电器学复习整理解析.docx
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电器学复习整理解析
电器学复习资料由电气1191班班委总结归纳，请大家务必认真参照复习，因能力有限，可能有些不全不足之处，望大家谅解！
电器学复习
1电器的定义：
凡是根据外界指定信号和要求，自动或手动接通和断开电路，断续或者连续地改变电路参数，实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节用的电气设备。
2电器的分类
1.按电压高低和工艺结构特点分类：
1）高压电器2）低压电器3）自动电磁元件4）成套电器
2.按电器的执行机能分类：
1）有触点电器2）无触点电器3）混合式电器
3.按电器的使用场合及工作条件分类：
1）一般民用电器2）特殊工业企业用电器3）农用电器4）热带用电器和高原用电器5）牵引、船舶、航空等电器
4.按电器的用途分类：
1）电力系统电器2）电力拖动自动控制系统用电器3）自动化通信用弱点器
3温升定义：
电器本身温度与周围环境温度之差，称为电器的温升。
我国国家标准规定，最高环境温度为+40℃。
4如果电器的温升超过极限允许温升，将产生如下危害：
1影响电器的机械性能
2引起接触电阻剧烈增加，甚至发生熔焊
温度升高会加剧电器中电接触表面与其周围大气中某些气体之间的化学反应，使接触表面生成氧化膜及其它膜层，从而增大接触电阻，并进一步使接触表面的温度再次升高，形成恶性循环，最终可能会导致接触表面发生熔焊。
例如，铜触头温度在70~80℃以上时，接触电阻迅速增大。
3导致绝缘材料的绝缘性能下降
绝缘材料发热超过一定温度时，其介电强度将急剧下降，导致绝缘材料的绝缘性能下降，使材料逐渐变脆老化，甚至损坏。
5电器的热源主要来自三个方面：
1电流通过导体产生的电阻损耗。
电阻来自三个方面：
导体的金属电阻、触点连接处的接触电阻、触头开断线路时出现的电弧电阻。
2交流电器铁磁体内产生的涡流、磁滞损耗。
3交流电器绝缘体内产生的介质损耗。
6电器中的热传导形式有三种：
热传导，热对流和热辐射。
电器产生的热量通过这些方式向周围散出。
7电器表面稳定温升计算——牛顿公式
式中
——总散热功率（W）；
——有效散热面积（
）；
——发热体的温升，
，
和
分别是发热体和周围介质温度；
——综合散热系数（
）。
电器有四种工作制：
长期工作制（不间断工作制）、八小时工作制、反复短时工作制（间断周期工作制）、短时工作制。
在短时工作制下为什么电器可以过载运行？
答：
由于电器通电时间短，不足使电器达到稳定温升，为了使电器得到充分的利用，我们可以加大电器的电流进行过载运行，只要使电器在短时通电末了的温升小于或等于长期通电时的极限允许温升，电器就不会损坏，反而提高了电器的利用率。
注：
电器通电的时间小于4倍的时间常数，电器的温升不会达到稳定温升，而两次通电时间的间隔足以使电器的温度恢复到周围介质温度。
7定义:
在一定时间内电器承受短路电流引起的热作用而不致损伤电器的能力称为电器的热稳定性，。
8定义:
在规定的使用和性能条件下，开关电器在指定的短时间内，于闭合位置上所能承受的短路电流叫热稳定电流。
9电动力计算的常用方法有两个：
一是用毕奥―沙伐尔定律计算电动力；二是用能量平衡法计算电动力。
i.
10回路系数为
a）
（3-27）
ii.在特殊场合，如
时（b=0），有
1.
