1、第第2章章 电器的基本知识电器的基本知识 什么是电器？什么是电器？电器电器 电气器具。电气器具。电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的电器的定义：指能依据操作信号或外界现场信号的要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地要求，自动或手动接通和断开电路，连续或断续地改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、改变电路参数，以实现对电路或用电设备的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电控制、保护、检测、变换和调节的元件、设备和电工装置。工装置。电器电器 一种能控制电的工具。一种能控制电的工具。2.1 电器概述电器概述2.1.1 电器的分类电器的分类1.按工作电压等级分按工作电压
2、等级分低压电器：工作电压在低压电器：工作电压在交流交流1200V或或直流直流1500V以以下的各种电器。下的各种电器。高压电器：工作电压高于交流高压电器：工作电压高于交流1200V或直流或直流1500V的的各种电器。各种电器。安全电压安全电压安全电压定义：为防止触电事故而采用特定电源供安全电压定义：为防止触电事故而采用特定电源供电的电压系列。电的电压系列。我国我国GB3805-83安全电压标准规定：安全电压的安全电压标准规定：安全电压的额定值为额定值为42、36、24、12、6V。1.42V可供有触电危险的场所使用，如手持式电动可供有触电危险的场所使用，如手持式电动工具等的使用；工具等的使用；
3、2.36V可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等可在矿井、多导电粉尘等场所使用的行灯等场合下使用；场合下使用；3.24V、12V、6V可供某些人体可能偶然触及的带可供某些人体可能偶然触及的带电体的设备选用。电体的设备选用。2.按动作原理分按动作原理分手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务手动电器：需要人工直接操作才能完成指令任务的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开的电器。如刀开关、控制按钮、控制器、转换开关等。关等。自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电自动电器：不需要人工操作，而是按照电或非电信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器、信号自动完成指令任务的电器。如交直流接触器
4、、继电器、高压断路器等继电器、高压断路器等3.按用途分按用途分控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。控制电器：用于各种控制电路和控制系统的电器。主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电主令电器：用于自动控制系统中发送控制指令的电器。器。保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。保护电器：用于保护电路及用电设备的电器。配电电器：用于电能的输送和分配的电器。配电电器：用于电能的输送和分配的电器。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。执行电器：用于完成某种动作或传动功能的电器。4.按工作原理分按工作原理分电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器。电磁式电器：依据电磁感应原理来工作的电器
5、。非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种非电量控制电器：电器的工作是依靠外力或某种非电物理量的变化而动作的电器。非电物理量的变化而动作的电器。5.按电器的执行机构特点分按电器的执行机构特点分有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现。有触点电器：电器通断电路的功能由触点来实现。无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械无触点电器：电器通断电路的功能不是通过机械接触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导接触，而是根据输出信号的高低实现的（即半导体器件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三体器件的开关效应，如可控硅的导通和阻断、三极管的饱和截止来实现电路的通断）。极管的饱和截止来实现电路的通断）
