2.2.2 低壓電器

1. 概述

低壓電器是用于交流1200V及以下、直流1500V及以下電路中起通斷、保護(hù)、控制或調(diào)節(jié)作用的電器。低壓電器按其控制對象可分為：低壓控制電器和低壓配電電器；按操作方式不同可分為自動電器和手動電器；根據(jù)其工作條件或使用環(huán)境條件又可分為一般工業(yè)企業(yè)通用低壓電器和特殊用低壓電器，后者包括牽引低壓電器、船用低壓電器、礦用低壓電器、航空低壓電器、熱帶型低壓電器、高原低壓電器。對不同類型低壓電器的防護(hù)形式、耐潮濕、耐腐蝕、抗沖擊等性能的要求不同。

采用電磁原理構(gòu)成的低壓電器，稱為電磁式低壓電器；利用集成電路或電子元件構(gòu)成的低壓電器，稱為電子式低壓電器；利用現(xiàn)代控制理論構(gòu)成的低壓電器元件或裝置，稱為自動化電器、智能化電器或可通信電器；根據(jù)電器的控制原理、結(jié)構(gòu)原理及用途，又可有終端組合式電器、智能化電器和模數(shù)化電器等。

低壓電器基本上包括12類產(chǎn)品：即刀開關(guān)和轉(zhuǎn)換開關(guān)、熔斷器、斷路器、控制器、接觸器、啟動器、控制繼電器、主令電器、變阻器、調(diào)整器、電磁鐵。

低壓電器的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾部分。

（1）感知部分：主要用來感受外界信號，通過將信號轉(zhuǎn)換、放大、判別后做出有規(guī)律的反應(yīng)，使執(zhí)行部分動作。在自動控制系統(tǒng)中，感知部分是電磁機構(gòu)等。在手動控制系統(tǒng)中，感知部分是操作手柄、按鈕等。

（2）執(zhí)行部分：主要是觸頭，包括滅弧裝置，用來完成電路的接通和斷開任務(wù)。

（3）中間部分：將感知部分和執(zhí)行部分連接起來，使兩者協(xié)調(diào)一致，按一定規(guī)律動作。

低壓電器是電器工業(yè)的重要組成部分，在機電行業(yè)中是基礎(chǔ)配套產(chǎn)業(yè)，在配電系統(tǒng)中低壓成套開關(guān)設(shè)備主要由各種低壓電器元件構(gòu)成。低壓電器是電力拖動自動控制系統(tǒng)基本組成元件，在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，也需要由低壓電器構(gòu)成各種控制屏、控制臺、控制器等。

低壓電器的設(shè)計和制造必須嚴(yán)格按照國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是基本系列的各類開關(guān)電器必須保證執(zhí)行“三化”（標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化），“四統(tǒng)一”（型號規(guī)格、技術(shù)條件、外形及安裝尺寸、易損零部件統(tǒng)一）的原則。

為了生產(chǎn)銷售、管理和使用方便，我國對各種低壓電器都按規(guī)定編制型號。即由類別代號、組別代號、設(shè)計代號、基本規(guī)格代號和輔助規(guī)格代號幾部分構(gòu)成低壓電器的全型號。每一級代號后面可根據(jù)需要加設(shè)派生代號。產(chǎn)品全型號命名的意義如圖2-38所示。例如，JR16—20/3D命名含義：JR16是熱繼電器的系列號，同屬這一系列的熱繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理都相同；但其熱元件的額定電流從零點幾安培到幾十安培，有十幾種規(guī)格。16是設(shè)計序號，20為額定電流，其中輔助規(guī)格代號為3D表示有3相熱元件，裝有差動式斷相保護(hù)裝置，D表示能對三相異步電動機有過載和斷相保護(hù)功能。

我國低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展經(jīng)歷了幾個過程。

第一代產(chǎn)品：20世紀(jì)50年代初至60年代初，我國自行開發(fā)設(shè)計的統(tǒng)一設(shè)計產(chǎn)品，以CJ10（交流接觸器）、DZ10（塑殼斷路器）、DW10（萬能式斷路器）為代表，約29個系列，在低壓配電和控制系統(tǒng)的發(fā)展曾經(jīng)發(fā)揮重要作用。但這些產(chǎn)品只相當(dāng)于國外20世紀(jì)50年代前水平，現(xiàn)已被淘汰。