11单相暂态交流下的最大电动力:
a）
（3-57）
4表明单相暂态交流下的最大电动力是单相稳态交流下最大电动力的3.24倍。
在极限情况下，若
，则
。
12三相系统短路时电动力结论：
1A相和C相受到最大电动力为斥力，其值为
；
2B相导体受到最大电动吸力和斥力相同，其值为
，但达到最大值的时刻不同；
无论中间相还是边缘相，其受力的方向都是交变的。
对于等边三角形布置的三相导体，如令短路电流的衰减系数
3B相、C相导体与A相导体受力相同，只是时间、空间相位不同。
13电器的电动稳定性：
电器能承受短路电流产生的电动力的作用而不致破坏或产生永久变形的能力称为电器的电动稳定性。
14电弧的定义：
触头间隙（简称弧隙）中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体——这就是电弧。
15气体的电离方式分为两大类：
表面发射和空间电离。
1.表面发射
（1）热发射：
当金属的温度升高时，其表面的自由电子可能获得足够的动能，以超越金属表面晶格电场造成的势垒而逸出，这种现象叫做热发射。
（2）场致发射：
当金属表面存在较高的电场强度时（大于
），其表面势垒厚度减小，自由电子可能在常温下穿过势垒逸出金属，这种现象叫做场致发射。
（3）光发射：
当光和射线照射到金属表面时引起的电子逸出现象叫做光发射。
。
（4）二次发射：
当正离子以很高的速度碰撞阴极，或者当电子以很高的速度撞击阳极，都可能引起金属电极表面发射电子，这种现象叫做二次发射。
2.空间电离
（1）光电离：
中性粒子受到光的照射，当光子的能量大于气体原子或分子的电离能时，在空间就可能产生光电离。
光的频率越高（即波长越短），其电离作用越强。
（2）电场电离：
如果离子在足够大的电场作用下被加速，从而获得动能。
（3）热电离：
气体粒子由于高速的热运动而互相碰撞所产生的电离，叫做热电离。
16开断电路时电弧的产生过程
触点在断开或闭合的电路过程中，都常有放电现象。
对于直流电路，如果被断开电路的电流以及开断后加载在触头间隙的电压都超过一定数值时，则触头间就会产生电弧。
17电弧可分为三个区域：
近阴极区，弧柱区，近阳极区。
18电弧的热惯性：
构成电弧的气体具有一定的热容量，要使温度升高或降低，必须供给或从中散发一定的热量，而热量的供给或散发需要经过一定的时间。
因此温度的变化就要滞后于电流的变化，这种现象称为电弧的热惯性。
19直流电弧熄灭原理（重点）：
《注：
由于过程比较复杂，一时半会说不清楚，请参照书上P67--71》
20直流电弧熄灭两个方法：
一是使
角增大，直线
变成
；二是使曲线A-A上移，移至
Aˊ-Aˊ。
图4-15使稳定燃弧点不存在的措施
1.增大
角
b）
角增大，也就是说
增大，即增大线路电阻
，比如在熄弧时可将另一电阻串入回路中。
此方法多在高压开关电器熄弧中采用。
（二）提高电弧的静态伏安特性
c）要使伏安特性上移，即增大
，由公式（4-3）可知，可见用以下方法实现：
a）增大近极压降
b）增大电弧长度
c）增大弧柱电场强度E
交流电弧与直流电弧哪个更容易熄灭？
为什么？
答：
交流电弧更容易熄灭，由于交流电弧具有自身过零的特点，存在零休期和近阴极效应。
直流电感性电路产生的电弧与纯阻性相比哪个更容易熄灭，为什么？
答：
纯阻性电路产生的电弧更容易熄灭，电感中储存有能量，在熄灭过程中这部分能量没有返回电源，而是消耗在弧隙中，于是熄灭电弧过程中从弧隙散发的能量增多，其次电感中释放能量需要一段时间，因而不能立即熄灭，必须把能量释放完电弧才能熄灭。