6、。2.1.2 电器产品的发展电器产品的发展1.我国电器产品的发展历程我国电器产品的发展历程低压电器产品大致可分为三代：低压电器产品大致可分为三代：20世纪世纪6070年代：年代：第一代电器产品第一代电器产品 完全模仿前苏联的基础上设计开完全模仿前苏联的基础上设计开发的。发的。特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理特点：结构尺寸大、材料消耗多、性能指标不理想、品种规格不齐全。想、品种规格不齐全。CJ10交流接触器交流接触器DZ10断路器断路器DW10多油断路器多油断路器第一代电器产品第一代电器产品第二代产品第二代产品 20 世纪世纪7080 年代：年代：第二代电器产品第二代电器产品 更新换代
7、和引进国外先进技术制更新换代和引进国外先进技术制造的。造的。特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积特点：技术指标明显提高，保护特性较完善，体积缩小，结构上适应成套装置要求。缩小，结构上适应成套装置要求。CJ20接触器接触器DZ20断路器断路器DW15断路器断路器第二代电器产品第二代电器产品第三代产品第三代产品 20 世纪世纪90 年代：年代：第三代电器产品第三代电器产品 跟踪国外新技术自行开发试制的。跟踪国外新技术自行开发试制的。特点：产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电特点：产品性能优良、工作可靠、体积小，具有电子化、智能化、组合化、模块化、多功能化。子化、智能化、组合化、模块化、多
8、功能化。CJ40接触器接触器DZS断路器断路器DW45断路器断路器第三代电器产品第三代电器产品2.电器产品的发展趋势电器产品的发展趋势传统的有触点电器：传统的有触点电器：在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺在结构原理、最佳结构设计和应用新材料、新工艺方面不断创新和完善。方面不断创新和完善。真空电器真空电器半导体电器半导体电器新型电器新型电器机电一体化电器机电一体化电器有触点电器有触点电器电器产品向着组合化、成套化和智能化发展。电器产品向着组合化、成套化和智能化发展。2.1.3 新技术在电器设计和开发中的应用新技术在电器设计和开发中的应用1.三维计算机辅助设计系统三维计算机辅助设计系统三
9、维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一三维计算机辅助设计系统集设计、制造和分析于一体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配，体，设计者可在三维空间完成零部件设计和装配，实现设计和制造的自动化与优化，并在此基础上自实现设计和制造的自动化与优化，并在此基础上自动生成工程图纸。动生成工程图纸。2.低压电器专用计算机应用软件低压电器专用计算机应用软件数据、符号、标准元件库。数据、符号、标准元件库。软件包：软件包：专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、专用分析、计算软件，如磁系统三维分析、计算软件包。计算软件包。电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电电器开关特性的计算机模拟和仿真、低压电器合闸和分
10、断过程动态仿真、电磁机构和触器合闸和分断过程动态仿真、电磁机构和触头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程头运动过程动态仿真、电弧产生与熄灭过程的动态仿真、样机测试等软件包。的动态仿真、样机测试等软件包。3.计算机网络系统的应用计算机网络系统的应用低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护低压电器与控制系统已形成了智能化监控、保护与信息网络。与信息网络。智能化电器智能化电器监控器监控器中央计算机包括可编程序控制器（中央计算机包括可编程序控制器（PLC）网络元件网络元件监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护监控器：在网络中起参数测量、显示和某些保护功能，还具有通信接口的作用，代替了传统的指功能
11、，还具有通信接口的作用，代替了传统的指令电器、信号电器和测量仪表。令电器、信号电器和测量仪表。网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、网络元件：用于形成通信网络，主要有现场总线、操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。操作器与传感器接口、地址编码器及寻址单元等。微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术微处理机技术、计算机网络技术和信息通信技术的应用的应用一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控一方面使低压电器智能化，提高了低压配电与控制系统的自动化程度；制系统的自动化程度；另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双另一方面使智能化电器与中央控制计算机进行双向通信，使低压配电、控制系
