任務1.1 常用低壓電器
1.1.1 低壓電器基本知識
電器是接通和斷開電路或調節、控制和保護電路及電氣設備用的電工器具。電器的用途廣泛，功能多樣，種類繁多，結構各異。
1.幾種常用的電器分類
（1）按工作電壓等級分類
1）高壓電器：用于交流電壓1000V以上、直流電壓1500V以上電路中的電器，例如高壓斷路器、高壓隔離開關、高壓熔斷器等。
2）低壓電器：用于交流電壓1000V及以下、直流電壓1500V及以下電路中的電器，例如接觸器、繼電器等。
（2）按動作原理分類
1）手動電器：用手或依靠機械力進行操作的電器，如手動開關、控制按鈕和行程開關等主令電器。
2）自動電器：借助于電磁力或某個物理量的變化自動進行操作的電器，如接觸器及各種類型的繼電器、電磁閥等。
（3）按用途分類
1）控制電器：用于各種控制電路和控制系統的電器，例如接觸器、繼電器和電動機起動器等。
2）主令電器：用于在自動控制系統中發送動作指令的電器，例如按鈕、行程開關和萬能轉換開關等。
3）保護電器：用于保護電路及用電設備的電器，如熔斷器、熱繼電器、各種保護繼電器和避雷器等。
4）執行電器：用于完成某種動作或傳動功能的電器，如電磁鐵、電磁離合器等。
5）配電電器：用于電能的輸送和分配的電器，例如高壓斷路器、隔離開關、刀開關、低壓斷路器等。
（4）按工作原理分類
1）電磁式電器：依據電磁感應原理來工作的電器，如接觸器、各種類型的電磁式繼電器等。
2）非電量控制電器：依靠外力或某種非電物理量的變化而動作的電器，如刀開關、行程開關、按鈕、速度繼電器、溫度繼電器等。
2.低壓電器的作用
低壓電器能夠根據操作信號或外界現場信號的要求，自動或手動改變電路的狀態、參數，實現對電路或被控對象的控制、保護、測量、調節、指示和轉換。
（1）控制作用 如電梯的上下移動、快慢速自動切換與自動停層等。
（2）保護作用 根據設備的特點，對設備、環境以及人身實行自動保護，如電機的過熱保護、電網的短路保護和漏電保護等。
（3）測量作用 利用儀表及與之相適應的電器，對設備、電網或其他非電參數進行測量，如電流、電壓、功率、轉速、溫度和濕度等。
（4）調節作用 低壓電器可對一些電量和非電量進行調整，以滿足用戶的要求，如柴油機油門的調整、房間溫濕度的調節和照明度的自動調節等。
（5）指示作用 利用低壓電器的控制、保護等功能，檢測并指示電氣設備運行狀況與電氣電路工作情況，如絕緣監測、保護掉牌指示等。
（6）轉換作用 利用低壓電器在用電設備之間實現轉換或對控制電路分時投入運行，以實現功能切換，如勵磁裝置的手動與自動的轉換、供電的市電與自備電的切換等。
當然，低壓電器的作用遠不止這些，隨著科學技術的發展，新功能、新設備會不斷出現。
對低壓配電電器的要求是滅弧能力強、分斷能力好、熱穩定性好及限流準確等；對低壓控制電器，則要求其動作可靠、操作頻率高、使用壽命長并具有一定的帶負載能力。
常見低壓電器的主要種類及用途見表1-1。
表1-1 常見低壓電器的主要種類及用途
3.電磁式電器的基本結構
從結構上看，電器一般都有兩個基本組成部分，即感受部分與執行部分。感受部分接收外界輸入的信號，并通過轉換、放大與判斷做出有規律的反應，使執行部分動作，輸出相應的指令，實現控制的目標。對于有觸頭的電磁式電器，感受部分是電磁機構，執行部分是觸頭系統。
（1）電磁機構
1）電磁機構的結構形式。電磁機構由吸引線圈、鐵心和銜鐵組成。吸引線圈通以一定的電壓和電流，產生磁場及吸力，并通過氣隙轉換成機械能，從而帶動銜鐵運動使觸頭動作，完成觸頭的斷開和閉合，實現電路的分斷和接通。圖1-1所示為幾種常用的電磁機構的結構形式。根據銜鐵相對鐵心的運動方式，電磁機構可分為直動式與拍合式，拍合式又有銜鐵沿棱角轉動和銜鐵沿軸轉動兩種。