21电弧电压对交流电路电流的影响（P72--76）
1零休现象
2在电感性负载中使电流过零时的下降速度变快
3限流作用
4使电路中的功率因数角
减小
22交流电弧的熄灭原理p77—p83
a）在电流过零期间，电弧的输入功率为零，这就给交流电弧的熄灭创造了非常有利的条件。
所以交流电器的开断都是利用交流电流这一特点来熄灭电弧的。
b）在交流电流过零以后，弧隙上和弧隙中同时进行着两个相互联系的过程：
一是弧隙中电离气体从导体状态转变为绝缘状态，使弧隙中电离气体能够承受电压作用而不发生电弧重燃的过程，这叫做介质恢复过程；另一个是由于熄弧后电路将被开断，电源电压加到弧隙两端触头上的过程，叫做电压恢复过程。
在每一次过零期间，这两个过程皆同时进行，电弧熄灭与否，决定于这两个过程的竞争。
若介质恢复强度
的数值总是大于恢复电压
的数值，如图4-26中
与
所示，则电弧趋于熄灭；若
在某一瞬间小于
，如图4-26中
与
所示，则电弧可能继续燃烧。
交流电流过零后，弧隙中的介质恢复过程和电压恢复过程曲线
由于交流电流过零以后，弧隙中的介质恢复过程在近阴极区和弧柱区有着不同的情况，下面分别加以说明。
1.近阴极区的介质恢复过程（近阴极效应）（P77）
2.弧柱区的介质恢复过程
对于高压长弧来说，电弧重燃有两种情况：
1热击穿
2电击穿
3.开关电器弧隙的介质恢复强度特性
开关电器弧隙的介质恢复强度随时间变化的关系叫做弧隙介质恢复强度特性。
由于弧隙中的介质恢复过程与弧隙上是否施加电压有关，因此从理论上说介质恢复过程可以分为两种。
固有介质恢复过程：
它是指电流过零后，弧隙上不加电压时的介质恢复过程，相应的
随着
变化的关系叫做固有介质恢复强度特性。
这种特性在给定弧隙介质条件下仅有一条。
实际介质恢复过程：
它是指电流过零后，弧隙上施加某一电压的介质恢复过程，相应的
与
变化的关系叫做实际介质恢复强度特性。
这一特性随所加电压的大小和波形不同而不同，因此，即使在给定弧隙介质条件的情况下，它也有许多条。
23熄灭电弧的基本方法和基本装置1）简单灭弧2磁吹灭弧3纵缝灭弧4固体产气灭弧5石英砂灭弧6油吹灭弧7压缩空气灭弧8六氟化硫（SF6）气体灭弧.9真空灭弧10无弧分断11栅片灭弧
24“电接触现象”定义：
使两导电零件通过机械连接方式互相接触，以实现导电的机械、电、热、物理、化学等现象，通称为“电接触现象”。
25电接触的分类根据结构形式不同，电接触分为“固定电接触”、“滑动与滚动电接触”以及“可分合电接触”三大类。
26触头的有关工作参数和特性指标
1触头的工作参数
触头的工作参数，亦称触头的使用条件参数，包括“额定电压”（Un）、“额定电流”（In）、“工作制”（根据触头通电时间的长短不同，分为长期工作制、8小时工作制、短时工作制和反复短时工作制四种）、“操作频率”（指触头每小时通电操作次数）、“通电持续率”（是指通电时间与工作周期的比值，常记为TD％）等。
2、触头的极数
根据工作负荷的多少，常用于高低压开关电器的触头极数可从单极、双极，到三极、四极或五极不等。
3触头的断口数
触头的断口数是指在某一相电路中，高低压开关电器触头的物理断口总数，有单断口、双断口、三断口等多种。
其中，前两者在高低压开关电器中应用较多，而最后一种情况出现于高压真空断路器。
4触头的结构参数