第二代產(chǎn)品：20世紀(jì)70年代后期至80年代，陸續(xù)推出了更新?lián)Q代產(chǎn)品，以CJ20、DZ20、DW15為代表，56個系列。引進(jìn)技術(shù)制造產(chǎn)品也不斷上市，以ME、3WE、B、3TB、LCI-D系列等為代表，34個系列。第二代產(chǎn)品總體技術(shù)性能水平不高于國外20世紀(jì)80年代初的水平，目前市場占有率約50%左右，隨著新型電器的出現(xiàn)，其市場占有率有逐年下降趨勢。

第三代產(chǎn)品：20世紀(jì)90年代以來，通過跟蹤國外新技術(shù)，自行開發(fā)、設(shè)計、研制的產(chǎn)品，以DW40、DW45、DZ40、CJ40、S（小型化S系列塑殼斷路器）系列等為代表，有10多個系列。與國外合資生產(chǎn)的M（法國施耐德公司）系列、F（德國F-G公司）系列、3TF（德國西門子公司）系列等，約30個系列。這些產(chǎn)品總體技術(shù)性能達(dá)到或接近20世紀(jì)80年代至90年代的水平，個別跟蹤當(dāng)代水平，目前市場占有率逐年有所增長。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，低壓電器制造工業(yè)有了飛躍發(fā)展，新產(chǎn)品已發(fā)展到12大類，380個系列，1200多個品種，幾萬種規(guī)格。特別是高新技術(shù)的應(yīng)用，加快了新產(chǎn)品的問世步伐。

影響低壓電器發(fā)展的新技術(shù)很多，如現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、通信技術(shù)、智能化技術(shù)、可靠性技術(shù)、測試技術(shù)等。上述新技術(shù)的應(yīng)用給低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展注入了新的活力。

例如，現(xiàn)場總線系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用將從根本上改變傳統(tǒng)的低壓配電與控制系統(tǒng)及其裝置，給傳統(tǒng)低壓電器帶來改革性變化，成為智能化可通信低壓電器。其特征是產(chǎn)品中裝有微處理器；產(chǎn)品帶有通信接口，能與現(xiàn)場總線連接；采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，具有互換性，采用模數(shù)化結(jié)構(gòu)；保護(hù)功能齊全，具有試驗、測量、外部故障記錄顯示、內(nèi)部故障自診斷、智能脫扣、雙向通信等多項組合功能。

為了適應(yīng)電網(wǎng)容量的不斷增大，低壓配電與控制系統(tǒng)日益復(fù)雜化，對低壓電器產(chǎn)品的性能與結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。越來越多的低壓電器產(chǎn)品向著提高電器元件的性能，綠色環(huán)保，機電一體化方向發(fā)展，實現(xiàn)高性能、高可靠、環(huán)保節(jié)能、小型化、多功能、組合化、模塊化、電子化、智能化的要求。

2. 低壓配電電器

低壓配電電器通常是指在低壓配電系統(tǒng)（也稱低壓電網(wǎng)）或動力裝置中用來進(jìn)行電能分配、完成接通和分?jǐn)嚯娐芳皩ε潆娋€路和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的電器。

（1）低壓開關(guān)

低壓開關(guān)又稱低壓隔離器，是低壓電器中結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的一類手動電器。主要有刀開關(guān)、組合開關(guān)，以及用刀與熔斷器組合成的膠蓋瓷底刀開關(guān)和熔斷器式刀開關(guān)等。

依靠手動來實現(xiàn)觸刀插入插座與脫離插座來控制電路的通斷，在低壓電路中，應(yīng)用在不頻繁接通、斷開電路的場合。

主要品種有刀開關(guān)（如HD14、HD17系列）、組合開關(guān)（HZ系列），以及用刀與熔斷器組合成的膠蓋瓷底刀開關(guān)（HK2系列）和熔斷器式刀開關(guān)（HR5系列）等。刀開關(guān)按刀數(shù)的不同分有單極、雙極、三極等幾種。

刀開關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、通斷能力、動穩(wěn)定電流、熱穩(wěn)定電流等。

刀開關(guān)選用的要點：

①根據(jù)使用場合，選擇刀開關(guān)的類型、極數(shù)及操作方式。

②刀開關(guān)額定電壓應(yīng)大于或等于線路電壓。

③刀開關(guān)額定電流應(yīng)等于或大于線路的額定電流。對于電動機負(fù)載，開啟式刀開關(guān)額定電流可取電動機額定電流的3倍；封閉式刀開關(guān)額定電流可取電動機額定電流的1.5倍。