12、统的调度、操作和向通信，使低压配电、控制系统的调度、操作和维护实现了四遥（维护实现了四遥（遥控、遥信、遥测、遥调遥控、遥信、遥测、遥调），），提高了整个系统的可靠性。提高了整个系统的可靠性。4.可靠性技术可靠性技术 可靠性物理研究，即产品失效机理研究；可靠性物理研究，即产品失效机理研究；可靠性指标与考核方法研究；可靠性指标与考核方法研究；可靠性实验装置研究；可靠性实验装置研究；提高可靠性水平研究；提高可靠性水平研究；5.新的灭弧系统和限流技术新的灭弧系统和限流技术 实现开关电器实现开关电器“无飞弧无飞弧”电子灭弧装置电子灭弧装置 实现无弧分断电路实现无弧分断电路 国外从国外从20世纪世纪90年
13、代后期就推出了智能化、可通年代后期就推出了智能化、可通信的第四代产品。信的第四代产品。如今，我国低压电器也已进入第四代的开发。如今，我国低压电器也已进入第四代的开发。传统低压电器向着高性能、高可靠、小型化、多传统低压电器向着高性能、高可靠、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化和零部功能、组合化、模块化、电子化、智能化和零部件通用化的方向发展。件通用化的方向发展。2.2 电器的基本理论电器的基本理论电器的组成：电器的组成：从控制的角度看从控制的角度看电器电器输入部分输入部分输出部分输出部分结构上结构上电器电器感测部分感测部分判断部分判断部分执行机构执行机构2.2.1 电磁式电器的工作原
14、理电磁式电器的工作原理电磁式电器的组成：电磁式电器的组成：感测和判断部分感测和判断部分 电磁机构电磁机构执行机构执行机构 触头触头 1.感测和判断部分感测和判断部分电磁机构：电磁机构：铁心铁心吸引线圈吸引线圈衔铁衔铁弹簧弹簧动触头动触头静触头静触头将电磁能量转换为机械能量，带动触头将电磁能量转换为机械能量，带动触头工作，完成接通和分断电路。工作，完成接通和分断电路。（1）电磁机构的工作特性）电磁机构的工作特性输入电能输入电能磁场能量磁场能量lSNiRFm电磁吸力电磁吸力 如果空气隙中的磁场均匀分布，根据麦克斯韦电磁如果空气隙中的磁场均匀分布，根据麦克斯韦电磁力计算公式：力计算公式：02at2S
15、BF 真空的磁导率真空的磁导率 mH/10470SSBF2727at810810当端面面积当端面面积S为常数时，电磁吸力与为常数时，电磁吸力与B2或或2成正比。成正比。电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来描电磁机构的工作特性常用吸力特性和反力特性来描述。述。吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸吸力特性：电磁机构的吸引线圈通电后，铁心吸引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲线。引衔铁的电磁吸力与气隙的关系曲线。反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关反力特性：电磁机构使衔铁释放的力与气隙的关系曲线。系曲线。1）直流电磁铁的吸力特性）直流电磁铁的吸力特性0mmRR mRINSRm00空气隙的
16、磁阻空气隙的磁阻 2at1FSFat27810在在IN一定时，电磁吸力一定时，电磁吸力Fat与气隙大小与气隙大小的平方成反比。的平方成反比。直流电磁机构的吸力特性直流电磁机构的吸力特性电磁铁未吸合时，磁电磁铁未吸合时，磁路中有空气隙路中有空气隙磁路中磁路中的磁阻较大，所以磁的磁阻较大，所以磁通较小，电磁吸力通较小，电磁吸力Fat也较小；也较小；电磁铁吸合后，气隙电磁铁吸合后，气隙减小磁路中的磁阻也减小磁路中的磁阻也减小，磁通增大电磁减小，磁通增大电磁吸力也增大。吸力也增大。在直流电磁铁吸合过程中，电磁吸力是逐渐增加，完在直流电磁铁吸合过程中，电磁吸力是逐渐增加，完全吸合时电磁吸力最大。对于要求
17、可靠性高或频繁动全吸合时电磁吸力最大。对于要求可靠性高或频繁动作的控制系统常采用直流电磁机构。作的控制系统常采用直流电磁机构。mRINSFat27810SRm当气隙当气隙相同时，安匝数大的电磁铁其电磁吸力越相同时，安匝数大的电磁铁其电磁吸力越大。大。当然电磁线圈的励磁电压当然电磁线圈的励磁电压U的升高或降低，即励磁的升高或降低，即励磁电流电流I的增大或减小，以及气隙的大小都将影响到的增大或减小，以及气隙的大小都将影响到电磁铁的吸力特性，从而影响电磁铁的工作。电磁铁的吸力特性，从而影响电磁铁的工作。2）交流电磁铁的吸力特性）交流电磁铁的吸力特性设，气隙中的电磁感应强度按正弦规律变换。设，气隙中的
