2.2.2 低压电器

1. 概述

低压电器是用于交流1200V及以下、直流1500V及以下电路中起通断、保护、控制或调节作用的电器。低压电器按其控制对象可分为：低压控制电器和低压配电电器；按操作方式不同可分为自动电器和手动电器；根据其工作条件或使用环境条件又可分为一般工业企业通用低压电器和特殊用低压电器，后者包括牵引低压电器、船用低压电器、矿用低压电器、航空低压电器、热带型低压电器、高原低压电器。对不同类型低压电器的防护形式、耐潮湿、耐腐蚀、抗冲击等性能的要求不同。

采用电磁原理构成的低压电器，称为电磁式低压电器；利用集成电路或电子元件构成的低压电器，称为电子式低压电器；利用现代控制理论构成的低压电器元件或装置，称为自动化电器、智能化电器或可通信电器；根据电器的控制原理、结构原理及用途，又可有终端组合式电器、智能化电器和模数化电器等。

低压电器基本上包括12类产品：即刀开关和转换开关、熔断器、断路器、控制器、接触器、启动器、控制继电器、主令电器、变阻器、调整器、电磁铁。

低压电器的结构主要包括以下几部分。

（1）感知部分：主要用来感受外界信号，通过将信号转换、放大、判别后做出有规律的反应，使执行部分动作。在自动控制系统中，感知部分是电磁机构等。在手动控制系统中，感知部分是操作手柄、按钮等。

（2）执行部分：主要是触头，包括灭弧装置，用来完成电路的接通和断开任务。

（3）中间部分：将感知部分和执行部分连接起来，使两者协调一致，按一定规律动作。

低压电器是电器工业的重要组成部分，在机电行业中是基础配套产业，在配电系统中低压成套开关设备主要由各种低压电器元件构成。低压电器是电力拖动自动控制系统基本组成元件，在工业自动化系统中，也需要由低压电器构成各种控制屏、控制台、控制器等。

低压电器的设计和制造必须严格按照国家的有关标准，尤其是基本系列的各类开关电器必须保证执行“三化”（标准化、系列化、通用化），“四统一”（型号规格、技术条件、外形及安装尺寸、易损零部件统一）的原则。

为了生产销售、管理和使用方便，我国对各种低压电器都按规定编制型号。即由类别代号、组别代号、设计代号、基本规格代号和辅助规格代号几部分构成低压电器的全型号。每一级代号后面可根据需要加设派生代号。产品全型号命名的意义如图2-38所示。例如，JR16—20/3D命名含义：JR16是热继电器的系列号，同属这一系列的热继电器的结构、工作原理都相同；但其热元件的额定电流从零点几安培到几十安培，有十几种规格。16是设计序号，20为额定电流，其中辅助规格代号为3D表示有3相热元件，装有差动式断相保护装置，D表示能对三相异步电动机有过载和断相保护功能。

我国低压电器产品的发展经历了几个过程。

第一代产品：20世纪50年代初至60年代初，我国自行开发设计的统一设计产品，以CJ10（交流接触器）、DZ10（塑壳断路器）、DW10（万能式断路器）为代表，约29个系列，在低压配电和控制系统的发展曾经发挥重要作用。但这些产品只相当于国外20世纪50年代前水平，现已被淘汰。

第二代产品：20世纪70年代后期至80年代，陆续推出了更新换代产品，以CJ20、DZ20、DW15为代表，56个系列。引进技术制造产品也不断上市，以ME、3WE、B、3TB、LCI-D系列等为代表，34个系列。第二代产品总体技术性能水平不高于国外20世纪80年代初的水平，目前市场占有率约50%左右，随着新型电器的出现，其市场占有率有逐年下降趋势。

第三代产品：20世纪90年代以来，通过跟踪国外新技术，自行开发、设计、研制的产品，以DW40、DW45、DZ40、CJ40、S（小型化S系列塑壳断路器）系列等为代表，有10多个系列。与国外合资生产的M（法国施耐德公司）系列、F（德国F-G公司）系列、3TF（德国西门子公司）系列等，约30个系列。这些产品总体技术性能达到或接近20世纪80年代至90年代的水平，个别跟踪当代水平，目前市场占有率逐年有所增长。

