電器學

第二篇低壓電器

第四章低壓控制電器作者：歐陽森EPCofSCUT注：該課件與上課PPT有較大差別考試以此為準2/5/20231低壓電器概述80％的電能是以低壓電的形式利用低壓電器的作用對配電線路及其設備起保護(通斷)、控制或調節作用；典型設備斷路器：多功能電器，適用于過載、短路、欠電壓等故障情況下，自動分段故障線路，也可用于不頻繁地接通和分斷電路線路。刀開關：用于維護線路時隔離電源用，有明顯斷口以保證維修工作的安全進行。接觸器：遠距離操作電器，用于在正常工作條件下頻繁地接通和分斷電路線路。熔斷器：短路保護。熱繼電器：過載保護2/5/20232一、低壓電器的主要類別1）按應用場所分類——配電電器和控制電器配電電器：特點：在正常工作及故障工作情況下可靠工作；要求：足夠的熱穩定和動穩定性；工作于：低壓配電系統；具體：當低壓配電電路正常運行對低壓配電電器起通斷和轉換電源或負載的作用；當電路出現過裁、短路、欠壓、失壓、斷相和漏電等不正常狀態比低壓配電電路應起保護作用，自動斷開故障電路；因而對低壓配電電器的主要技術要求是故障情況下通斷能力大、工作可靠、具有多種保護方式、能作選擇性保護、有足夠的動穩定性和熱穩定性等。低壓配電電器主要有低壓斷路器、熔斷器、刀開關和轉換開關，以及電力網用保護繼電器。2/5/20233一、低壓電器的主要類別控制電器：特點：在正常工作條件下可靠工作；要求：操作頻繁，電壽命長；工作于：電力拖動控制系統。具體：電力拖動控制系統對低壓控制電器的主要要求是工作準確可靠、操作頻率高、機械壽命和電氣壽命長，尺寸小等；低壓控制電器應能接通與分斷過載電流，但不能分斷短路電源；常用低壓控制電器有接觸器、控制繼電器、主令電器、控制器、接口電器、驅動(執行)電器和顯示、報警電器、變阻器和電磁鐵等。2/5/20234二、系統對開關電器的要求（一）

配電電器的通斷能力和通斷條件低壓配電系統最嚴重的故障：短路對低壓電器的要求：可靠分斷、接通；動作快速電器的額定接通能力——短路沖擊電流值，即短路電流的最大峰值原因：電流產生的電動力使觸頭斥開，甚至導致觸頭熔焊另一個概念：額定短路接通能力，即最大預期短路電流的峰值具體定義：P117，額定電壓、頻率、功率因數/時間常數下斷路器能接通的電流值。

一般用額定短路分斷電流IC乘上峰值系數n來表示電器的額定分斷能力2/5/20235（一）

配電電器的通斷能力和通斷條件表II-2接通/分斷能力受功率因數/時間常數影響的原因：線路電抗XΣ對電阻RΣ的比值越大，功率因數越小，則：1）短路沖擊電流越大——接通能力要求越高2）工頻恢復電壓變大，導致恢復電壓的振蕩過程，造成熄弧困難——分斷要求更高2/5/20236（一）

控制電器的通斷能力和通斷條件控制電器的特點：操作頻繁；電壽命要求長；使用范圍受限。 因為要使控制電器既能適應各種負載情況，又要具有高的操作頻率和電壽命是較不經濟的。控制電器：控制用電設備在正常工作條件下的通電和斷電。背景：不同的用電設備在接通和分斷時的情況各不相同，對控制電器的通斷能力提出高要求。電阻性負載： 起動電流和工作電流基本相同；繞線電動機負載：起動電流為額定電流的2.5倍；籠型電動機負載：起動電流為額定電流的6倍；2/5/20237（一）