18、电磁感应强度按正弦规律变换。tBBsinm交流电磁铁吸力瞬时值的表达式：交流电磁铁吸力瞬时值的表达式：tFFF2cos22atmatmatSBSBF2m702matm810202at2SBF 交流电磁吸力交流电磁吸力交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间周期性的变化。交流电磁铁电磁吸力的大小是随时间周期性的变化。交流电磁吸力的平均值交流电磁吸力的平均值交流电磁铁电磁吸力的大小取决于电流变化的一个交流电磁铁电磁吸力的大小取决于电流变化的一个周期内电磁吸力的平均值。周期内电磁吸力的平均值。2441020200atmmmTatFSSBdtFTFSFmatm27810fNU44.4m当励磁电压当励磁电压U、
19、频率、频率f和线圈匝数和线圈匝数N不变时，交流电磁铁不变时，交流电磁铁的电磁力的电磁力F0也不变。也不变。交流电磁机构的吸力特性交流电磁机构的吸力特性F0=f()i=f()交流电磁铁吸合前后交流电磁铁吸合前后m的值是不变的，故电磁力的值是不变的，故电磁力F0也不变。考虑到漏磁的影响，其吸力随气隙的减小略也不变。考虑到漏磁的影响，其吸力随气隙的减小略有增加，有增加，交流励磁电流交流励磁电流I将随气隙长度将随气隙长度成正比增大成正比增大 tRtNIRiNmsinsin2mm气隙磁阻气隙磁阻Rm要随气隙长度要随气隙长度的加大成正比增加。的加大成正比增加。fNU44.4m当励磁电压当励磁电压U、频率、
20、频率f和线圈匝数和线圈匝数N不变时，交流电磁不变时，交流电磁铁的磁通最大值铁的磁通最大值m几乎不变几乎不变。结论结论 交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚交流电磁机构的励磁电流在线圈已通电但衔铁尚未动作时，电流比额定工作电流大得多。未动作时，电流比额定工作电流大得多。若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流若发生衔铁卡住不能吸合或衔铁频繁动作，交流线圈将可能因过电流而烧毁。线圈将可能因过电流而烧毁。在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用在可靠性要求高或频繁操作的场合，一般不采用交流电磁机构。交流电磁机构。瞬时吸力瞬时吸力吸力最大吸力最大吸力为吸力为0电磁吸力为零将小于弹簧的反作用力
21、，衔铁将从与铁心电磁吸力为零将小于弹簧的反作用力，衔铁将从与铁心闭合处被拉开；闭合处被拉开；当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合。当电磁吸力大于弹簧反作用力时，衔铁又被吸合。短路环短路环短路环短路环铁心铁心吸引线圈吸引线圈衔铁衔铁解决交流电磁铁产生振动和噪音的措施解决交流电磁铁产生振动和噪音的措施短路环的作用短路环的作用只要合成吸力始终大于弹簧反作用力只要合成吸力始终大于弹簧反作用力Ff，就能消除，就能消除衔铁的振动，从而消除噪音。衔铁的振动，从而消除噪音。短路环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜或铬短路环通常包围的铁心截面，一般用铜、康铜或铬合金等材料制成。合金等材料制成。3）反力特性
22、）反力特性电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧电磁机构中与电磁吸力方向相反的力，如释放弹簧的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦的弹力、触点弹簧的弹力、运动部件的重力和摩擦力统称为电磁机构的反力。力统称为电磁机构的反力。电磁机构使衔铁释放的力电磁机构使衔铁释放的力主要是利用弹簧反力主要是利用弹簧反力。弹簧的反力特性：弹簧的反力特性：KlFf14）剩磁的吸力特性）剩磁的吸力特性当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁当电磁机构的吸引线圈断电后，由于铁磁材料有剩磁使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙使其仍有一定的剩磁吸力存在，剩磁吸力随气隙的的增大而减小。增大而减小。剩磁
23、吸力剩磁吸力特性特性吸力和反力的配合吸力和反力的配合电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力，电磁机构在衔铁的吸合过程中，吸力必须大于反力，但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命。但不宜过大，否则会影响电器的机械寿命。在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证在释放衔铁时，其反力必须大于剩磁吸力才能保证衔铁可靠释放。衔铁可靠释放。要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和要求电磁机构的反力特性必须介于电磁吸力特性和剩磁吸力特性之间。剩磁吸力特性之间。5）电磁机构的输入输出特性）电磁机构的输入输出特性输入量输入量x 线圈电压或电流线圈电压或电流输出量输出量y 衔铁的位置。衔铁的位置。衔铁吸