随着我国国民经济发展和工业化进程的推进，低压电器制造工业有了飞跃发展，新产品已发展到12大类，380个系列，1200多个品种，几万种规格。特别是高新技术的应用，加快了新产品的问世步伐。

影响低压电器发展的新技术很多，如现代设计技术、微电子技术、计算机技术、现场总线技术、通信技术、智能化技术、可靠性技术、测试技术等。上述新技术的应用给低压电器产品的发展注入了新的活力。

例如，现场总线系统的发展与应用将从根本上改变传统的低压配电与控制系统及其装置，给传统低压电器带来改革性变化，成为智能化可通信低压电器。其特征是产品中装有微处理器；产品带有通信接口，能与现场总线连接；采用标准化结构，具有互换性，采用模数化结构；保护功能齐全，具有试验、测量、外部故障记录显示、内部故障自诊断、智能脱扣、双向通信等多项组合功能。

为了适应电网容量的不断增大，低压配电与控制系统日益复杂化，对低压电器产品的性能与结构提出了更高的要求。越来越多的低压电器产品向着提高电器元件的性能，绿色环保，机电一体化方向发展，实现高性能、高可靠、环保节能、小型化、多功能、组合化、模块化、电子化、智能化的要求。

2. 低压配电电器

低压配电电器通常是指在低压配电系统（也称低压电网）或动力装置中用来进行电能分配、完成接通和分断电路及对配电线路和设备进行保护的电器。

（1）低压开关

低压开关又称低压隔离器，是低压电器中结构简单、应用广泛的一类手动电器。主要有刀开关、组合开关，以及用刀与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关和熔断器式刀开关等。

依靠手动来实现触刀插入插座与脱离插座来控制电路的通断，在低压电路中，应用在不频繁接通、断开电路的场合。

主要品种有刀开关（如HD14、HD17系列）、组合开关（HZ系列），以及用刀与熔断器组合成的胶盖瓷底刀开关（HK2系列）和熔断器式刀开关（HR5系列）等。刀开关按刀数的不同分有单极、双极、三极等几种。

刀开关的主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力、动稳定电流、热稳定电流等。

刀开关选用的要点：

①根据使用场合，选择刀开关的类型、极数及操作方式。

②刀开关额定电压应大于或等于线路电压。

③刀开关额定电流应等于或大于线路的额定电流。对于电动机负载，开启式刀开关额定电流可取电动机额定电流的3倍；封闭式刀开关额定电流可取电动机额定电流的1.5倍。

刀开关安装时，瓷底应与地面垂直，手柄向上，易于灭弧，不得倒装或平装。倒装时手柄可能因自重落下而引起误合闸，危及人身和设备安全。图2-39列举了几种常见的低压开关。

（2）低压熔断器

熔断器主要由熔体和安装熔体的绝缘管座组成，用于短路和严重过电流保护。熔体串接于被保护电路的首端，负载电流流经熔体，当电路发生短路或过电流时，通过熔体的电流使其发热，从而自行熔断而切断电路。熔断器种类有填料管式、无填料管式、插进式、螺旋式、自复式等。其类型应根据线路的要求、使用场合和安装条件选择。图2-40列举了几种常见的低压熔断器。

熔断器的主要技术参数有额定电压、额定电流和极限分断能力。

熔断器的选用要点：

①熔断器的类型主要由电控系统整体设计确定；

②熔断器的额定电压应大于或等于实际电路的工作电压；

③熔断器额定电流应大于等于所装熔体的额定电流；

④熔体电流的选择：对于照明线路或电阻炉等电阻性负载，熔体的额定电流应大于或等于电路的工作电流；保护一台异步电动机时，考虑电动机冲击电流的影响，熔体的额定电流应大于或等于1.5～2.5倍的电动机额定电流；

⑤为防止发生越级熔断，应使上一级熔断器的熔体额定电流比下一级熔断器的熔体额定电流大1～2个级差。

（3）低压断路器

低压断路器又称自动开关或空气开关。它相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠压、失压、过载和短路保护的电器。低压断路器由触头系统、灭弧系统、脱扣器及机械传动机构组成。当电路发生严重过载、短路及失压等故障时，低压断路器能自动切断故障电路，有效保护串接在它后面的电气设备。在正常情况下，低压断路器也可用于不频繁接通和断开的电路及控制电动机。