控制電器的通斷能力和通斷條件電機分斷電壓與負載的關系電機轉子繞組的感應電勢EE∞轉速結論：正常運行電機分斷時，電弧易熄滅剛啟動電機則相反控制電器的觸頭兩端電壓：U=UN－E2/5/20238三、動熱穩定性要求背景：線路發生短路故障到線路被（相應自動配電電器）切斷過程中，由于受到短路電流的作用，電器的動穩定性和熱穩定性要求被提出來動穩定性：電器承受短路電流的電動力而不致損壞的能力。電動力∞電流平方用沖擊電流來表示動穩定性注意交、直流電取值的不同交流：沖擊電流值（峰值）直流：短路電流最大值電流時間：0.1s2/5/20239三、動熱穩定性要求熱穩定性：電器承受規定時間內短路電流產生的熱效應而不致損壞的能力。短路電流=周期分量＋非周期分量計算短路電流的發熱，可不記入電流的非周期分量。原因：時間常數通常在0.01s，非周期分量不到0.03s就消失了。熱穩定性用短路電流周期分量的有效值來表示，則：I2t

（1s時間）熱穩定電流的換算2/5/202310（三）保護性能總的來說集中在幾方面：過電流保護欠壓和失壓保護斷相保護漏電保護例如：斷路器(自動開關)——多種保護熔斷器——短路保護熱繼電器——過載保護2/5/2023111.

過電流保護過電流現象：短路、過載特點：低壓系統最常見的故障，會導致設備溫升過高，減少設備使用壽命。過電流保護特性：保護電器動作時間t與通過它的電流I的函數關系，t=f(I)，t=f(I/IN)。動作時間t：過電流開始到切除故障所需的時間。2/5/2023121.

過電流保護關鍵：保護特性能與被保護設備的過載熱特性配合；快速、可靠地切斷故障線路。注意：快速切斷能力是基于“配合”基礎上，而非首要要求（要選擇性開斷）。選擇性開斷通過不同的保護電器對不同的電流進行不同的時間動作值的設置盡可能使停電面積和停電時間最少2/5/2023131.

過電流保護特性配合反時限保護特性動作值越大，動作時間越小例子1：電動機的過載保護特性（過載大小與允許工作時間的關系）圖II－1保護特性確定要點：平衡：過載能力和發熱允許值臨界動作電流：電器動作的最小電流2/5/2023141.

過電流保護斷路器的構成：脫扣器系統、觸頭系統、支架和框架。電磁式斷路器的保護特性靠各種脫扣器來實現，如過電流脫扣器、欠壓脫扣器等，可參見P160圖5－11智能脫扣器則靠（基于單片機的）智能脫扣器來實現以前多個電磁、機械式脫扣器的功能。斷路器的保護特性（多種保護性能）：短路和過載保護，選擇性保護，欠壓、失壓保護等等。圖II－2：兩段式、三段式保護特性反時限保護：用于過載保護；瞬時動作特性：用于短路保護；短延時動作特性：帶有短延時（定時限）的短路保護；t0I/IN2/5/202315保護特性的配合背景：不同的負載需要不同的保護特性，即多個保護電器在不同電壓線路中的特性配合例子：圖II－3配合目的：縮小故障范圍，最大限度地保證配電系統的供電故障時，電器對下級設備的快速保護原則A.與被保護對象的特性配合B.保護電器之間的特性配合要點：1）上下級動作電流滿足分級要求2）上下級動作時間滿足分級要求3）上級電器對下級電器的后備保護t0I/IN2/5/2023162.欠壓和失壓保護現象：欠壓——短暫時間內線路中的電壓大幅度降低失壓——短暫時間內線路中的電壓消失原因：短路故障、系統故障、負荷突增等。危害：設備的非正常運行；電壓恢復時，非預期的設備自啟動；現代生產、生活對電能質量的高要求；2/5/2023172.欠壓和失壓保護臨界電壓：引起電機疲倒時的電源電壓。欠壓保護：電壓降到一定程度，電機會疲倒、堵轉，大批電機同時出現幾倍的過電流，故障迅速擴大線路電壓降低到臨界電壓時電器所進行的動作失壓保護：線路電壓低于或甚低于臨界電壓時，保護電器的動作；