24、合时衔铁吸合时的动作值的动作值x0当输入信号下降当输入信号下降到复归值到复归值xr时，时，衔铁释放衔铁释放 返回系数返回系数复归值复归值xr与动作值与动作值x0之比称为返回系数或恢复系数之比称为返回系数或恢复系数Kf：0rfxxK 电磁机构的返回系数一般小于电磁机构的返回系数一般小于1。（2）电磁机构分类）电磁机构分类1铁心铁心 2吸引线圈吸引线圈 3衔铁衔铁 虚线虚线磁路磁路 衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁衔铁沿棱角而转动的拍合式铁心：衔铁绕铁轭的棱角转动。这种形式磨损小，铁心一般用轭的棱角转动。这种形式磨损小，铁心一般用电工软铁制成，广泛用于直流电器和接触器中。电工软铁制成，广泛用
25、于直流电器和接触器中。衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅衔铁沿轴转动的拍合式铁心：铁心一般用硅钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。钢片叠成，常用于大容量交流接触器中。衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈衔铁做直线运动的直动式铁心：衔铁在线圈内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器内做直线运动，多用于中小容量的交流接触器和继电器中。和继电器中。（3）吸引线圈）吸引线圈吸引线圈：将电能转换为磁场能。吸引线圈：将电能转换为磁场能。吸引线圈的分类：吸引线圈的分类：按线圈的联接方式分：按线圈的联接方式分：电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗电压线圈：电压线圈并接在电源上，匝数多，阻抗大，但
26、电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制。大，但电流较小，所以常用绝缘较好的电线绕制。电流线圈：串接在主电路中，匝数少，阻抗小，但电流线圈：串接在主电路中，匝数少，阻抗小，但电流较大，所以常用扁铜线或粗铜线绕制。电流较大，所以常用扁铜线或粗铜线绕制。按吸引线圈电流的种类分：按吸引线圈电流的种类分：直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线直流线圈：因直流电磁铁的铁心不发热。只有线圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不圈发热，所以其线圈做成高而薄的瘦长型，且不设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。设线圈骨架，使线圈与铁心直接接触，易于散热。交流线圈：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡交流线圈
27、：由于交流电磁铁的铁心存在磁滞和涡流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所流损耗，不仅线圈要发热而且铁心也要发热，所以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈以其线圈设有骨架，使铁心与线圈隔离并将线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈制成短而厚的矮胖型，这样做有利于铁心和线圈散热。散热。2.执行机构执行机构执行机构执行机构电器的触头系统。电器的触头系统。触头（又称触点）的作用触头（又称触点）的作用接通和分断电路。接通和分断电路。动触头动触头静触头静触头灭弧装置灭弧装置导电部件导电部件触触头头对触头的要求对触头的要求导电、导热性良好，接触电阻小。导电、导热性良好，接触电阻小。触头通常用
28、铜、银、镍及其合金材料制成，有时触头通常用铜、银、镍及其合金材料制成，有时也在铜触头表面镀一层锡、银或镍。也在铜触头表面镀一层锡、银或镍。触头上装有接触弹簧，并在安触头上装有接触弹簧，并在安装时将弹簧预先压缩一段，使装时将弹簧预先压缩一段，使动触头刚与静触头接触时就产动触头刚与静触头接触时就产生一个初压力。生一个初压力。接触弹簧接触弹簧作用：触头接触得更加紧密，减小接触电阻，消除作用：触头接触得更加紧密，减小接触电阻，消除开始接触时产生的振动。开始接触时产生的振动。常开触头和常闭触头常开触头和常闭触头触头按其原始状态可分为：常开触头和常闭触头。触头按其原始状态可分为：常开触头和常闭触头。原始状
29、态原始状态 吸引线圈未通电时的状态。吸引线圈未通电时的状态。常闭触头常闭触头常开触头常开触头常开触头：当线圈未通电时触头断开，而线圈通电后常开触头：当线圈未通电时触头断开，而线圈通电后触头闭合的触头又称为动合触头；触头闭合的触头又称为动合触头；常闭触头：当线圈未通电时触头闭合，线圈通电后触常闭触头：当线圈未通电时触头闭合，线圈通电后触头断开的触头又称为动断触头。头断开的触头又称为动断触头。触头的复位触头的复位线圈断电后所有触头回复到原始状态。线圈断电后所有触头回复到原始状态。动作顺序：先断后合。动作顺序：先断后合。主触头和辅助触头主触头和辅助触头按触头控制的电路分为：主触头和辅助触头。按触头控