触头的结构参数是指保证触头在其工作参数下能可靠工作的结构措施，包括触头的开距、超程、初压力、终压力以及特性指标。
其中：
开距：
指触头完全断开时，动、静触头之间的最短距离；
超程：
指动、静触头完全闭合后，移开动（或静）触头后，静（或动）触头将要移动的距离；
初压力：
指动、静触头刚刚接触时，每个触头上承受的压力；
终压力：
指动、静触头完全闭合后，每个触头上承受的压力。
注意：
如果电器的触头由多个触指并联构成，则触头初压力或终压力的大小等于测得的压力值除以触指的数量。
触头的特性指标包括触头的容许温升、电动稳定电流和热稳定电流、电寿命（指在规定的电路参数下，触头能正常通断规定负载电流的操作次数）等。
27接触电阻的组成接触电阻由收缩电阻和表面膜电阻组成。
接触电阻Rj的几个组成因素可用下式表示：
Rj=Rb+（Rs1+Rs2）式中Rb――表面膜电阻；Rs――收缩电阻。
28工程上计算接触电阻的公式：
29影响接触电阻的主要因素
影响接触电阻的因素很多，其中最重要的因素有材料的电阻率、硬度、接触压力、几何形状、尺寸大小和表面光洁度、接触电流和通过电流的时间，化学稳定性、抗电侵蚀性能和抗电磨损性能等。
30减小接触电阻：
应从减少收缩电阻和表面膜电阻两方面考虑。
a）
31实现触头的无危险振动：
采用较大的触头预压力、刚度较大的触头弹簧、减小动触头闭合速度、减轻动触头质量、选恢复系数接近于1的触头材料，即可实现触头的无危险振动。
32触头的熔焊1、静熔焊2、动熔焊
33减小触头熔焊的常用方法：
a）选电阻率小、抗拉强度小和熔化温度高的材料；
b）材料中加少量其他材料，使凝结面变脆；
c）尽量减小触头振动。
34触头电磨损的定义及影响因素
1触头电磨损
触头电磨损是指在开断与闭合电路时，产生金属液桥、电弧与火花放电等，引起金属转移、喷溅和气化，使触头材料损耗和变形的现象。
触头电磨损将使触头表面形成凹凸不平、变形、材料转移或损失等，结果导致触头寿命终结。
2、触头电磨损
触头电磨损有桥磨损和电弧磨损两种主要形式。
1桥磨损，也称为液桥磨损。
2液桥形成条件：
通过触头的电流大于形成液桥的最小形成电流I00。
但小于电弧放电最小生弧电流I0，电压U大于U0。
液桥的特点：
阳极侧的温度最高，液桥最终是在此处被拉断，因此阳极常常成为凹坑，而阴极成为针状或瘤状。
触头材料的电弧侵蚀机理：
（1）带电粒子在电场作用下轰击电极，使表面材料蒸发；
（2）电动力和气吹作用，使熔化金属成滴状喷出。
由于电触头材料受电弧的侵蚀程度是制约电触头性能与使用寿命的重要因素，因此，长期以来，对电触头材料电弧侵蚀的研究一直是电接触理论与应用的重要方面。
3、影响触头电磨损的因素
包括机械、电、化学等方面。
其中，触头磨损的主要原因是电和热。
触头电磨损的程度与电流和触头断开时的电压有关。
其中，产生电磨损的电流I应大于形成金属液桥的最小电流I00（即0.05
0.06A）。
当线路电压小于维持电弧的最小电压U0（10V），且接触压降等于熔化电压时，最后一个接触斑点附近金属熔化成液桥，进而气化、被拉断,发生桥转移，两触头表面分别形成针刺和凹坑。
当线路电压大于U0、电流大于I0时，将先出现液态金属桥，桥拉断后立即出现电弧或其它放电现象。
4、减小触头电磨损的措施：
大中功率电器减小电弧磨损的主要途径有：
（1）选磨损系数小的复合材料制成触头；
（2）采取有效灭弧措施，缩短燃弧时间，或用横向磁场吹弧。
38电磁铁的结构和工作原理
电磁铁是一种通电后对铁磁物质产生吸力，将电能转变为机械能的电器或电器部件。