防止電壓恢復后電機的自啟動2/5/202318電動機臨界電壓的分析：圖II－4感應電機轉矩∞(電源電壓)2最大轉矩的轉差率與電源電壓變化無關恒定阻轉矩的負載機械特性——曲線4(假定)額定電壓時電機的機械特性——曲線1——交點N電壓降低時電機的機械特性——曲線2——交點H臨界電壓時電機的機械特性——曲線3——交點KN->H->K：電機轉速降低，而轉差率s增大K點為不穩定點，此時欠壓保護應該迅速動作2/5/202319電動機臨界電壓的分析：圖II－4相關公式的推導——電機學回顧負載轉矩恒為Tfz；額定電壓UN時最大轉矩為Tm；臨界電壓Uli時最大轉矩為Tfz；得到：經驗結論：欠壓保護動作的電壓值：0.35~0.7UN失壓保護：能在零壓釋放即可2/5/2023203.斷相保護背景：單相運轉是三相感應電動機燒壞的主要原因之一原因：電源線；熔斷器、斷路器、接觸器等各種設備的故障導致某相開路。熔斷器單相熔斷電源線或電機單相斷線電機繞組接線松脫刀開關等接觸不良變壓器一次側開路等2/5/2023213.斷相保護星形接法三相電機單相斷相合成力矩小啟動轉矩T＝0后果：1）電動機有用轉矩減小；2）繞組電流增加以維持負荷功率因數降低，銅耗增加；3）鐵損增加有可能由于定、轉子溫升增高而燒毀電動機。保護方法采用三極熱繼電器2/5/2023223.斷相保護三角形接法圖II－5正常的相電流I與線電流Ix的關系：斷相的相電流根據電阻按比例分配，單個線圈為2Ix/3，串聯的兩個線圈為Ix/3——最大增加1.15倍斷相時線電流小于熱繼電器動作電流保護方法：則需認真考慮，附加其它組件(P136圖4－20)2/5/2023234.漏電保護觸電危害——電流流過的人體部位、電流大小、持續時間等相關主要原因：使心臟不能有節律地進行整體收縮，即心室顫動。經驗值： 30－50mA 數分鐘

50－幾百mA

幾個心臟脈動周期安全臨界值：30mA·s漏電保護電器的設計依據

400V以下低壓配電網中性點接地方式：經電阻接地10kV配電網中性點接地方式：經消弧線圈，或改進形式為綜合考慮消弧線圈動作原理、選線裝置原理，需要作特性配合2/5/202324第四章低壓控制電器主要控制對象：電動機、泵類、變頻設備等控制要求：頻繁的起、停、轉向操作對控制電器的基本要求：操作頻率高、工作準確可靠、使用壽命長、體積小、重量輕。種類：控制繼電器、接觸器、起動器、控制器、主令電器、電阻器、變阻器、電磁鐵等。2/5/202325低壓控制電器的主要作用控制繼電器：控制，主電路的保護接觸器：遠動，頻繁操作起動器：電機起、停、轉向，過載保護雙金屬元件：熱感應單元，即“輸入”部分其它：控制器：轉換接線、變更參數主令電器：如按鈕、行程開關等電阻器：恒定阻值變阻器：阻值改變，如起動電阻器電磁鐵：電磁能——>機械能2/5/2023264.2主令電器主令電器是用來開閉控制電路，以實現對其他電器(通常為電磁機構的線圈)發出控制指令的電器。其特點①它是由人工或物件位置操動的非自動電器，是在一個控制程序中首發控制指令的電器；②開閉的電流小(5A以下)，沒有滅弧的專門要求；③多為雙斷點橋式觸點；④屬低壓電器。2/5/2023274.3