30、制的电路分为：主触头和辅助触头。主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较大主触头：用于接通和断开主电路，允许通过较大的电流，一般装有灭弧罩；的电流，一般装有灭弧罩；辅助触头：用于接通和断开控制电路，只允许通辅助触头：用于接通和断开控制电路，只允许通过较小的电流。过较小的电流。触头的结构型式触头的结构型式 桥式触头桥式触头 桥式触头：桥式触头的两个触点串于同一条电路桥式触头：桥式触头的两个触点串于同一条电路中，电路的接通和断开由两个触点共同完成。中，电路的接通和断开由两个触点共同完成。点接触型式点接触型式适用于电流不大，且触头压力适用于电流不大，且触头压力小的场合，如继电器电路、辅助触点；小的场
31、合，如继电器电路、辅助触点；面接触型式面接触型式适用于大电流的场合，这种触适用于大电流的场合，这种触头一般在接触表面上镶有合金，以减小触点的头一般在接触表面上镶有合金，以减小触点的接触电阻提高耐磨性，多用于较大容量接触器接触电阻提高耐磨性，多用于较大容量接触器的主触头。的主触头。指形触头指形触头 ：触头的接触区为一直线，触头接通或分：触头的接触区为一直线，触头接通或分断时产生滚动摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以缓断时产生滚动摩擦，既利于去掉氧化膜，又可以缓冲触头闭合时的撞击能量，改善触头的电器性能。冲触头闭合时的撞击能量，改善触头的电器性能。适用于通电次数多，电流大的场合，常用于刀开关。适用于通
32、电次数多，电流大的场合，常用于刀开关。2.2.2 电接触理论电接触理论触头在闭合状态下动、静触点完全接触，并有工作电触头在闭合状态下动、静触点完全接触，并有工作电流通过时，称为电接触。流通过时，称为电接触。电接触：导体和导体之间的连接处。电接触：导体和导体之间的连接处。1.电接触的基本概念电接触的基本概念电接触理论：研究导体接触过渡区产生的各种物理、电接触理论：研究导体接触过渡区产生的各种物理、化学现象。化学现象。在工程实际应用中在工程实际应用中电接触：指接触导体的具体结构或接触导体本身，电接触：指接触导体的具体结构或接触导体本身，接触导体接触导体接触元件。接触元件。电接触情况的好坏将影响触头
33、的工作可靠性和使用电接触情况的好坏将影响触头的工作可靠性和使用寿命。寿命。（1）电接触的结构形式）电接触的结构形式按接触工作的原理分：按接触工作的原理分：固定接触：两接触元件在工作时间内固定接触，固定接触：两接触元件在工作时间内固定接触，无相对运动也不分离。如母线的螺栓连接或铆无相对运动也不分离。如母线的螺栓连接或铆接，电子设备和仪器中的插接件、连接器和插接，电子设备和仪器中的插接件、连接器和插头等。头等。滚动和滑动接触：两接触元件能作相对滚动和滚动和滑动接触：两接触元件能作相对滚动和滑动，但不相互分离。如变阻器的滑动头、电滑动，但不相互分离。如变阻器的滑动头、电机的电刷和滑环、电气机车的馈电
34、弓和馈电线机的电刷和滑环、电气机车的馈电弓和馈电线等。等。可分、合接触：两接触元件可随时分离或闭合。可分、合接触：两接触元件可随时分离或闭合。可分、合的接触元件通常称为触头或触点。可分、合的接触元件通常称为触头或触点。在任何利用触头实现电路通、断的电器中都有这类在任何利用触头实现电路通、断的电器中都有这类电接触类型。电接触类型。可分、合接触按控制电流的大小又可分为：可分、合接触按控制电流的大小又可分为：弱电流触头：电流在几安以下，继电器触点一般弱电流触头：电流在几安以下，继电器触点一般属于弱电流范围。属于弱电流范围。中电流触头：电流从几安到几百安，大部分低压中电流触头：电流从几安到几百安，大部
35、分低压电器触头属于中电流范围。电器触头属于中电流范围。强电流触头：几百安以上高压断路器和低压自动强电流触头：几百安以上高压断路器和低压自动开关一般属于强电流范围。开关一般属于强电流范围。（2）电接触的任务和基本要求）电接触的任务和基本要求电接触的主要任务：传导电流，保证电接触能长时电接触的主要任务：传导电流，保证电接触能长时间的可靠稳定地工作。间的可靠稳定地工作。基本要求：基本要求：长期通过额定电流的电接触其温升不能超过国家长期通过额定电流的电接触其温升不能超过国家标准规定的数值，且温升稳定；标准规定的数值，且温升稳定；电接触在通过短时的短路电流或脉冲电流时，接电接触在通过短时的短路电流或脉冲
36、电流时，接触处不会发生熔焊或松驰现象；触处不会发生熔焊或松驰现象；可分、合接触在断开过程中，触头材料损失应尽可分、合接触在断开过程中，触头材料损失应尽量小；量小；可分、合接触在闭合过程中，接触处不应出现不可分、合接触在闭合过程中，接触处不应出现不能断开的熔焊现象，而且触头表面不会出现严重能断开的熔焊现象，而且触头表面不会出现严重损伤和变形。损伤和变形。对接触元件的基本要求：对接触元件的基本要求：接触时接触元件为良好的导体；接触时接触元件为良好的导体；分离后应为良好的绝缘体。分离后应为良好的绝缘体。存在的问题：存在的问题：当两导体相互接触流过电流时，接触处会出现局当两导体相互接触流过电流时，接触
