2.2 高低压电器

2.2.1 电器学基本理论

在国民经济建设和人民生活中，电能的应用越来越广泛。电气化与信息化是现代化社会的重要标志。为了安全、可靠地使用电能，电路中就必须装有各种起调节、分配、控制和保护作用的电气设备，这些电气设备统称为电器。随着科学技术和生产的发展，电器的种类不断增多，用量非常大，用途极为广泛。从生产或使用的角度，可分为高压电器和低压电器两大类。涉及电器的基本理论主要有以下几个。

（1）电磁机构理论

电磁机构是有可动铁心和可变气隙的电磁装置，是“电磁—力—运动”的综合体。图2-37所示是低压电器中最典型的电磁式电器的电磁机构示意图。学习电磁机构理论主要应掌握磁路与电磁铁特性，准确计算电磁场的分布，由吸力与反力特性曲线关系可确定电磁机构的形状和尺寸。

（2）电接触理论

电气触头是指两个导体或几个导体之间相互接触的部分，如母线或导线的接触连接处，以及开关电器中的动、静触头。

电接触理论包括：电接触的物理化学过程中的热、电、磁，以及金属变形等的效应；接触电阻的物理化学本质及其计算；接触或开断过程中，触头的腐蚀、磨损和金属迁移；触头在闭合过程中振动磨损和熔焊，以及电接触的结构形式、触头材料、加工工艺等。学习该理论的主要目的是帮助进行触头设计。

（3）电弧理论

当开关电器开断电路时，电压和电流达到一定值时，触头刚刚分离后，触头之间就会产生强烈的弧光，称为电弧。电弧的本质是一种气体放电现象。

电弧的危害主要有：电弧的存在延长了开关电器开/断故障电路的时间，加重了电力系统短路故障的危害；电弧产生的高温，将使触头表面熔化和蒸化，烧坏绝缘材料。对充油电气设备还可能引起着火、爆炸等危险；由于电弧在电动力、热力作用下能移动，容易造成飞弧短路和伤人，或引起事故的扩大。学习该理论的主要目的是掌握交流电弧熄灭的条件和方法。

电弧理论主要研究内容：

①电弧生成的物理基础，如气体放电和击穿，火花放电、辉光放电和弧光放电，电离和激励等；

②弧柱理论，涉及离子平衡的物理化学状态，径轴向温度分布等；

③电弧的弧根和斑点；

④电弧等离子流；

⑤电弧电位梯度；

⑥电弧的静伏安特性和动伏安特性；

⑦电弧过零时的介质恢复和电压恢复过程；

⑧熄弧条件、原理和方法。

产生电弧的原因是触头本身及周围介质中含有大量可被游离的电子。游离方式有4种：热电发射、高电场发射、碰撞游离、高温游离。去游离有复合与扩散两种方式。当去游离率大于游离率时，电弧将熄灭。

交流电弧每一个周期要暂时熄灭两次。电弧熄灭瞬间，弧隙温度骤降，热游离中止，去游离（主要为复合）大大增强。

灭弧方法一是拉长电弧：迅速增大电弧长度，使单位长度内维持电弧燃烧的电场强度不够而使电弧熄灭。二是冷却：使电弧与流体介质或固体介质相接触（将带电粒子流引走），加强冷却，使电弧加快熄灭。现代开关电器中采用的灭弧手段主要有：迅速拉长和冷却电弧、利用外力吹弧、将长弧分短、利用狭缝灭弧、采用真空灭弧或六氟化硫（SF6）气体灭弧等。

（4）发热和电动力理论

电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短期发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，造成机械强度下降、接触电阻增加及绝缘性能降低的后果。为了保证导体可靠地工作，必须使其发热温度不得超过一定数值，这个限值称为最高允许温度。电器零部件工作时的温度应不超过其规定的温度极限，否则会降低工作可靠性，缩短使用寿命，甚至会烧损电气设备而导致严重故障。但各零部件的工作温度也不应过低，因为温度过低说明没有充分利用材料，导致电器体积大、耗材多、成本高。

发热计算内容：发热损耗计算有交流电器因集肤效应和邻近效应产生的涡流和磁滞损耗导致的发热计算；电器在不同工作制下的发热计算；导电部件在大电流下的发热温升计算，以及热稳定性校验。

载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体系统间相互也会受到力的作用，这种力称为电动力。电动稳定性是指电器具有在最大短路电流产生的电动力作用下，不致遭受损坏的能力。

电动力计算内容：不同几何位置安置的导体之间电动力的分析和计算，以及电动稳定性校验。

高低压电器在工作过程中涉及到电、磁、光、热、力、机械、材料、电接触、可靠性等诸多方面的原理与技术。能量变换规律大多是非线性的，许多现象是瞬态过程，使得电器的理论分析、产品设计、性能检验变得十分复杂。除采用传统理论进行必要的理论推导、分析计算之外，还使用大量的经验数据。表2-3列出了供电系统对电器的共性要求。

现代开关电器的发展趋势日益朝着高可靠、高性能、小型化、模块化和组合化、数字化和智能化方向发展。