电磁铁是由线圈、导磁体和反力弹簧等组成，导磁体一般由两部分组成：
静止部分――静铁心和运动部分――衔铁（或称动铁心），线圈常装在静铁心上，反力弹簧则装在衔铁上，图6-1为电磁铁的示意图。
电磁铁示意图
（1）线圈2—静铁芯3—衔铁4—反力弹簧
在线圈1没有通电时，衔铁3在反力弹簧4作用下，与静铁心2之间保持一个较大的空气隙（称为工作气隙），如图6-1所示，这时衔铁处于打开位置；当线圈通电以后，导磁体被磁化，于是静铁心和衔铁之间产生吸力，当吸力大于弹簧的反作用力时，衔铁被吸向静铁心，直到与静铁心接触为止，这个过程称为衔铁吸合过程；衔铁与静铁心接触的位置，称为衔铁吸合位置；此时，衔铁与静铁心之间仍有一个很小的工作气隙；在线圈中电流减小或中断时，静铁心对衔铁的吸力减少，当吸力小于弹簧的反作用力时，衔铁返回打开位置，这个过程称为衔铁释放过程。
39磁路计算的基本定律
磁路的欧姆定律
磁路的欧姆定律：
是指磁路两点间的磁压降等于通过此磁路的磁通量与其磁阻的乘积。
（2）导磁体的磁压降
a）
式中Um――导磁体中的磁压降（A）；
（3）Φ――通过导磁体的磁通（Wb）；
（4）Rm――导磁体的磁阻（1/H）。
（1）
式中μ――导磁体的磁导率（H/m）。
（2）空气隙的磁压降
式中
――空气隙的磁压降（A）；
――空气隙的磁通（Wb）；
――空气隙的磁阻（1/H）。
当空气隙中磁场为均匀磁场时，空气隙磁阻可用下式计算：
式中δ――空气隙长度（m）；
Sδ――磁极面积（m2）；
μ0――真空磁导率，
。
因为空气的磁导率与真空导率相差很小，所以求空气隙磁导时，可以用真空磁导率。
2）气隙磁阻的倒数称为气隙磁导
，即
因此，气隙磁压降也可以用下式表示：
2、磁路的基尔霍夫第一定律
指在磁路任一节点处，进入节点的磁通，与离开节点的磁通相等，若以离开节点的磁通为正，进入节点的磁通为负，则汇聚在磁路任一节点的磁通代数和为零，其一般数学表达式为：
3、磁路的基尔霍夫第二定律
指沿磁路的任一闭合回路，磁压降的代数和等于与该回路磁通相交链的线圈磁通势的代数和，即
在有空气隙的磁路中，磁路的基尔霍夫第二定律也可以用下式表示：
40气隙磁导计算方法有数学解析法、分割磁场法、图解法和经验公式法等。
相互平行的矩形磁极计算：
当δ/a
0.2和δ/b
0.2时，可以忽略边缘磁通，即认为磁通均通过相互平行的磁极平面之间，而且磁场是均匀的，则气隙磁导可按下式计算：
式中Λδ――气隙磁导（H）；
（1）a――磁极长度（m）；
（2）b――磁极宽度（m）；
（3）δ――磁极间气隙长度（m）；
（4）
――真空磁导率（H/m）。
41电磁铁的吸力计算通常采用能量平衡法和麦克斯韦公式法
在电磁铁的工作气隙，磁通
，则：
42为消除交流电磁铁在吸合位置的振动和噪声，在静铁心或衔铁极面附近装置分磁环，如果合成吸力最小值Fxkmin大于衔铁在吸合位置所受的反力，则可以基本上消除衔铁的振动和噪声
43吸力特性与反力特性的配合（P160）
从动态特性的角度来看：
一方面希望电磁系统动作迅速，这显然是要求电磁吸力与反作用力的差值越大越好；另一方面又要求衔铁与铁心（以及动触头与静触头）之间的撞击很轻微，这势必要尽量减小两种力的差值。
这样看来两种要求似乎是完全矛盾的。
其实不然，因为衔铁的运动时间主要决定于它开始运动不久后的初速度，而撞击的强弱则主要决定于运动终了时衔铁具有的动能。
这就促使人们想到采取类似图（7-11）所示的特性配合方式：