刀開關(guān)安裝時，瓷底應(yīng)與地面垂直，手柄向上，易于滅弧，不得倒裝或平裝。倒裝時手柄可能因自重落下而引起誤合閘，危及人身和設(shè)備安全。圖2-39列舉了幾種常見的低壓開關(guān)。

（2）低壓熔斷器

熔斷器主要由熔體和安裝熔體的絕緣管座組成，用于短路和嚴(yán)重過電流保護(hù)。熔體串接于被保護(hù)電路的首端，負(fù)載電流流經(jīng)熔體，當(dāng)電路發(fā)生短路或過電流時，通過熔體的電流使其發(fā)熱，從而自行熔斷而切斷電路。熔斷器種類有填料管式、無填料管式、插進(jìn)式、螺旋式、自復(fù)式等。其類型應(yīng)根據(jù)線路的要求、使用場合和安裝條件選擇。圖2-40列舉了幾種常見的低壓熔斷器。

熔斷器的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流和極限分?jǐn)嗄芰Α?/p>

熔斷器的選用要點：

①熔斷器的類型主要由電控系統(tǒng)整體設(shè)計確定；

②熔斷器的額定電壓應(yīng)大于或等于實際電路的工作電壓；

③熔斷器額定電流應(yīng)大于等于所裝熔體的額定電流；

④熔體電流的選擇：對于照明線路或電阻爐等電阻性負(fù)載，熔體的額定電流應(yīng)大于或等于電路的工作電流；保護(hù)一臺異步電動機時，考慮電動機沖擊電流的影響，熔體的額定電流應(yīng)大于或等于1.5～2.5倍的電動機額定電流；

⑤為防止發(fā)生越級熔斷，應(yīng)使上一級熔斷器的熔體額定電流比下一級熔斷器的熔體額定電流大1～2個級差。

（3）低壓斷路器

低壓斷路器又稱自動開關(guān)或空氣開關(guān)。它相當(dāng)于刀開關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器的組合，是一種既有手動開關(guān)作用又能自動進(jìn)行欠壓、失壓、過載和短路保護(hù)的電器。低壓斷路器由觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)、脫扣器及機械傳動機構(gòu)組成。當(dāng)電路發(fā)生嚴(yán)重過載、短路及失壓等故障時，低壓斷路器能自動切斷故障電路，有效保護(hù)串接在它后面的電氣設(shè)備。在正常情況下，低壓斷路器也可用于不頻繁接通和斷開的電路及控制電動機。

低壓斷路器的主要技術(shù)參數(shù)有額定電壓、額定電流、通斷能力和分?jǐn)鄷r間等。

低壓斷路器的選用原則是：斷路器的額定電壓和額定電流應(yīng)不小于電路的額定電壓和最大工作電流；斷路器通斷能力大于或等于電路可能出現(xiàn)的最大短路電流；熱脫扣器的整定電流應(yīng)與所控制的負(fù)載的額定工作電流一致；欠電壓脫扣器額定電壓應(yīng)等于線路額定電壓；電磁脫扣器的整定電流應(yīng)大于負(fù)荷電流正常工作時的最大電流。

低壓斷路器的品種較多，可按用途、結(jié)構(gòu)特點、限流性能、電流和電壓種類等不同方式分類：按用途可分為配電線路保護(hù)用、電動機保護(hù)用、照明線路保護(hù)用和漏電保護(hù)用斷路器。按極數(shù)可分為單極、二極、三極和四極斷路器。按限流性能可分為限流式斷路器和普通斷路器。按操作方式可分為：直接手柄操作式、杠桿操作式、電磁鐵操作式和電動機操作式斷路器。按結(jié)構(gòu)特征區(qū)分則有下面兩種類型：

塑殼式低壓斷路器，通常裝設(shè)在低壓配電柜（箱）之中，作為配電線路的保護(hù)開關(guān)、電動機及照明線路的控制開關(guān)等。其結(jié)構(gòu)特征是，有一個采用聚酯絕緣材料模壓而成的外殼，所有部件都裝在這個封閉外殼中，僅在外殼蓋中央露出操作手柄。常用主要系列型號有：DZ15、DZ20、H、T、3VE、S等系列。后4種是引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品。

