第二章《低压配电电器》讲义.docx

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第二章《低压配电电器》讲义

第二章低压配电电器

低压配电电器是指低压配电系统（也称低压电网）或动力装置中，用来进行电能分配、完成接通和分断电路及对配电线路进行保护的电器。

配电电器主要有刀开关、组合开关、熔断器式刀开关、低压熔断器、低压断路器等。

电器基本结构？

2.1常用低压电器的基本问题

低压电器的基本结构由电磁系统和触点系统组成。

一、电磁机构

电磁机构是电磁式电器的感测元件，它将电磁能转换为机械能，从而带动触点动作。

2.1.1电磁机构的结构形式

电磁机构有电磁线圈（吸引线圈）、铁心及衔铁三部分组成。

由铁心和衔铁构成的磁路形状及衔铁运行方式的不同，以及线圈接入电路的方式不同，电磁机构可分成多种形式。

（1）按衔铁的运动方式分

1）衔铁绕棱角转动拍合式；

2）衔铁绕轴转动拍合式

3）衔铁直线运动--直动式

（2）按线圈的连接方式分

1）串联电磁机构

2）并联电磁机构

如何控制衔铁的动作：

（3）按电磁线圈的种类分

电磁线圈可分为直流线圈和交流线圈两种；

由该种线圈构成的电器则可分为：

直流低压电器和交流低压电器。

2.1.2电磁机构的吸力特性

电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来表示。

吸力特性是指电磁机构使衔铁吸合的力与气隙的关系曲线。

反力特性是指电磁机构使衔铁释放（复位）的力与气隙的关系曲线。

吸力特性

电磁机构的吸力特性随线圈电流种类（交流或直流）、线圈连接方式（串联或并联）的不同而不同。

其近似计算公式为：

1）交流电磁机构的吸力特性

对于具体电压线圈的交流电磁机构，设外加电压U不变，则:

U≈4.44fN

当频率f、匝数N和外加电压U都为常数时，磁通也为常数；

虽然电磁机构的气隙磁通近似不变，但气隙磁阻随气隙长度而变化，根据磁路定律：

交流电磁线圈的电流I与气隙成正比，

交流电磁机构不适用的场合

如果衔铁卡住不能吸合，或者衔铁频繁动作，线圈可能因为过电流而烧毁。

所以在可靠性要求高或操作频繁的场合，一般不采用交流电磁机构。

2）直流电磁机构的吸力特性

对于具有直流电压线圈的电磁机构，因外加电压和线圈电阻不变，则流过线圈的电流为常数，即电流与气隙大小无关，则吸力F正比于：

直流电磁机构的吸力特性曲线

衔铁闭合前后电磁吸力变化很大，由于电磁线圈的电流不变，所以直流电磁机构适用于动作频繁的场合，且吸合后电磁吸力较大，工作可靠性好

直流电磁机构线圈停电时的问题？

当直流电磁机构的电磁线圈断电时，由于磁通急剧变化，因而在线圈中会感应很大的反电动势，其值可达线圈额定电压的10-20倍，很容易使线圈因过电压而损坏。

为了减小此反电动势，一般在电磁线圈上并联一个放电回路，通常放电电阻的阻值取线圈直流电阻的6-8倍。

直流电磁线圈并联的放电回路

2.1.3电磁机构的反力特性

为了使衔铁在线圈断电后能恢复到原来打开位置，在电磁式电器中都装有释放弹簧。

电磁机构的反力包括释放弹簧的反力、触点弹簧的反力以及运动部件的重力，反力特性曲线如图曲线3所示，

反力特性曲线

吸力特性与反力特性的配合

为了保证吸合过程中衔铁能可靠吸合，电磁吸力特性必须与反力特性配合好，如前图所示。

在吸合过程中，吸力必须大于反力。

但吸力不能过大，否则会使衔铁吸合时的运动速度过大，使衔铁与铁心柱端面造成严重磨损；

另外，过大的冲击力有可能使触点产生弹跳的现象。

吸力也不能过小，否则会使衔铁吸合时的运动速度降低，难以保证高操作频率的要求。

如何实现吸力与反力特性的配合？

在实际应用中，可通过调节改变反力弹簧的松紧度来实现吸力特性与反力特性的适当配合。

交流电磁铁减少衔铁振动的方法

对于单相交流电磁机构，一般在铁心端面上安装一个用铜制成的分磁环（或称短路环），就可消除衔铁的振动。

2.1.4触点系统

触点是电磁式电器的执行元件，电器就是通过触点的工作来实现（通/断）被控制的电路。

1）触点的分类

触点的分类方法很多，可分为主触点和辅助触点，主触点用于通断主电路，辅助触点用于通断控制电路；

按其原始状态可分为常开触点和常闭触点，原始状态时断开，线圈通电后闭合的触点称为常开触点；原始状态闭合，线圈通电后断开的触点称为常闭触点。

按其结构形式可分为桥式触点和指形触点等；

桥式触点和指形触点

点接触、线接触和面接触

面接触触点的优点？

面接触触点在接触表面上镶有合金，接触电阻小抗磨损能力强，允许通过的电流大，常用于较大容量接触器的主触点；

线接触触点的优点？

线接触触点在通断过程中是滑动接触，这样，可以在通断过程中自动清除接触点表面的氧化膜，保证了触点的良好接触，

常用于通电次数多，电流较大的场合，如中等容量接触器的主触点。

线接触触点的接触过程

2）触点的接触电阻

由于触点的接触面不是理想的光滑表面，在接触时，实际接触的面积总是小于触点原有可接触面积，从而使接触区的导电性能变差。

这种由于动、静触点闭合时在过渡区域所形成的电阻，称为接触电阻。

减少接触电阻的方法

1）选用导电性好、耐磨性好的铜、银、镍及其合金材料做触点；

2）有时在铜触点表面电镀锡、银或镍；

3）还可在触点上装设接触弹簧，使触点接触紧密些；

2.1.5电弧的产生和常用灭弧方法

1）电弧的产生

当触点在分断电路时，如果触点之间的电压达12-20V、触点通过的电流达0.25-1A，触点间隙内就会产生电弧。

电弧实际上是触点间气体在强电场作用下放电现象。

触点间隙气体放电现象

所谓气体放电，即触点间隙中的气体被游离而产生大量的电子和离子，大量的带电粒子作定向运动，于是绝缘的气体就变成了导体。

电流通过这个游离区时消耗电能转换为热能和光能，有可能产生高温并发出强光，使触点烧损，使电路的切断时间延长，甚至不能断开，造成严重事故。

触点电弧对电器的影响

1）触点打开时，由于电弧的存在，使要断开的电路实际上并没有断开；

2）电弧的温度很高，严重时可使触点熔化。

3）电弧向四周喷射，会引起电器和周围物质的损坏，还会造成相间短路，甚至造成火灾。

必须采取措施以加速可靠地熄灭电弧

2）常用灭弧方法

（1）灭弧栅灭弧

灭弧栅灭弧原理

灭弧栅由多片表面镀铜的薄钢片（称为栅片）制成，它们置于灭弧罩内的触点上方，彼此之间互相绝缘，片内距离为2-3㎜。

一旦发生电弧，电弧周围产生磁场，导磁的钢片将电弧吸入栅片内，电弧被栅片分割成许多串联的短电弧，当交流电压过零时电弧自然熄灭。

电弧吸入灭弧栅栅片的切面图

（2）灭弧罩灭弧

灭弧罩常用陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。

电弧进入灭弧罩后，电弧与灭弧罩接触，能使电弧迅速冷却而熄灭，这种灭弧装置可用于交流和直流灭弧。

（3）磁吹灭弧原理图

磁吹灭弧原理

在触点电路中串入一吹弧线圈，当触点电流通过吹弧线圈时要产生磁场，根据右手螺旋定则可知，触点周围的方向是向里的。

触点分开的瞬间所产生的电弧就是载流体，在磁场的作用下受到向上的电磁力，电弧被拉长并吹入灭弧罩中。

熄弧角和静触点相连接，其作用是引导电弧向上运动，将热量传递给罩壁，促使电弧熄灭。

磁吹灭弧适用场合

这种装置是里利用电弧电流本身灭弧的，故电弧电流越大，灭弧能力越强。

它广泛用于直流灭弧装置中。

4）双断口灭弧原理图

双断口灭弧原理

双断口就是一个回路中有两个产生断开电弧的间隙。

当触点打开时，在断口中产生电弧，电弧载流体在弧区电流产生的磁场作用下，受到一个指向外侧的力F的作用，使电弧向外运动并拉长，使它迅速穿越冷却介质而加快电弧冷却并熄灭。

这种熄灭方法效果较弱，故一般多用于小功率的电器中。

2.2常用低压配电电器

2.2.1刀开关

刀开关是一种手动电器。

简单的刀开关因没有灭弧措施，分断速度低，所以其分断能力很弱，主要用在负载切除后，将线路与电源隔开，以保证检修人员的安全，为电源隔离开关。

1）刀开关的结构

刀开关按级数分有单级、双级和三级；按结构分有平板式和条架式。

刀开关在额定电压下接通或断开负载电流时，会产生电弧。

2）危险错误操作-刀开关产生电弧

刀开关断开负载电路，

刀开关拉弧过程案例

实际案例：

打开过载的配电箱门时!

振动使过载刀开关断开，突然：

看见了太阳!

然后，啥也看不见了!