圖1-1 電磁機構的結構形式
1—銜鐵 2—鐵心 3—吸引線圈
吸引線圈用于將電能轉換為磁能，按吸引線圈通入電流的性質不同，電磁機構分為直流電磁機構和交流電磁機構，其吸引線圈分別稱為直流電磁線圈和交流電磁線圈。另外，根據吸引線圈在電路中的連接方式的不同，又有串聯線圈和并聯線圈。串聯線圈采用粗導線且匝數少，又稱為電流線圈；并聯線圈匝數多且線徑較細，又稱為電壓線圈。
2）電磁機構工作原理。當吸引線圈通入電流后，產生磁場，磁通經鐵心、銜鐵和氣隙形成閉合回路，產生電磁吸力，將銜鐵吸向鐵心。與此同時，銜鐵還受到反作用彈簧的拉力，只有當電磁吸力大于彈簧反力時，銜鐵才可靠地被鐵心吸住。而當吸引線圈斷電時，電磁吸力消失，在彈簧作用下，銜鐵與鐵心脫離，即銜鐵釋放。電磁機構的工作特性常用吸力特性和反力特性來表述。
電磁機構的吸力特性是指電磁吸力與氣隙的相互關系。當電磁機構吸引線圈通電后，鐵心吸引銜鐵（吸合）的力與氣隙的關系稱為吸力特性。電磁機構使銜鐵釋放（復位）的力與氣隙的關系則稱為反力特性。一般低壓電器的電磁機構的吸力特性與反力特性曲線如圖1-2所示。
3）電磁機構的輸入-輸出特性。電磁機構的吸引線圈加上電壓（或通入電流）后，產生電磁吸力，從而使銜鐵吸合。因此，也可將吸引線圈電壓（或電流）作為輸入量x，而將銜鐵的位置作為輸出量y，則電磁機構銜鐵位置（吸合與釋放）與吸引線圈電壓（或電流）的關系稱為電磁機構的輸入-輸出特性，通常也稱為“繼電特性”。
將銜鐵處于吸合的位置記作y=1，處于釋放的位置記作y=0。由以上分析可知，當吸力特性處于反力特性上方時，銜鐵被吸合；當吸力特性處于反力特性下方時，銜鐵被釋放。使吸力特性處于反力特性上方的最小輸入量用x0表示，稱為電磁機構的動作值；使吸力特性處于反力特性下方的最大輸入量用xr表示，稱為電磁機構的復歸值。
圖1-2 電磁機構的吸力特性與反力特性曲線
電磁機構的輸入-輸出特性如圖1-3所示，當輸入量x＜x0時銜鐵不動作，其輸出量y=0；當x=x0時，銜鐵吸合，輸出量y從“0”躍變為“1”；再進一步增大輸入量使x＞x0，輸出量仍為y=1。當輸入量x從x0減小的時候，在xr＜x＜x0時，雖然吸力減小，但因銜鐵吸合狀態下的吸力仍比反力大，銜鐵不會釋放，其輸出量y=1。當x=xr時，因吸力小于反力，銜鐵才釋放，輸出量由“1”變為“0”；再減小輸入量，輸出量仍為“0”。所以，電磁機構的輸入-輸出特性為一矩形曲線。動作值與復歸值均為繼電器的動作參數，電磁機構的輸入-輸出特性是電磁式繼電器的重要特性。
（2）觸頭系統 觸頭亦稱觸點，是電磁式電器的執行部分，起接通和分斷電路的作用。因此，要求觸頭的導電、導熱性能好，觸頭通常用銅、銀、鎳及其合金材料制成，有時也在銅觸頭表面電鍍錫、銀或鎳。對于一些特殊用途的電器，如微型繼電器和小容量的電器，觸頭采用銀質材料制成。
圖1-3 電磁機構的輸入-輸出特性
觸頭閉合且有工作電流通過時的狀態稱為電接觸狀態，電接觸狀態時觸頭之間的電阻稱為接觸電阻，其大小直接影響電路工作情況。若接觸電阻較大，電流流過觸頭時會造成較大的電壓降，這對弱電控制系統影響較嚴重。同時，電流流過觸頭時電阻損耗大，將使觸頭發熱，導致溫度升高，嚴重時可使觸頭熔焊，這樣既影響工作的可靠性，又降低了觸頭的使用壽命。觸頭接觸電阻的大小主要與觸頭的接觸形式、接觸壓力、觸頭材料及觸頭表面狀況等有關。
1）觸頭的接觸形式。觸頭的接觸形式有點接觸、線接觸和面接觸三種，如圖1-4所示。
圖1-4 觸頭的接觸形式
點接觸由兩個半球形觸頭或一個半球形觸頭與一個平面觸頭構成，常用于小電流的電器中，如接觸器的輔助觸頭和繼電器觸頭。線接觸常做成指形觸頭結構，它們的接觸區是一條直線，觸頭通斷過程中是滾動接觸的，并產生滾動摩擦，適用于通電次數多、電流大的場合，多用于中等容量電器。面接觸觸頭一般在接觸表面鑲有合金，允許通過較大電流，中小容量接觸器的主觸頭多采用這種結構。