利用两种力在释放位置附近巨大的差值，使衔铁于其运动初期具有甚大的加速度，借此缩短运动时间，再利用两种力于小气隙附近的负差，将衔铁于发生撞击前的动能吸收掉一大部分，从而大幅度地减小撞击能量。
一种合理的吸力－反力特性配合方式
采取这种配合方式时必须特别注意两个问题：
动作值时的吸力-反力特性负差部分的面积A2（它代表被吸收的衔铁能量），必须小于正差部分的面积A1（它代表加速衔铁运动的能量）。
否则，衔铁就不可能持续运动到终点。
动作值时的吸力特性在δ=δmin处必须大于反作用力。
否则，衔铁即使能运动到该处，也不可能保持在该处不动。
合理的吸力－反力配合，可借调整反力特性和吸力特性来实现。
44电磁铁的吸合时间（tx）：
从电磁铁线圈通电的瞬间起至衔铁到达闭合位置为止所经过的时间间隔，称为电磁铁的吸合时间（tx）；又可以分为吸合触动时间（tc）和吸合运动时间（td）。
45磁铁的释放时间（tf）：
从线圈断电（或降低磁通势）的瞬间起到衔铁返回打开位置为止所经过的时间间隔称为电磁铁的释放时间（tf）；又可以分为释放触动时间（tfc）和释放运动时间（tfd）。
46影响直流电磁铁动作时间的因素
1线圈电路的时间常数
吸合触动时间tc和释放触动时间tfc均与线圈电路的时间常数成正比，增加线圈电路时间常数的方法之一，是在铁心或铁轭上套一个铜套筒或铅套筒，也称阻尼套筒，它相当于一个短路的变压器二次线圈，当铁心及铁轭内磁通变化时，在阻尼套筒内产生感应电动势及电流，反对磁通的变化，使磁通的变化减慢，相当于线圈时间常数增加，而使tc和tfc增加。
2导磁体内的涡流
当导磁体内磁通发生变化时，会产生涡流，其作用与阻尼套筒内的感应电流相同，故导磁体中涡流越大，tc和tfc也越大。
若要加速电磁铁的吸合与释放过程，可以用薄硅钢片叠成导磁体，而且片间绝缘，以减少导磁体内的涡流，使tc及tfc减小；所以有些需要快速动作的直流电磁铁，其导磁体也用薄硅钢片叠成。
3电磁铁的反力
电磁铁在打开位置，衔铁所受力Ffa越大，吸合触动电流Ic也越大,则tc随之增长
电磁铁在吸合位置，衔铁所受反力越大，释放触动电流If也越大，则tfc随之缩短。
衔铁运动部件的质量及行程
电磁铁衔铁运动部件的质量越大及行程越长，则吸合运动时间td及释放运动时间tfd越长。
4电磁铁吸力特性与反力特性的配合
电磁铁吸合过程中，吸力特性与反力特性所夹面积Sk越大，则td越短；在释放过程中，反力特性与吸力特性之间所夹面积Sf越大，则tfd越短。
47选择电磁铁的结构形式
1从特性配合来选择电磁铁的结构形式
选择电磁铁的结构形式应从电磁铁的工作任务及反力特性出发；例如对于不要求快速动作的接触器电磁铁，应使吸力特性形状尽量与反力特性形状一致，在衔铁吸合过程中，吸力特性应高于反力特性，但两者之间所夹面积应比较小，以减少动作功率和材料消耗，提高电器寿命。
对于要求快速动作的电磁铁，则吸力特性应远高于反力特性，以减少动作时间。
2用结构因数来选择电磁铁的结构形式
按电磁铁的特性配合初选电磁铁的结构形式之后，再计算结构因数KΦ，来检查所选结构形式是否恰当，KΦ按下式计算：
式中KΦ――电磁铁的结构因数（N0.5/cm）；
FΦ――电磁铁设计点的吸力（N）；
δ0――电磁铁设计点的工作气隙值（cm）。
交流电弧与直流电弧哪个更容易熄灭，为什么？
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