37、处会出现局部高温，严重时可达到接触导体材料的熔点，在部高温，严重时可达到接触导体材料的熔点，在接触处出现熔焊现象。接触处出现熔焊现象。在电接触中普遍存在接触电阻、接触温升、接触在电接触中普遍存在接触电阻、接触温升、接触熔焊和电磨损等问题。熔焊和电磨损等问题。2.触头的接触电阻触头的接触电阻名义平面的相互接触名义平面的相互接触 在显微镜下观察都是凹凸不平的。在显微镜下观察都是凹凸不平的。接触斑点接触斑点视在接触面视在接触面在接触表面中那些真正发生接触的凸起的点或小在接触表面中那些真正发生接触的凸起的点或小面面称为机械接触斑点或简称称为机械接触斑点或简称接触斑点接触斑点。F在实际接触的小面中，只有
38、膜被压破裂的地方才可在实际接触的小面中，只有膜被压破裂的地方才可能形成金属与金属的直接接触，称这些真正能导电能形成金属与金属的直接接触，称这些真正能导电的金属接触点为的金属接触点为导电斑点导电斑点，国际通用术语称为，国际通用术语称为斑斑点点。氧化膜氧化膜导电斑点的总面积又要比实际接触斑点的面积导电斑点的总面积又要比实际接触斑点的面积小得多，直径只有小得多，直径只有m到零点几到零点几mm的数量级。的数量级。（1）接触电阻）接触电阻收缩电阻收缩电阻由于电流线在导电斑点附近发生收缩，由于电流线在导电斑点附近发生收缩，使电流流过的路径增加，在接触内表面出现的局部使电流流过的路径增加，在接触内表面出现的
39、局部附加电阻。附加电阻。导电斑点附近电流线收缩示意图导电斑点附近电流线收缩示意图 表面膜电阻表面膜电阻当电流通过导电斑点时，使电流当电流通过导电斑点时，使电流受到一定的阻碍而导致产生另一附加电阻。受到一定的阻碍而导致产生另一附加电阻。接触电阻接触电阻收缩电阻与表面膜电阻之和。收缩电阻与表面膜电阻之和。（2）接触电阻的计算）接触电阻的计算电接触简化模型电接触简化模型 a、b间的电阻应为：间的电阻应为：jabababRRIURUab a、b两等位面的电压两等位面的电压Rj接触电阻接触电阻 SlRababa、b段金属导体的电阻段金属导体的电阻 两圆柱形两圆柱形接触元件接触元件 恒定电流恒定电流I 由
40、于接触处附近的导体电阻远远小于接触电阻。由于接触处附近的导体电阻远远小于接触电阻。在工程上常近似定义：在工程上常近似定义：s2bs1jabRRRRRRs1接触元件接触元件C1一边的收缩电阻；一边的收缩电阻；Rb接触面间的膜电阻；接触面间的膜电阻；Rs2接触元件接触元件C2一边的收缩电阻。一边的收缩电阻。但，要在理论上精确地计算接触电阻比较困难。但，要在理论上精确地计算接触电阻比较困难。工程实际应用中常用估算和借助实验导出的经验公工程实际应用中常用估算和借助实验导出的经验公式计算接触电阻。式计算接触电阻。mj)102.0(FKRRj接触电阻，单位接触电阻，单位；F接触压力，单位接触压力，单位N；
41、m与接触形式有关的指数；与接触形式有关的指数；点接触点接触 m0.5线接触线接触 m0.51，约为，约为0.7面接触面接触 m1 K与触头材料、接触面加工情况以及表面状与触头材料、接触面加工情况以及表面状况有关的系数见表。况有关的系数见表。系数系数K值值 触头材料触头材料表面状况表面状况K/（.Nm）银银银银未氧化未氧化60106铜铜铜铜（80140）106铝铜铝铜980106铝黄铜铝黄铜170106银氧化镉银氧化镉12银氧化镉银氧化镉12已氧化已氧化350106（3）影响接触电阻的因素）影响接触电阻的因素 1）接触元件的材料）接触元件的材料 触头材料的电阻系数越大接触电阻就越大；触头材料的电
42、阻系数越大接触电阻就越大；材料屈服点越小（即材料越软，越易发生塑性材料屈服点越小（即材料越软，越易发生塑性形变即抗压强度越小），则实际接触面积就越形变即抗压强度越小），则实际接触面积就越大，接触电阻也就越小。大，接触电阻也就越小。常在接触连接处，用较软的金属覆盖在硬金属上，常在接触连接处，用较软的金属覆盖在硬金属上，以减小接触电阻。以减小接触电阻。2）表面粗糙度）表面粗糙度接触面越粗糙，越容易被污染和氧化，也就越容易接触面越粗糙，越容易被污染和氧化，也就越容易生成膜电阻，因而接触电阻也就越大。生成膜电阻，因而接触电阻也就越大。3）接触压力）接触压力接触面受压后总有弹性及塑性形变，使接触面积增接
43、触面受压后总有弹性及塑性形变，使接触面积增大。大。当压力较小时，接触电阻受压力变化的影响较大，当压力较小时，接触电阻受压力变化的影响较大，加大压力可减小收缩电阻与膜电阻，则接触电阻将加大压力可减小收缩电阻与膜电阻，则接触电阻将变小；变小；当压力达到一定值后，接触电阻受压力变化的影响当压力达到一定值后，接触电阻受压力变化的影响很小。很小。4）接触形式）接触形式接触形式分为：点接触、线接触和面接触。接触形式分为：点接触、线接触和面接触。接触形式对收缩电阻的影响主要与接触点数目有关。接触形式对收缩电阻的影响主要与接触点数目有关。说明说明点接触实际上指在一个小面积内的若干个接触点，点接触实际上指在一个
