1.1 低压电器的基本知识

低压电器是指工作在交流1200V、直流1500V及以下的电路中，以实现对电路或非电对象的控制、检测、保护、变换、调节等作用的电器。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；利用现代控制原理构成的低压电器称为自动化电器、智能化电器或可通信电器。

1.1.1 低压电器的分类

低压电器种类繁多、结构各异、原理不同、用途广泛，有不同的分类法。习惯上按用途可分为以下几类。

1.低压配电电器

用于供、配电系统中进行电能输送和分配的电器称为低压配电电器，如刀开关、低压断路器、隔离开关、转换开关和熔断器等。对这类电器要求分断能力强、限流效果好、动稳定及热稳定性能好。

2.低压控制电器

用于各类控制电路和控制系统的电器称为低压控制电器，如转换开关、按钮、接触器、继电器、电磁阀、热继电器、熔断器、各种控制器等。对这类电器要求有一定的通断能力，操作频率高，电气和机械寿命长。

3.低压主令电器

用于发送控制指令的电器称为低压主令电器，如按钮、主令开关、行程开关、主令控制器、凸轮控制器、万能转换开关等。对这类电器要求操作频率高，电气和机械寿命长，抗冲击。

4.低压保护电器

用于对电路和电气设备进行安全保护的电器称为低压保护电器，如熔断器、热继电器、电压继电器、电流继电器等。对这类电器要求可靠性高，反应灵敏，具有一定的通/断能力。

5.低压执行电器

用于执行某种动作和传动功能的电器称为低压执行电器，如电磁铁、电磁离合器等。

低压电器按使用场合可分为一般工业用电器、特殊工矿用电器、航空电器、船用电器、建筑电器、农用电器等；按操作方式可分为手动电器和自动电器；按工作原理可分为电磁式电器、非电量控制电器等，其中电磁式低压电器是应用最广泛、结构最典型的一种。

1.1.2 电磁式低压电器

从结构上看，电器一般由感测部分和执行部分组成。感测部分接收外界输入信号，通过转换、放大、判断，做出相应的反应，使执行部分动作，输出相应的指令，实现对电路通断的控制。对于有触点的电磁式电器，感测部分指电磁机构，执行部分指触点系统。

1.电磁机构

1）电磁机构的结构型式

电磁机构由吸引线圈，铁芯和衔铁组成。其结构形式按衔铁相对铁芯的运动方式可分为直动式和拍合式两种。图1-1和图1-2分别为直动式和拍合式电磁机构的几种常用结构形式。

吸引线圈的作用是将电能转换为磁能，按吸引线圈通入电流性质的不同，电磁机构又分为直流电磁机构和交流电磁机构，它们的线圈分别称为直流电磁线圈和交流电磁线圈。对于直流电磁机构：由于铁芯不发热，只有线圈发热，所以线圈一般做成无骨架、高而薄的瘦高型，线圈与铁芯直接接触，以利于线圈散热；铁芯和衔铁用软钢或工程纯铁制成。对于交流电磁机构，除交流电流流过线圈引起发热外，还在铁芯中产生涡流和磁滞损耗，造成铁芯发热，为此，铁芯与衔铁用硅钢片叠制而成；且线圈做成短而厚的矮胖型，并设有骨架，使铁芯和线圈隔开，便于线圈和铁芯散热。另外，根据线圈在电路中的连接方式，又分串联线圈和并联线圈。串联线圈匝数少、线径粗，用做电流线圈；并联线圈匝数多、线径较细，用做电压线圈。

2）电磁机构的工作原理

当电流通过吸引线圈时，电流产生的磁通Φ通过铁芯，衔铁和气隙形成闭合回路，如图1-3中虚线所示。衔铁受到电磁吸力，被吸向铁芯，但衔铁受反力弹簧拉力的牵引，只有当电磁吸力大于反力弹簧的拉力时，铁芯才能可靠地吸住衔铁。但电磁吸力不宜过大，否则在吸合时两者会发生严重的撞击。当吸引线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反力弹簧作用下与铁芯脱离，称衔铁释放。

电磁线圈通入交流电时，每秒有100次瞬间为零，因此电磁机构产生的电磁吸力也随时间从零至最大吸力之间周期变化，其结果将使衔铁每秒发生100次振动，这种振动不但产生很大的噪声，而且很容易损坏电磁机构。为此可在铁芯中加设短路环消除振动。

在交流电磁机构铁芯柱距端面1/3处开一个槽，槽内嵌入铜环，又称短路环或分磁环，如图1-4所示。吸引线圈通入交流电时，由于短路环的作用，在铁芯中产生的磁通分为两部分，即通过短路环的磁通Φ2和不通过短路环的磁通Φ1。两部分的磁通存在相位差，它们分别产生的电磁吸力也存在一定的相位差。这样，虽然这两部分的电磁吸力各自都有达到零值的时候，但达到零值的时刻已经错开，二者的合力大于零。只要短路环设计合适，合成电磁吸力始终大于反力弹簧拉力，衔铁吸合时就不会产生振动和噪声。

2.触点系统

触点系统是电磁式电器的执行部分，起接通和断开电路的作用。触点按其所控制的电路可分为主触点和辅助触点。主触点用于接通或断开主电路，允许通过较大的电流；辅助触点用于接通或断开控制电路，只能通过较小的电流。