低压断路器的主要技术参数有额定电压、额定电流、通断能力和分断时间等。

低压断路器的选用原则是：断路器的额定电压和额定电流应不小于电路的额定电压和最大工作电流；断路器通断能力大于或等于电路可能出现的最大短路电流；热脱扣器的整定电流应与所控制的负载的额定工作电流一致；欠电压脱扣器额定电压应等于线路额定电压；电磁脱扣器的整定电流应大于负荷电流正常工作时的最大电流。

低压断路器的品种较多，可按用途、结构特点、限流性能、电流和电压种类等不同方式分类：按用途可分为配电线路保护用、电动机保护用、照明线路保护用和漏电保护用断路器。按极数可分为单极、二极、三极和四极断路器。按限流性能可分为限流式断路器和普通断路器。按操作方式可分为：直接手柄操作式、杠杆操作式、电磁铁操作式和电动机操作式断路器。按结构特征区分则有下面两种类型：

塑壳式低压断路器，通常装设在低压配电柜（箱）之中，作为配电线路的保护开关、电动机及照明线路的控制开关等。其结构特征是，有一个采用聚酯绝缘材料模压而成的外壳，所有部件都装在这个封闭外壳中，仅在外壳盖中央露出操作手柄。常用主要系列型号有：DZ15、DZ20、H、T、3VE、S等系列。后4种是引进国外技术生产的产品。

万能式低压断路器，又称框架式断路器，主要用于40～100kW电动机回路的不频繁全压启动，并起短路、过载、失压保护作用。其结构特征是，一般有一个有绝缘衬垫的钢制框架，所有部件均安装在这个框架底座内。常用主要系列型号有：DW10一般型，DW17、DW15、DW15HH多功能、高性能型，DW45智能型，另外还有ME、AE高性能型和M智能型等系列。图2-41展示了几种低压断路器的实物图片。

（4）低压成套配电装置

成套配电装置具有以下特点：

①有金属外壳（柜体）的保护，电气设备及载流导体不易积灰，便于维护，在污秽地区使用优势更为突出。

②易于实现产品的系列化、标准化，具有装配质量好、速度快，运行可靠性高的特点。其结构紧凑、布置合理、缩小了体积和占地面积，降低了造价。

③电器安装、线路敷设与变配电室的施工可分开进行，缩短了基建时间。

低压成套配电装置是电压为1200V及以下电网中用来接受和分配电能的成套配电设备。由一个或多个低压开关设备和相应的控制、测量、信号、保护、调节等电气元件或设备，以及所有内部的电气、机械的相互连接和结构部件组装成的一种组合体。分为配电屏（盘、柜）和配电箱两类，按控制层次又可分为配电总盘、分盘和动力、照明配电箱。我国生产的低压配电屏基本以固定式和手车式（又称抽屉式）两大类为主。

配电屏供接受和分配电能使用，它以支架和面板为基本结构，通常设有刀开关、熔断器、断路器、互感器、测量仪表和信号装置等。

控制屏主要用来远程控制各种电力驱动系统、电气设备或电力系统，它也是以支架和面板为基本结构，并装设刀开关、断路器、保护和控制继电器、测量仪表和信号装置等。

3. 低压控制电器

低压控制电器是用于低压电力拖动系统或其他各种控制系统中对电动机或被控电路进行控制、调节与保护的电器。

（1）接触器

接触器是一种电磁式电器，利用电磁吸力和弹簧反作用配合动作而使触头闭合或分断。能频繁地接通或断开交、直流主电路，还具有低压释放保护的功能，并能实现远距离控制，主要用于控制电动机，在自动控制系统中应用得相当广泛。接触器按其主触头控制的电路的种类不同，可分为直流接触器、交流接触器、切换电容接触器等。图2-42是几种低压接触器的实物图片。

