2.2 高低壓電器

2.2.1 電器學基本理論

在國民經(jīng)濟建設(shè)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(xiàn)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(diào)節(jié)、分配、控制和保護作用的電氣設(shè)備，這些電氣設(shè)備統(tǒng)稱為電器。隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展，電器的種類不斷增多，用量非常大，用途極為廣泛。從生產(chǎn)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(gòu)理論

電磁機構(gòu)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(gòu)示意圖。學習電磁機構(gòu)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(guān)系可確定電磁機構(gòu)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?qū)Ь€的接觸連接處，以及開關(guān)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(shè)計。

（3）電弧理論

當開關(guān)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(chǎn)生強烈的弧光，稱為電弧。電弧的本質(zhì)是一種氣體放電現(xiàn)象。

電弧的危害主要有：電弧的存在延長了開關(guān)電器開/斷故障電路的時間，加重了電力系統(tǒng)短路故障的危害；電弧產(chǎn)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(shè)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(nèi)容：

①電弧生成的物理基礎(chǔ)，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(tài)，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(zhì)恢復和電壓恢復過程；

⑧熄弧條件、原理和方法。

產(chǎn)生電弧的原因是觸頭本身及周圍介質(zhì)中含有大量可被游離的電子。游離方式有4種：熱電發(fā)射、高電場發(fā)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弧：迅速增大電弧長度，使單位長度內(nèi)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(zhì)或固體介質(zhì)相接觸（將帶電粒子流引走），加強冷卻，使電弧加快熄滅。現(xiàn)代開關(guān)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(fā)熱和電動力理論

電氣設(shè)備由正常工作電流引起的發(fā)熱稱為長期發(fā)熱，由短路電流引起的發(fā)熱稱為短期發(fā)熱。發(fā)熱不僅消耗能量，而且導致電氣設(shè)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(fā)熱溫度不得超過一定數(shù)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(guī)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(shè)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(fā)熱計算內(nèi)容：發(fā)熱損耗計算有交流電器因集膚效應和鄰近效應產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗導致的發(fā)熱計算；電器在不同工作制下的發(fā)熱計算；導電部件在大電流下的發(fā)熱溫升計算，以及熱穩(wěn)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(tǒng)間相互也會受到力的作用，這種力稱為電動力。電動穩(wěn)定性是指電器具有在最大短路電流產(chǎn)生的電動力作用下，不致遭受損壞的能力。

電動力計算內(nèi)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(wěn)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(shù)。能量變換規(guī)律大多是非線性的，許多現(xiàn)象是瞬態(tài)過程，使得電器的理論分析、產(chǎn)品設(shè)計、性能檢驗變得十分復雜。除采用傳統(tǒng)理論進行必要的理論推導、分析計算之外，還使用大量的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。表2-3列出了供電系統(tǒng)對電器的共性要求。

現(xiàn)代開關(guān)電器的發(fā)展趨勢日益朝著高可靠、高性能、小型化、模塊化和組合化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。