控制繼電器適用：遠距離閉合和斷開交直流小容量控制電路，用作控制和保護或信號轉換。輸入信號：電壓、電流等電量信號；溫度、壓力、速度等動作信號。概念：動作值、返回值。圖4－52/5/2023284.3控制繼電器結構：不具備滅弧系統；分類：電壓繼電器——反映輸入電壓的變化而動作中間繼電器電流繼電器——電流時間繼電器——執行的延遲性熱繼電器——過載保護溫度繼電器——過熱保護、溫度控制速度繼電器——電機轉速和轉向的監測2/5/2023294.3控制繼電器圖4－8繼電特性圖4－5電磁式繼電器的影響參數電磁吸力與電流的關系：F∞I2用力矩表示，有M∞I2則不同的動作電流對應不同的吸力矩，式4－1：(M1/M2)＝(Ic1/Ic2)2

2/5/2023304.3控制繼電器二）返回系數目的：了解返回系數與繼電器反力特性的關系系數與吸力特性關系的推導過程：P129圖4－9動作電流Ic對應的曲線F上返回電流If對應的曲線F下由上，可知返回系數有（式4－3）注意：由于返回值是一定的（曲線F3）則：要使返回系數增大，必須減小吸力特性和反力特性的差異（減小F’）。2/5/2023314.3控制繼電器返回系數與F’的關系：推導過程P129－130推導過程：圖4－10釋放位置上，兩個動作電流與兩個反力的比例關系：式4-3與4-4之間同理，銜鐵返回(吸合)位置上的反力與電流關系：則式4－4：結論：減小F’，則返回系數增大。2/5/2023323）動作時間提高繼電器返回系數的方法：P130調整整定值；一般方法：1）使吸力特性和反力特性合理配合(盡量接近)；2）減小工作行程。共同點：使吸力特性和反力特性盡量接近2/5/2023334）消耗功率和靈敏度消耗功率：減少匝數有助于減小功耗但靈敏度越高，所要求消耗的功率越小靈敏度和控制容量：互相制約關系

2/5/202334三）動作時間分類：快動作（<0.05s）、延時動作（>0.2s）和正常動作定義：動作時間＝觸動時間＋運動時間觸動時間：P32由電路平衡方程式：推導得到（4－6）：運動時間式4－7結論：繼電器動作時間與很多參數相關2/5/202335五、時間繼電器定義：從接受信號到執行元件動作具有一定時間間隔的繼電器。原理：根據線圈切斷電源后磁系統中磁通緩慢衰減的原理工作。利用磁系統的銜鐵由吸合位置到釋放的過程獲得延時。種類：電磁式、鐘表式、氣囊式、電子式、數字式2/5/202336五、時間繼電器電磁式時間繼電器靠非磁性墊片來控制延時時間：從線圈短接到磁通衰減到釋放磁通不同厚度非磁性墊片對延時的影響圖4－12剩磁越大，延時穩定性越差結論：增大非磁性墊片(氣隙)，有助于減小剩磁2/5/202337時間繼電器調整延時的方法1）線圈短接；圖4－11剩余磁通——影響延時時間的穩定性；剩磁越大，延時調整范圍越小——△t1、△t2選矯頑力小的磁性材料(使剩磁磁通小)曲線1<曲線2——剩磁Φs1<Φs22）非磁性墊片——粗調；圖4－12增大工作氣隙，減小剩磁——防止銜鐵不能可靠釋放材料：磷青銅片只能粗調延時3）改變反作用彈簧的反力——細調；4）阻尼筒使磁通緩慢地減小，增大延時T＝L/R——銅、鋁等其他溫升和電壓波動等2/5/202338熱繼電器P134形式雙金屬片式熱敏電阻式易熔合金式雙金屬片結構圖4－16熱元件的加熱方式圖4－17直接、間接復合互感器2/5/202339熱繼電器P136補償雙金屬片的作用圖4－18補償溫度變化機械傳動斷相保護機構圖4－20單相、雙相、三相故障都會