游離的強度，在很大程度上決定于所在介質(zhì)的特性（導(dǎo)熱系數(shù)、介電強度、熱游離溫度和熱容量等）。氣體介質(zhì)中氫氣具有良好的滅弧性能和導(dǎo)熱性能，其滅弧能力是空氣的7.5倍；六氟化硫（FS₆）氣體的滅弧能力更強，是空氣的100倍，把電弧引入充滿特殊氣體介質(zhì)的滅弧室中，會使游離過程大大減弱，快速滅弧。

6）改善觸點表面材料。觸點應(yīng)采用高熔點、導(dǎo)電導(dǎo)熱能力強和熱容量大的金屬材料，以減少熱電子發(fā)射、金屬熔化和蒸發(fā)。目前，許多觸點的端部鑲有耐高溫的銀鎢合金或銅鎢合金。

圖1-4 用柵片滅弧的示意圖

1—滅弧柵片 2—觸點 3—電弧

1.1.4 低壓電器的主要技術(shù)參數(shù)

1）額定電壓。額定電壓指在規(guī)定的條件下，能保證電器正常工作的電壓值，通常指觸點的額定電壓值。對于電磁式電器還規(guī)定了電磁線圈的額定工作電壓。

2）額定電流。在額定電壓、額定頻率和額定工作制下所允許通過的電流為額定電流。它與使用類別、觸點壽命和防護等級等因素有關(guān)。對于同一開關(guān)，可以對應(yīng)不同使用條件下規(guī)定的不同工作電流。

3）使用類別。使用類別是指有關(guān)操作條件的規(guī)定組合。通常用額定電壓和額定電流的倍數(shù)及其相應(yīng)的功率因數(shù)或時間常數(shù)等來表征電器額定通、斷能力的類別。

4）通斷能力。通斷能力包括接通能力和斷開能力，以非正常負載時接通和斷開的電流值來衡量。接通能力是指開關(guān)閉合時不會造成觸點熔焊的能力；斷開能力是指開關(guān)斷開時能可靠滅弧的能力。

5）壽命。壽命包括電壽命和機械壽命。電壽命是電器在所規(guī)定使用條件下不需修理或更換零件的操作次數(shù)。機械壽命是電器在無電流情況下能操作的次數(shù)。

1.1.5 低壓電器的型號

我國編制的低壓電器產(chǎn)品型號適用于下列12大類產(chǎn)品：刀開關(guān)和轉(zhuǎn)換開關(guān)、熔斷器、斷路器、控制器、接觸器、啟動器、控制繼電器、主令電器、電阻器、變阻器、調(diào)整器和電磁鐵。

低壓電器產(chǎn)品型號組成形式及含義如下所述。