正确的操作步骤应该是？

先停止/关闭所有负载，然后检查！

3）带速断刀片的刀开关结构图

带速断刀片的刀开关分断过程

当主触刀离开静插座一定距离时，拉力弹簧4足以克服接触压力所造成的摩擦力，而使速断刀片迅速离开静插座，加快了分断速度，减小了静插座的烧损；

还由于电弧产生在静插座与速断刀片之间，保护了主触刀，且使刀开关的断开速度与操作者的操作速度无关。

3）刀开关的主要技术参数

额定电压：

一般交流500V以下,直流440V以下,额定电流：

有10、100、1000A等

通断能力：

指在规定条件下，能接通和分断的电流值

动稳定电流：

在规定的条件下，在闭合位置上能承受的电流峰值，动稳定电流为其额定电流的几十倍到几百倍

热稳定电流：

在规定的条件下，在指定的短时间内，于闭合位置上所能承受的电流，热稳定电流也为额定电流的几十倍。

机械寿命:

在需要修理前所能承受的无载操作次数。

一般为5000～10000次

电寿命:

带负载操作次数称为电寿命。

刀开关的电寿命一般为500～1000次。

何人的寿命能与刀开关的电寿命相比？

4）刀开关的选用方法

刀开关的额定电压应等于或大于电路额定电压，其额定电流应等于或大于电路工作电流。

若用刀开关来控制电动机，则必须考虑电动机的启动电流比较大，应选用额定电流大一级的刀开关

2.2.2熔断器

1）熔断器的模型结构

2）熔断器的用途:

熔断器是当电流超过规定值一定时间后，以它本身产生的热量使熔体熔化而分断电路的保护电路，

它是集感应、比较与执行于一体的最简单且性能优异的保护电器，在低压配电线路中作短路和过载保护之用。

2）熔断器保护特性（反时限特性曲线）

4）熔断器的主要技术参数

额定电压：

指分断后能长期承受的电压；

额定电流：

熔断器在长期工作下，各部件温升不超过规定值时所能承载的电流；

额定短路分断能力：

能分断的预期电流有效值；

截断电流特性：

在交流情况下，是能达到的最大值；直流情况下，指在规定的时间常数情况下所能达到的最大值。

5）熔断器熔体的熔断过程

6）熔体熔断过程中的电压和电流

熔断器切断电路时，会出现高于电源电压的过电压,

图为一截流熔断器t=0时发生短路，t1时出现截流，截流以后熔断器两端产生电弧电压,t2时弧熄灭。

燃弧时间t2-t1

非限流式熔断器分断交流电路

非限流式熔断器分断直流电路

限流式熔断器分断交流电路

限流式熔断器在短路电流还未达到最大值时，就将电流分断，实际分断电流小于预期短路电流的最大值。

分断能力在交流电路中用预期短路电流峰值表示。

限流式熔断器分断直流电路

分断能力在直流电路中用预期短路电流的最大值表示

7）熔体的材料

熔体的材料、形状和尺寸对熔断器的保护特性和分断能力均有很大影响。

（1）低熔点材料：

包括铅、锡、锌及铅锡合金等，低熔点材料电阻系数较大；熔点低，熔化时所需热量少，有利于过载保护；但是，它们的电阻率较大，在一定的电阻值下熔体截面积较大，熔断时，产生的金属蒸汽较多，不利于熄弧，故分断能力较低。

（2）高熔点材料

多采用熔点较高、电阻系数较小的银、铜、铝等。

熔化时所需热量多，不利于过载保护。

由于这些材料的电阻率低，制成的熔体截面积较小，熔断后金属蒸汽少，有利于熄弧，故分断能力较强。

快速熔断器的熔体材料一般采用银或铝。

银的电阻率最小、工作性能稳定、限流能力强；铝的电阻率略高，熔点较铜和银低，铝的焊接比较困难。

8）熔体的形状

大体有两种：

丝状和片状。

丝状熔体多用于小电流场合。

片状熔体是用薄金属片冲成，带有宽窄不等的变截面，或者在条形的薄片上冲成一些孔，

不同的形状可以改变熔断器的时间—电流特性。

当

电流大于规定值时，截面狭窄处因电阻较大、散热较差，故首先熔断，整个熔体变成几段掉落下来，造成几段串联短弧，有利于熄弧。

9）熔断器绝缘管中的填充材料

填料是加速灭弧、提高分断能力的有效措施。

熔体在熔断后，金属蒸汽扩散到填料中迅速冷却，有力地加强了消除电离作用，使电弧熄灭，同时改善了熔断器的导热性能。

对填料的要求：

热容量大，在高温作用下不会分解出气体，以免增加管中的压力，填料的颗粒大小要适当。

填充材料可用石英砂SiO2，石英砂的直径以0.2～0.4㎜为宜。

10）熔断器的选用原则

（1）额定电压大于或等于线路的额定电压

（2）额定分断能力应大于线路可能出现的最大短路电流。

（3）按不同用途，选择不同类型的熔断器。

不同用途的熔断器为配合被保护对象允许的过载特性，其时间—电流特性是不同的。

一般用途的熔断器主要用于线路和电缆的保护。

熔断器型号和用途

对于容量较小的照明线路或电动机的保护，可采用RC10系列半封闭式熔断器或RM10系列无填料封闭式熔断器；对于短路电流相当大的电路或有易燃气体的地方，则应采用RL1系列或RT系列有填料封闭式熔断器。