触点按其原始状态可分为常开触点和常闭触点。在原始状态（吸引线圈未通电）时触点分断，线圈通电后触点闭合，该触点称常开触点，又称动合触点。在原始状态时闭合，线圈通电后分断的触点，称常闭触点，又称动断触点。线圈断电后，所有触点均回到原始状态。无论是常开触点还是常闭触点，它们均由静触头和动触头组成，如图1-5所示。触点分断时，静、动触头分开，触点闭合时，静、动触头接通。

触点按其结构形式可分为桥式触点和指形触点，如图1-5所示。桥式触点在接通与断开电路时由两个触点共同完成，对灭弧有利。这类结构触点的接触形式一般是点接触和面接触。点接触的每个触点由两个半球形触头构成，如图1-5（a）所示，或者由一个半球形与一个平面形触头构成，它们适于电流不大且触点压力小的场合，如用做接触器的辅助触点和继电器触点。面接触中每个触点由两个平面触头构成，如图1-5（b）所示，并在触头表面镶有合金，允许通过较大的电流，作为中小容量接触器的主触点。

图1-5（c）所示为指形触点，其接触区为一直线，触头在接通与分断时产生滚动摩擦，可以去掉触头表面的氧化膜，故其触头可用纯铜制造，特别适用于触点分合次数多、电流大的场合，如大容量接触器的主触点。

为使触点具有良好的接触性能，触头常采用铜质材料制成。在使用中，由于铜的表面容易氧化而生成一层氧化铜，使触头接触电阻增大，容易引起触头过热，影响电器的使用寿命。因此，对电流容量较小的电器（如接触器、继电器等），常采用银质材料，因为银的氧化膜电阻率与纯银相似，从而避免因触头表面氧化膜电阻率增加而造成触头接触不良的现象产生。

触点系统通常装有触头弹簧，在触点刚接触时产生初压力，随着触点的闭合压力增大，使接触电阻减小，触点接触更加紧密，并消除触点开始闭合时产生的振动现象。

1.1.3 电弧的产生和灭弧方法

1.电弧的产生

当电器触点在通电状态下开始分断时，两触头间的间隙d很小，电路电压u几乎全部降到触头间隙上，使该处电场强度E=u/d很高。于是阴极触头的自由电子就会逸出到气隙中，并向阳极触头加速运动，并在前进途中撞击气体原子，使此原子分裂成带负电的电子和带正电的离子。这些电子在向阳极运动时又撞击其他原子，此现象称撞击电离。而正离子则向阴极运动，撞击阴极，使阴极温度逐渐升高。当温度升到一定值后，一部分电子有足够动能从阴极逸出再参与撞击电离，称热电子发射。当温度达到或超过3000℃时，气体分子热运动速度加快，发生强烈的不规则运动并相互撞击，使中性原子也出现电离，称热游离。于是，在触头间呈现大量向阳极飞驰的电子流，就形成了电弧。

电弧会造成如下危害：延长电器切断故障的时间；由于电弧温度很高，如果长期燃烧，不仅将触头表面金属熔化或蒸发，而且会使触头附近绝缘材料烧坏，引起事故；形成飞弧会造成电源短路。因此，在电器中应采取灭弧措施。

2.灭弧方法

应当指出，伴随着电离的进行也存在着消电离的现象，主要是通过正、负带电质点的复合完成的。温度越低，带电质点运动越慢，越容易复合。可见，欲使电弧熄灭，应设法降低电场强度和温度，以加强消电离作用，只要电离速度低于消电离速度，则电弧熄灭。据此灭弧原则，有如下几种灭弧装置。

（1）电动力吹弧。图1-6所示为一种桥式结构双断口触点。当触点断开电路时，在断口处产生电弧，电弧电流在两电弧之间产生磁场，其方向用右手螺旋定则决定。再根据左手定则，电弧将受到指向外侧的电动力F的作用，使电弧向外运动并被拉长，从而迅速冷却并熄灭，该法多用于小容量交流接触器中。

（2）磁吹式灭弧。如图1-7所示为磁吹式灭弧原理示意图，磁吹线圈由扁铜条弯成，中间装有铁芯，它们间有绝缘套，铁芯两端装有两片铁质的导磁夹板，在灭弧罩内的动静触头就处在夹板间。磁吹线圈和触头串联，负载电流流过触头和磁吹线圈，其方向如图1-7所示。触头刚分断时产生电弧，电弧电流形成的磁场用右手螺旋定则确定，在电弧上方磁通方向是⊙，电弧下方磁通方向是⊗。流过磁吹线圈的电流产生磁通并经过一边夹板，穿过夹板间隙进入另一边夹板而形成闭合磁路，其方向用×表示。两个磁场在电弧上方方向相反，被削弱，在电弧下方方向相同而增强。受磁场力F的作用，用左手定则可以判定电弧被向上拉长。引弧角与静触头相连，引导电弧向上快速运动进入灭弧罩中，使其迅速冷却熄灭。此法利用电流灭弧，电流越大，吹弧能力越强，广泛用于直流接触器中。

（3）窄缝灭弧。当触点分断时，电弧在电动力的作用下被拉长，进入灭弧罩的窄缝中，几条纵缝将电弧分割成数段并与缝壁紧密接触，使电弧受冷却而迅速熄灭。灭弧罩通常用陶土、石棉水泥或耐弧塑料制成。此法多用于交流接触器中。

（4）栅片灭弧。如图1-8所示为栅片灭弧原理示意图，电弧被电动力推入一组栅片中，被栅片分割成数段。栅片互相绝缘，每片相当于一个电极，每对电极都有150～250V的绝缘强度，使整个灭弧栅的绝缘强度大大加强，以致外电压无法维持，电弧迅速熄灭。同时，栅片还能吸收电弧热量，使电弧迅速冷却。