44、小面积内的若干个接触点，而并非仅仅接触于一点。而并非仅仅接触于一点。表面上看似乎面接触的接触电阻最小，但若接触压表面上看似乎面接触的接触电阻最小，但若接触压力不大，面接触时力不大，面接触时a斑点多，每个斑点上的压力反斑点多，每个斑点上的压力反而很小，以致接触电阻增大很多。而很小，以致接触电阻增大很多。因此，接触形式对接触电阻的影响，视接触压力因此，接触形式对接触电阻的影响，视接触压力的大小而异。的大小而异。面接触：固定接触常采用此形式，且采用螺钉或铆面接触：固定接触常采用此形式，且采用螺钉或铆钉等压紧以加大压力，使接触电阻减小。由于面接钉等压紧以加大压力，使接触电阻减小。由于面接触的散热面积及
45、热容量大，多用于大电流。触的散热面积及热容量大，多用于大电流。点接触：虽然膜电阻小，但是散热面积及热容量均点接触：虽然膜电阻小，但是散热面积及热容量均小，所以多于用小电流。小，所以多于用小电流。线接触：压力集中，实际接触压力强度较大，在中线接触：压力集中，实际接触压力强度较大，在中等压力时接触电阻较小，线接触的优点还表现在可等压力时接触电阻较小，线接触的优点还表现在可以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便以使触头在闭合过程中有相对运动而自动净化、便于调整。因此广泛用于接触器、自动开关及高压开于调整。因此广泛用于接触器、自动开关及高压开关电器的触头中。关电器的触头中。3.触头的发热和熔焊触
46、头的发热和熔焊当电流流过两导体的接触处时，由于接触电阻的存当电流流过两导体的接触处时，由于接触电阻的存在，将会使接触处的温度升高。在，将会使接触处的温度升高。温度的升高又会促使表面膜的生长，使接触电阻增温度的升高又会促使表面膜的生长，使接触电阻增加，从而使温度进一步上升；加，从而使温度进一步上升；严重时接触点的温度可达接触元件材料的软化点、严重时接触点的温度可达接触元件材料的软化点、熔化点甚至沸腾点，最后使两接触面产生金属焊接。熔化点甚至沸腾点，最后使两接触面产生金属焊接。当开关电器发生金属性的熔焊后，触头就不能正常当开关电器发生金属性的熔焊后，触头就不能正常分断，开关也就失去作用。分断，开关
47、也就失去作用。（1）触头的发热）触头的发热触头闭合状态下，当电流流过导电斑点时，电流线触头闭合状态下，当电流流过导电斑点时，电流线收缩达到极限，电流密度最大（可达收缩达到极限，电流密度最大（可达1011A/m2）。）。由于转化为热量的功率损耗与电流密度的平方成正由于转化为热量的功率损耗与电流密度的平方成正比，所以导电斑点功率损耗最大。比，所以导电斑点功率损耗最大。又由于导电斑点的传热面积最小，因此导电斑点处又由于导电斑点的传热面积最小，因此导电斑点处的温度最高。的温度最高。而离导电斑点越远，电流密度越小，传热面积越大，而离导电斑点越远，电流密度越小，传热面积越大，温度也越低，直至与远处的导体温
48、度相等。温度也越低，直至与远处的导体温度相等。但是由于导电斑点的尺寸很小，仅有但是由于导电斑点的尺寸很小，仅有m到零点几到零点几mm的数量级，因此要测量导电斑点和附近区域的温度是的数量级，因此要测量导电斑点和附近区域的温度是非常困难的。非常困难的。（2）触头的熔焊）触头的熔焊触头工作时因温度升高而熔化、以致焊在一起无法触头工作时因温度升高而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊或热焊。正常分开的现象称为触头的熔焊或热焊。熔焊分为：静熔焊和动熔焊：熔焊分为：静熔焊和动熔焊：静熔焊：是在通过大电流时由接触电阻发热使导电静熔焊：是在通过大电流时由接触电阻发热使导电斑点及其邻域内的金属熔化
49、并焊为一体的现象。斑点及其邻域内的金属熔化并焊为一体的现象。特征：发生过程一般无电弧产生。特征：发生过程一般无电弧产生。一般出现在固定接触或闭合状态下且接触压力足够一般出现在固定接触或闭合状态下且接触压力足够大的转换触头中。大的转换触头中。动熔焊：是电弧的高温使接触区局部熔化发生的动熔焊：是电弧的高温使接触区局部熔化发生的熔焊现象。熔焊现象。特征：发生过程有电弧产生。特征：发生过程有电弧产生。一般出现在触头闭合过程中或闭合状态且接触压一般出现在触头闭合过程中或闭合状态且接触压力较小的触头中。力较小的触头中。1）触头开始熔化电流和焊接电流）触头开始熔化电流和焊接电流开始熔化电流开始熔化电流Imi
50、n刚开始使触头熔化时的电流。刚开始使触头熔化时的电流。开始熔化电流使处于闭合状态触头接触内表面的导开始熔化电流使处于闭合状态触头接触内表面的导电斑点处薄层金属刚开始熔化，若此时切断电流，电斑点处薄层金属刚开始熔化，若此时切断电流，触头很容易分开，还可观察到接触表面有轻微的熔触头很容易分开，还可观察到接触表面有轻微的熔化痕迹。化痕迹。开始熔化电流与触头材料、接触形式和压力、通电开始熔化电流与触头材料、接触形式和压力、通电时间等许多因素有关。时间等许多因素有关。但，迄今为止开始熔化电流尚无可信的计算公式。但，迄今为止开始熔化电流尚无可信的计算公式。工程上对于不同情况下的触头通常采用实验方法来工程上
