2.2 高低壓電器

2.2.1 電器學基本理論

在國民經濟建設和人民生活中，電能的應用越來越廣泛。電氣化與信息化是現代化社會的重要標志。為了安全、可靠地使用電能，電路中就必須裝有各種起調節、分配、控制和保護作用的電氣設備，這些電氣設備統稱為電器。隨著科學技術和生產的發展，電器的種類不斷增多，用量非常大，用途極為廣泛。從生產或使用的角度，可分為高壓電器和低壓電器兩大類。涉及電器的基本理論主要有以下幾個。

（1）電磁機構理論

電磁機構是有可動鐵心和可變氣隙的電磁裝置，是“電磁—力—運動”的綜合體。圖2-37所示是低壓電器中最典型的電磁式電器的電磁機構示意圖。學習電磁機構理論主要應掌握磁路與電磁鐵特性，準確計算電磁場的分布，由吸力與反力特性曲線關系可確定電磁機構的形狀和尺寸。

（2）電接觸理論

電氣觸頭是指兩個導體或幾個導體之間相互接觸的部分，如母線或導線的接觸連接處，以及開關電器中的動、靜觸頭。

電接觸理論包括：電接觸的物理化學過程中的熱、電、磁，以及金屬變形等的效應；接觸電阻的物理化學本質及其計算；接觸或開斷過程中，觸頭的腐蝕、磨損和金屬遷移；觸頭在閉合過程中振動磨損和熔焊，以及電接觸的結構形式、觸頭材料、加工工藝等。學習該理論的主要目的是幫助進行觸頭設計。

（3）電弧理論

當開關電器開斷電路時，電壓和電流達到一定值時，觸頭剛剛分離后，觸頭之間就會產生強烈的弧光，稱為電弧。電弧的本質是一種氣體放電現象。

電弧的危害主要有：電弧的存在延長了開關電器開/斷故障電路的時間，加重了電力系統短路故障的危害；電弧產生的高溫，將使觸頭表面熔化和蒸化，燒壞絕緣材料。對充油電氣設備還可能引起著火、爆炸等危險；由于電弧在電動力、熱力作用下能移動，容易造成飛弧短路和傷人，或引起事故的擴大。學習該理論的主要目的是掌握交流電弧熄滅的條件和方法。

電弧理論主要研究內容：

①電弧生成的物理基礎，如氣體放電和擊穿，火花放電、輝光放電和弧光放電，電離和激勵等；

②弧柱理論，涉及離子平衡的物理化學狀態，徑軸向溫度分布等；

③電弧的弧根和斑點；

④電弧等離子流；

⑤電弧電位梯度；

⑥電弧的靜伏安特性和動伏安特性；

⑦電弧過零時的介質恢復和電壓恢復過程；

⑧熄弧條件、原理和方法。

產生電弧的原因是觸頭本身及周圍介質中含有大量可被游離的電子。游離方式有4種：熱電發射、高電場發射、碰撞游離、高溫游離。去游離有復合與擴散兩種方式。當去游離率大于游離率時，電弧將熄滅。

交流電弧每一個周期要暫時熄滅兩次。電弧熄滅瞬間，弧隙溫度驟降，熱游離中止，去游離（主要為復合）大大增強。

滅弧方法一是拉長電?。貉杆僭龃箅娀￠L度，使單位長度內維持電弧燃燒的電場強度不夠而使電弧熄滅。二是冷卻：使電弧與流體介質或固體介質相接觸（將帶電粒子流引走），加強冷卻，使電弧加快熄滅?，F代開關電器中采用的滅弧手段主要有：迅速拉長和冷卻電弧、利用外力吹弧、將長弧分短、利用狹縫滅弧、采用真空滅弧或六氟化硫（SF6）氣體滅弧等。

（4）發熱和電動力理論

電氣設備由正常工作電流引起的發熱稱為長期發熱，由短路電流引起的發熱稱為短期發熱。發熱不僅消耗能量，而且導致電氣設備的溫度升高，造成機械強度下降、接觸電阻增加及絕緣性能降低的后果。為了保證導體可靠地工作，必須使其發熱溫度不得超過一定數值，這個限值稱為最高允許溫度。電器零部件工作時的溫度應不超過其規定的溫度極限，否則會降低工作可靠性，縮短使用壽命，甚至會燒損電氣設備而導致嚴重故障。但各零部件的工作溫度也不應過低，因為溫度過低說明沒有充分利用材料，導致電器體積大、耗材多、成本高。

發熱計算內容：發熱損耗計算有交流電器因集膚效應和鄰近效應產生的渦流和磁滯損耗導致的發熱計算；電器在不同工作制下的發熱計算；導電部件在大電流下的發熱溫升計算，以及熱穩定性校驗。

載流導體處在磁場中會受到力的作用，載流導體系統間相互也會受到力的作用，這種力稱為電動力。電動穩定性是指電器具有在最大短路電流產生的電動力作用下，不致遭受損壞的能力。

電動力計算內容：不同幾何位置安置的導體之間電動力的分析和計算，以及電動穩定性校驗。

高低壓電器在工作過程中涉及到電、磁、光、熱、力、機械、材料、電接觸、可靠性等諸多方面的原理與技術。能量變換規律大多是非線性的，許多現象是瞬態過程，使得電器的理論分析、產品設計、性能檢驗變得十分復雜。除采用傳統理論進行必要的理論推導、分析計算之外，還使用大量的經驗數據。表2-3列出了供電系統對電器的共性要求。

現代開關電器的發展趨勢日益朝著高可靠、高性能、小型化、模塊化和組合化、數字化和智能化方向發展。