交流接触器常用于远距离、频繁地接通和分断额定电压至1140V、电流至630A的交流电路。直流接触器主要用于电压440V、电流600A以下的直流电路。

接触器的使用选择原则：根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型；主触点的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压；吸引线圈的额定电压应与所接控制电路的额定电压等级一致；额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流；触头数量和种类应满足主电路的控制线路的要求。

（2）继电器

继电器是一种根据外界输入信号来接通或断开小电流控制电路，实现自动控制和保护电力拖动装置的自动切换电器。继电器触点常接在控制电路中，需要注意的是，继电器的触点不能用来接通和分断主电路，这也是继电器的作用与接触器的作用的区别。继电器的额定电流不大于5A。

继电器类型按用途可分为控制和保护继电器；按动作原理可分为：电磁式、感应式、电动式、电子式、机械式、热式继电器等；按输入量可分为：电流、电压、时间、速度、压力、温度继电器等；按动作时间分为：瞬时、延时继电器。

继电器的种类很多，在实际电路中主要有电磁式电流、电压和中间继电器，以及时间继电器、速度继电器、热继电器等。

电磁式继电器是使用最多的一种继电器，结构简单、价格低廉、使用维护方便。其触点种类和数量较多，体积较小，动作灵敏，无须灭弧装置。电磁式继电器典型结构如图2-43所示。

电磁式继电器按输入信号不同分为：电压继电器、电流继电器、时间继电器、速度继电器和中间继电器等。图2-44给出几种电磁式继电器的实物图片。

电压继电器是根据输入电压大小而动作的继电器，线圈与负载并联，以反映负载电压，其线圈匝数多而导线细。主要作为欠压、失压保护。

电流继电器线圈串接于电路中，根据线圈电流的大小而动作。这种继电器的线圈导线粗、匝数少、线圈阻抗小。主要用于过载或短路保护。

中间继电器实质上是一种电压继电器，但它的触点数量较多，容量较大，起到中间放大（触点数量和容量）作用。将一个信号变成多个输出信号或将信号放大，起到信号中转作用，通常用于传递信号和同时控制多个电路，也可直接用它来控制小容量电动机或其他电气执行元件。

时间继电器是从得到输入信号开始，经过一定的延时后才输出信号的继电器，适用于定时控制。对于电磁式时间继电器，当电磁线圈通电或断电后，经一段时间延时，触头状态才发生变化，即延时触头才动作。常用的时间继电器包括电磁式、阻尼式、电子式等。图2-45是不同类型的时间继电器。

速度继电器根据转速的大小通断电路。主要用作笼型异步电动机的反接制动控制，又称反接制动继电器。其结构由定子、转子和触头组成，工作原理与异步电动机类似。动作转速＞120rpm，复位转速＜100rpm。图2-46是几种速度继电器实物图。

热继电器是利用电流的热效应原理工作的保护电器，它在控制电路中，用作电动机的过载保护，既能保证电动机不超过容许的过载，又能最大限度地保证电动机的过载能力。主要用来保护电动机或其他负载免于过载，以及作为三相电动机的断相保护。热继电器种类很多，应用最广泛的是基于双金属片的热继电器，主要由热元件、双金属片和触点三部分组成。电流通过发热元件加热使双金属片弯曲，推动执行机构动作。图2-47是几种热继电器实物图。

固态继电器（SSR）是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元器件的电、磁和光电特性完成输入和输出的可靠隔离，利用电子元件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”。图2-48是几种固态继电器实物图。

固态继电器工作可靠、使用方便、寿命长、对外界干扰小、能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、开关速度快、无火花、无动作噪音。有逐步取代传统电磁继电器的趋势，还可应用于计算机的输入输出接口、外围和终端设备等传统电磁继电器无法应用的领域。

（3）主令电器

主令电器是在自动控制系统中发送控制指令或信号的电器。用来控制继电器、接触器或其他电器线圈，使电路接通或分断，从而达到控制生产流程的目的。在控制电路中由于它是一种专门发布命令的电器，故称为主令电器。主令电器可直接作用于控制电路，也可通过电磁式电器间接作用于控制电路。主令电器不允许分合主电路。

主令电器应用十分广泛，种类繁多，常用的有控制按钮、行程开关、接近开关、万能转换开关、主令控制器等，如图2-49所示。