萬能式低壓斷路器，又稱框架式斷路器，主要用于40～100kW電動機回路的不頻繁全壓啟動，并起短路、過載、失壓保護(hù)作用。其結(jié)構(gòu)特征是，一般有一個有絕緣襯墊的鋼制框架，所有部件均安裝在這個框架底座內(nèi)。常用主要系列型號有：DW10一般型，DW17、DW15、DW15HH多功能、高性能型，DW45智能型，另外還有ME、AE高性能型和M智能型等系列。圖2-41展示了幾種低壓斷路器的實物圖片。

（4）低壓成套配電裝置

成套配電裝置具有以下特點：

①有金屬外殼（柜體）的保護(hù)，電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體不易積灰，便于維護(hù)，在污穢地區(qū)使用優(yōu)勢更為突出。

②易于實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，具有裝配質(zhì)量好、速度快，運行可靠性高的特點。其結(jié)構(gòu)緊湊、布置合理、縮小了體積和占地面積，降低了造價。

③電器安裝、線路敷設(shè)與變配電室的施工可分開進(jìn)行，縮短了基建時間。

低壓成套配電裝置是電壓為1200V及以下電網(wǎng)中用來接受和分配電能的成套配電設(shè)備。由一個或多個低壓開關(guān)設(shè)備和相應(yīng)的控制、測量、信號、保護(hù)、調(diào)節(jié)等電氣元件或設(shè)備，以及所有內(nèi)部的電氣、機械的相互連接和結(jié)構(gòu)部件組裝成的一種組合體。分為配電屏（盤、柜）和配電箱兩類，按控制層次又可分為配電總盤、分盤和動力、照明配電箱。我國生產(chǎn)的低壓配電屏基本以固定式和手車式（又稱抽屜式）兩大類為主。

配電屏供接受和分配電能使用，它以支架和面板為基本結(jié)構(gòu)，通常設(shè)有刀開關(guān)、熔斷器、斷路器、互感器、測量儀表和信號裝置等。

控制屏主要用來遠(yuǎn)程控制各種電力驅(qū)動系統(tǒng)、電氣設(shè)備或電力系統(tǒng)，它也是以支架和面板為基本結(jié)構(gòu)，并裝設(shè)刀開關(guān)、斷路器、保護(hù)和控制繼電器、測量儀表和信號裝置等。

3. 低壓控制電器

低壓控制電器是用于低壓電力拖動系統(tǒng)或其他各種控制系統(tǒng)中對電動機或被控電路進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)與保護(hù)的電器。

（1）接觸器

接觸器是一種電磁式電器，利用電磁吸力和彈簧反作用配合動作而使觸頭閉合或分?jǐn)唷Ｄ茴l繁地接通或斷開交、直流主電路，還具有低壓釋放保護(hù)的功能，并能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，主要用于控制電動機，在自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用得相當(dāng)廣泛。接觸器按其主觸頭控制的電路的種類不同，可分為直流接觸器、交流接觸器、切換電容接觸器等。圖2-42是幾種低壓接觸器的實物圖片。

交流接觸器常用于遠(yuǎn)距離、頻繁地接通和分?jǐn)囝~定電壓至1140V、電流至630A的交流電路。直流接觸器主要用于電壓440V、電流600A以下的直流電路。

接觸器的使用選擇原則：根據(jù)電路中負(fù)載電流的種類選擇接觸器的類型；主觸點的額定電壓應(yīng)大于或等于負(fù)載回路的額定電壓；吸引線圈的額定電壓應(yīng)與所接控制電路的額定電壓等級一致；額定電流應(yīng)大于或等于被控主回路的額定電流；觸頭數(shù)量和種類應(yīng)滿足主電路的控制線路的要求。

（2）繼電器

繼電器是一種根據(jù)外界輸入信號來接通或斷開小電流控制電路，實現(xiàn)自動控制和保護(hù)電力拖動裝置的自動切換電器。繼電器觸點常接在控制電路中，需要注意的是，繼電器的觸點不能用來接通和分?jǐn)嘀麟娐罚@也是繼電器的作用與接觸器的作用的區(qū)別。繼電器的額定電流不大于5A。

繼電器類型按用途可分為控制和保護(hù)繼電器；按動作原理可分為：電磁式、感應(yīng)式、電動式、電子式、機械式、熱式繼電器等；按輸入量可分為：電流、電壓、時間、速度、壓力、溫度繼電器等；按動作時間分為：瞬時、延時繼電器。

