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低壓電器的結構設計及相關理論

（1）低壓斷路器的內部結構

圖1：國產斷路器的內部結構

我們看到典型的主回路低壓電器——斷路器內部存在動靜觸頭導電桿（排），觸頭和接線端子，以及觸頭的滅弧罩，還有操動機構和操作手柄。

（2）繼電器的內部結構

圖2：繼電器的內部結構

我們看到典型的輔助回路低壓電器——繼電器的內部，我們看到動靜觸點以及導電桿，還有觸點。與斷路器相比，我們并沒有看到滅弧罩。可見，輔助回路的電流小，用于輔助回路的低壓電器是無需滅弧罩的。

（3）開關電器所涉及到的五大理論

低壓電器屬于開關電器的范疇。不管是高壓電器也好，是低壓電器也好，它們的基礎理論有五個方面，也即五大理論。

第一個理論是開關電器的發熱理論

低壓電器的發熱理論涉及到低壓電器的觸頭導電排的運行溫度，以及觸頭的運行溫度。
我們看下圖：

圖3：斷路器的溫升

圖4：母線搭接面的溫升

我們從圖3和圖4中看到了斷路器的結構模式圖，以及母線搭接的模式圖。當電流流過這些導電結構時，就會產生熱量，造成溫升。研究這些導電結構以及如何防止過高的溫升，其理論就是電器的發熱理論。由于熱量需要通過電器外殼散熱，故電器外殼相對環境的溫升也很關鍵。外殼需要有一定的防塵和防水措施，因而造成內部導電結果的溫度更加升高。低壓開關電器導電結構材料和絕緣材料允許的Zui高運行溫度對應的就是開關電器的額定電流。因此，開關電器的整體設計很關鍵，它決定了開關電器的設計和運行品質。

第二個是電接觸理論

圖5：把導體切斷后再拼合，其斷口處就會產生接觸電阻發熱效應

圖6：動靜觸頭處流過電流后會產生斥力，若電流足夠大，觸頭會被斥開造成電弧燒蝕

從圖5和圖6我們看到，電接觸的影響既有發熱方面，還有電動力方面。此外，接觸材料之間會因為化學組分不同，產生電化學反應，造成材料侵蝕和氧化，引起氧化還原反應，會增加接觸電阻。為了消除接觸電阻，接觸方式有點接觸、線接觸和面接觸等三種形式，其中點接觸一般用于繼電器，線接觸用于斷路器，而面接觸一般用于接觸器和母線搭接。其中線接觸存在摩擦過程，可以消除氧化層，故線接觸相對較好。電接觸問題同樣與開關電器的設計密切相關。

第三個理論是電動力理論

當開關電器的導電結構流過電流后，它們之間會產生電動力，并使得導電結構相互之間產生形變。尤其是短路電流流過電器導電結構時，影響就更大。短路電流的Zui大值——沖擊短路電流峰值對電器穩定性的影響尤其顯著。我們把電器能夠抵御的Zui大短路電流值叫做電器的短路接通能力，它決定了電器的動穩定性。特別地，短路電流在一定時間內流過開關電器并對導電結構產生熱沖擊作用，開關電器能夠抵御的Zui大短路電流值叫做開關電器的熱穩定性。動、熱穩定性是開關電器的Zui重要參數之一。

第四個理論是電弧理論

圖7：開關電器觸頭開斷時產生的電弧，以及滅弧罩的位置

電弧，它的理論相對較多，與物理學關系很密切。下圖是直流電弧與交流電弧的伏安特性曲線：

圖8：電弧的伏安特性曲線

我們看到，直流電弧具有負阻特性，并且存在穩定點。要對直流電弧熄弧，就要消除它的穩定點。交流電弧因為電流會過零，過零時電弧熄滅，之后重燃。故交流電弧如何消除過零后的電弧重燃就是Zui大的課題。這里也存在許多相關理論。

第五個就是電磁系統理論

我們看下圖：

圖9：低壓交流接觸器的結構模式圖

圖10：交流接觸器吸合特性與反力特性

圖9和圖10我們看到了低壓電器的典型代表——交流接觸器的內部結構模式圖，以及它的鐵芯與銜鐵之間產生的吸力特性/反力特性，這里的δ是兩者之間的氣隙寬度。我們看到，吸力特性隨著δ的減小而增大，而反力特性存在跳躍現象。另外，直流磁路的吸力特性優于交流磁路的吸力特性。開關電器的磁路計算依據四個基本定律，其一是磁路的歐姆定律，再來是磁路的基爾霍夫第一和第二定律，Zui后是麥克斯韋電磁吸力公式。利用這四個定律和公式，就構建了設計電磁系統的基礎計算法。