2）觸頭的結構形式。觸頭在接觸時，要求其接觸電阻盡可能小，為使觸頭接觸得更加緊密以減小接觸電阻，同時消除開始接觸時產生的振動，在觸頭上裝有接觸彈簧，使觸頭在剛剛接觸時即產生初壓力，且隨著觸頭閉合逐漸增大觸頭互壓力。
觸頭按其原始狀態可分為常開觸頭和常閉觸頭。原始狀態時（吸引線圈未通電時）斷開，吸引線圈通電后閉合的觸頭叫常開觸頭（動合觸頭）。原始狀態時閉合，吸引線圈通電后斷開的觸頭叫常閉觸頭（動斷觸頭）。吸引線圈斷電后所有觸頭回復到原始狀態。
按觸頭控制的電路可分為主觸頭和輔助觸頭。主觸頭用于接通或斷開主電路，允許通過較大的電流；輔助觸頭用于接通或斷開控制電路，只能通過較小的電流。
觸頭的結構形式主要有橋式和指形兩類，如圖1-5所示。橋式觸頭在接通與斷開電路時由兩個觸頭共同完成，對滅弧有利。橋式觸頭的接觸形式一般是點接觸和面接觸。指形觸頭在接通或斷開時產生滾動摩擦，能去掉觸頭表面的氧化膜，從而減小觸頭的接觸電阻。指形觸頭的接觸形式一般采用線接觸。
圖1-5 觸頭的結構形式
3）減小接觸電阻的方法。首先，觸頭材料應選用電阻率小的，使觸頭本身的電阻盡量減小；其次，增加觸頭的接觸壓力，一般在動觸頭上安裝觸頭彈簧；最后，改善觸頭表面狀況，盡量避免或減少觸頭表面形成氧化膜，并在使用過程中盡量保持觸頭清潔。
（3）電弧的產生和滅弧方法
1）電弧的產生。在自然環境下開斷電路時，如果被開斷電路的電流（電壓）超過某一數值（根據觸頭材料的不同，其值在0.25～1A、12～20V），在觸頭間隙中就會產生電弧。電弧實際上是觸頭間氣體在強電場作用下產生的放電現象。這時觸頭間隙中的氣體被電離，產生大量的電子和離子，在強電場作用下，大量的帶電粒子做定向運動，使絕緣的氣體變成了導體。電流通過這個電離區時所消耗的電能轉換為熱能和光能，由于熱和光的效應，在觸頭間隙會產生高溫并發出強光，使觸頭燒蝕，并使電路切斷時間延長，甚至不能斷開，造成嚴重事故。為此，必須采取措施熄滅或減小電弧。
2）電弧產生的原因。電弧產生的原因主要為4個物理過程：
①強電場放射。觸頭在通電狀態下開始分離時，其間隙很小，電路電壓幾乎全部降落在觸頭間很小的間隙上，使該處電場強度很大，強電場將觸頭負極表面的自由電子拉入觸頭間隙，使觸頭間隙的氣體中存在較多的電子，這種現象稱為強電場放射。
②撞擊電離。觸頭間隙的電子在電場作用下，向正極加速運動，經一定路程后獲得足夠大的動能，在其前進途中撞擊氣體原子，將氣體原子分裂成電子和陽離子。此后，電子在向正極運動過程中還將撞擊其他原子，使觸頭間隙中的氣體電荷越來越多，這種現象稱為撞擊電離。
③熱電子發射。撞擊電離產生的陽離子向負極運動，撞擊在負極上使負極溫度逐漸升高，并使負極金屬中電子動能增加，當負極溫度達到一定程度時，一部分自由電子即有足夠動能從負極表面逸出，再度參與撞擊電離。電極由于高溫發射電子的現象稱為熱電子發射。
④高溫游離。當電弧間隙中的氣體溫度升高時，氣體分子熱運動速度加快，當電弧溫度達到或超過3000℃時，氣體分子發生強烈的不規則熱運動并相互碰撞，使電中性的氣體分子游離成電子和陽離子。這種因高溫氣體分子撞擊所產生的游離稱為高溫游離。
3）滅弧的基本方法。
①快速拉長電弧，以降低電場強度，使電弧電壓不足以維持電弧的燃燒，從而熄滅電弧。
②用電磁力使電弧在冷卻介質中運動，降低弧柱周圍的溫度，使電荷運動速度減慢、電中和速度加快，從而使電弧熄滅。
③將電弧擠入絕緣壁組成的窄縫中冷卻，加快電中和速度，使電弧熄滅。
④將電弧分成許多串聯的短弧，增加維持電弧所需的臨界電壓降，最終熄滅電弧。