繼電器的種類很多，在實際電路中主要有電磁式電流、電壓和中間繼電器，以及時間繼電器、速度繼電器、熱繼電器等。

電磁式繼電器是使用最多的一種繼電器，結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便。其觸點種類和數(shù)量較多，體積較小，動作靈敏，無須滅弧裝置。電磁式繼電器典型結(jié)構(gòu)如圖2-43所示。

電磁式繼電器按輸入信號不同分為：電壓繼電器、電流繼電器、時間繼電器、速度繼電器和中間繼電器等。圖2-44給出幾種電磁式繼電器的實物圖片。

電壓繼電器是根據(jù)輸入電壓大小而動作的繼電器，線圈與負(fù)載并聯(lián)，以反映負(fù)載電壓，其線圈匝數(shù)多而導(dǎo)線細(xì)。主要作為欠壓、失壓保護(hù)。

電流繼電器線圈串接于電路中，根據(jù)線圈電流的大小而動作。這種繼電器的線圈導(dǎo)線粗、匝數(shù)少、線圈阻抗小。主要用于過載或短路保護(hù)。

中間繼電器實質(zhì)上是一種電壓繼電器，但它的觸點數(shù)量較多，容量較大，起到中間放大（觸點數(shù)量和容量）作用。將一個信號變成多個輸出信號或?qū)⑿盘柗糯螅鸬叫盘栔修D(zhuǎn)作用，通常用于傳遞信號和同時控制多個電路，也可直接用它來控制小容量電動機或其他電氣執(zhí)行元件。

時間繼電器是從得到輸入信號開始，經(jīng)過一定的延時后才輸出信號的繼電器，適用于定時控制。對于電磁式時間繼電器，當(dāng)電磁線圈通電或斷電后，經(jīng)一段時間延時，觸頭狀態(tài)才發(fā)生變化，即延時觸頭才動作。常用的時間繼電器包括電磁式、阻尼式、電子式等。圖2-45是不同類型的時間繼電器。

速度繼電器根據(jù)轉(zhuǎn)速的大小通斷電路。主要用作籠型異步電動機的反接制動控制，又稱反接制動繼電器。其結(jié)構(gòu)由定子、轉(zhuǎn)子和觸頭組成，工作原理與異步電動機類似。動作轉(zhuǎn)速＞120rpm，復(fù)位轉(zhuǎn)速＜100rpm。圖2-46是幾種速度繼電器實物圖。

熱繼電器是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電器，它在控制電路中，用作電動機的過載保護(hù)，既能保證電動機不超過容許的過載，又能最大限度地保證電動機的過載能力。主要用來保護(hù)電動機或其他負(fù)載免于過載，以及作為三相電動機的斷相保護(hù)。熱繼電器種類很多，應(yīng)用最廣泛的是基于雙金屬片的熱繼電器，主要由熱元件、雙金屬片和觸點三部分組成。電流通過發(fā)熱元件加熱使雙金屬片彎曲，推動執(zhí)行機構(gòu)動作。圖2-47是幾種熱繼電器實物圖。

固態(tài)繼電器（SSR）是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關(guān)器件，它利用電子元器件的電、磁和光電特性完成輸入和輸出的可靠隔離，利用電子元件的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關(guān)”。圖2-48是幾種固態(tài)繼電器實物圖。

固態(tài)繼電器工作可靠、使用方便、壽命長、對外界干擾小、能與邏輯電路兼容、抗干擾能力強、開關(guān)速度快、無火花、無動作噪音。有逐步取代傳統(tǒng)電磁繼電器的趨勢，還可應(yīng)用于計算機的輸入輸出接口、外圍和終端設(shè)備等傳統(tǒng)電磁繼電器無法應(yīng)用的領(lǐng)域。

（3）主令電器

主令電器是在自動控制系統(tǒng)中發(fā)送控制指令或信號的電器。用來控制繼電器、接觸器或其他電器線圈，使電路接通或分?jǐn)啵瑥亩_(dá)到控制生產(chǎn)流程的目的。在控制電路中由于它是一種專門發(fā)布命令的電器，故稱為主令電器。主令電器可直接作用于控制電路，也可通過電磁式電器間接作用于控制電路。主令電器不允許分合主電路。

主令電器應(yīng)用十分廣泛，種類繁多，常用的有控制按鈕、行程開關(guān)、接近開關(guān)、萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)、主令控制器等，如圖2-49所示。