对于半导体器件保护，则应采用RSO型快速熔断器。

保护半导体器件的RSO熔断器选择

应具有很强的截流特性和快速特性；还应具有与半导体器件额定参数中I2t相匹配的要求，熔断器的I2t值小于被保护器件允许的I2t值；

熔断器的额定电流（有效值）应是半导体器件正常满载工作时正向平均电流IF（AV）或通态平均电流IT（AV）的1.6倍；

熔断器的最大电弧电压uhm与工作电压的关系由制造厂提供，uhm必须低于半导体元件额定反向重复峰值电压；

熔断器的选择与整流器件的配合

P34例

单相全波整流电路，电源电压380V，根据负载大小，选择整流管D的正向通态平均电流为100A，

如何选择熔断器RD和整流管D的反向重复峰值电压URRM？

将整流器件的正向平均电流换算成方均根电流，IF（RMS）=1.6IF（av）=160A

熔断器的过载安秒特性

查特性表，IN=160A熔体的I2t为0.113*105A2s

熔断器的过电压特性

查过电压特性表，

额定工作电压为380V的NGT-380熔断器的过电压峰值约为800V

被保护电器的过载安秒特性和反向重复峰值电压参数都必须大于保护电器的相应参数，

所以：

整流管D的I2t为0.24*105A2t；

额定反向峰值电压大于1000V即可；

2.2.3低压断路器

1）用途

对低压配电电路、电动机等设备实行通断操作并起保护作用，即当电路内出现过载、短路或欠压等情况时，能自动分断电路的开关电器，是配电系统中的主要电器。

一般断路器可用于交流电路或直流电路，有些断路器专为交流或直流电路而设计。

故障情况下是自动操作的，正常情况下的合/分操作如何完成？

由人手动完成

2）实物模型

3）低压断路器的分类

品种较多，可按用途、传动方式来分

1.按用途分：

有保护配电线路用、保护电动机用、保护照明线路用、漏电保护用等

2.按结构型式分：

有万能式和装置式

3.按极数分：

有四极、三极、二极和单极

4.按限流性能分：

有普通式和限流式

5.按操作方式分：

有直接手柄操作式、杠杆操作式、电磁铁操作式和电动机操作式

5）低压断路器的机构

低压断路器由触头系统、灭弧系统、各种脱扣器以及开关机构等组成。

断路器的机构指分/合闸操作机构，也包括自由脱扣机构，其作用是实现操作手柄（或电动分/合闸装置）对断路器的分闸与合闸控制。

断路器处于合闸状态时的机构图

断路器处于分闸状态时的机构图

6）故障时低压断路器断开电路的时间

短路故障时：

1.万能式限流断路器触头系统的固有动作时间只有1-2ms，全部分断时间在10ms以内；

2.装置式断路器在8-10ms内全部分断电流

正常合闸操作的时间：

DW15型断路器：

有预储能机构，50-70ms使断路器闭合；无预储能机构的过程约1.5s。

7）断路器的主要技术参数

1.额定电压分额定工作（绝缘和脉冲）电压，额定工作电压对于交流多相电路则指电路的线电压。

额定工作电压在数值上取决于电网的额定电压等级，交流：

220、380、660、1140V，直流：

220、440V等。

同一断路器可以规定在几种额定工作电压下使用，但相应的通断能力并不相同；

2.额定电流是指脱扣器的额定电流，一般情况下也是断路器的额定持续电流；

3.额定短路分断能力是指分断短路预期电流的能力。

它又分为额定极限短路分断能力和额定运行短路分断能力。

8）断路器的保护特性

1.过电流保护特性：

是指断路器的动作时间t与过电流脱扣器的动作电流I的关系曲线；

2.欠电压保护特性：

当主电路电压低于规定值时，断路器应能瞬时或经短延时动作，将电路分断；

3.漏电保护特性：

当电路漏电电流超过规定值时，断路器应在规定时间内动作，分断电路。

9）断路器的漏电保护电路原理图

漏电脱扣器的结构和工作原理图

其它漏电保护断路器电路原理图

10）断路器实际应用中的接线方法

2.直流系统提高断路器分断容量的接线

接线方法2：

并联提高额定电流水平和断流能力