低压电器设计原则是什么?
0 2024-02-22
01
低压电器的设计原则

低压电器的设计原则有什么?

一般来说,低压电器指的就是低压开关电器,其电压根据GB/T 14048.1-2023《低压开关设备和控制设备 第1部分:总则》的规定是不超过1000V的交流电压,或者不超过1500V的直流电压。低压电器分为主回路电器和辅助回路电器两类。所谓主回路电器,指的是传递电能的回路,其功能是执行主回路的开断和接通,故主回路低压电器的特点是电流大电压高,其触头必须配灭弧罩;所谓控制回路电器,指的是执行控制、开关量信号及模拟量信号的采集放大和传递、调节和处理的回路。控制回路是为主回路配套的,用于对主回路电器的测控。一般地,把主回路叫做一次回路,把辅助回路叫做二次回路。一次回路的开关电器有断路器、熔断器、隔离开关、交流接触器、热继电器等等。二次回路的开关电器有各类继电器、控制按钮、选择开关和主令开关,以及仪器仪表等等。

题主的提问涉及到两个方面,其一是低压电器的结构设计,其二是低压电器的使用设计。以下我就分为两部分内容说说吧。

低压电器的结构设计及相关理论

(1)低压断路器的内部结构

图1:国产断路器的内部结构

我们看到典型的主回路低压电器——断路器内部存在动静触头导电杆(排),触头和接线端子,以及触头的灭弧罩,还有操动机构和操作手柄。

(2)继电器的内部结构

图2:继电器的内部结构

我们看到典型的辅助回路低压电器——继电器的内部,我们看到动静触点以及导电杆,还有触点。与断路器相比,我们并没有看到灭弧罩。可见,辅助回路的电流小,用于辅助回路的低压电器是无需灭弧罩的。

(3)开关电器所涉及到的五大理论

低压电器属于开关电器的范畴。不管是高压电器也好,是低压电器也好,它们的基础理论有五个方面,也即五大理论

第一个理论是开关电器的发热理论

低压电器的发热理论涉及到低压电器的触头导电排的运行温度,以及触头的运行温度。
我们看下图:

图3:断路器的温升

图4:母线搭接面的温升

我们从图3和图4中看到了断路器的结构模式图,以及母线搭接的模式图。当电流流过这些导电结构时,就会产生热量,造成温升。研究这些导电结构以及如何防止过高的温升,其理论就是电器的发热理论。由于热量需要通过电器外壳散热,故电器外壳相对环境的温升也很关键。外壳需要有一定的防尘和防水措施,因而造成内部导电结果的温度更加升高。低压开关电器导电结构材料和绝缘材料允许的最高运行温度对应的就是开关电器的额定电流。因此,开关电器的整体设计很关键,它决定了开关电器的设计和运行品质。


第二个是电接触理论

图5:把导体切断后再拼合,其断口处就会产生接触电阻发热效应

图6:动静触头处流过电流后会产生斥力,若电流足够大,触头会被斥开造成电弧烧蚀

从图5和图6我们看到,电接触的影响既有发热方面,还有电动力方面。此外,接触材料之间会因为化学组分不同,产生电化学反应,造成材料侵蚀和氧化,引起氧化还原反应,会增加接触电阻。为了消除接触电阻,接触方式有点接触、线接触和面接触等三种形式,其中点接触一般用于继电器,线接触用于断路器,而面接触一般用于接触器和母线搭接。其中线接触存在摩擦过程,可以消除氧化层,故线接触相对较好。电接触问题同样与开关电器的设计密切相关。

第三个理论是电动力理论

当开关电器的导电结构流过电流后,它们之间会产生电动力,并使得导电结构相互之间产生形变。尤其是短路电流流过电器导电结构时,影响就更大。短路电流的最大值——冲击短路电流峰值对电器稳定性的影响尤其显著。我们把电器能够抵御的最大短路电流值叫做电器的短路接通能力,它决定了电器的动稳定性。特别地,短路电流在一定时间内流过开关电器并对导电结构产生热冲击作用,开关电器能够抵御的最大短路电流值叫做开关电器的热稳定性。动、热稳定性是开关电器的最重要参数之一。

第四个理论是电弧理论

图7:开关电器触头开断时产生的电弧,以及灭弧罩的位置

电弧,它的理论相对较多,与物理学关系很密切。下图是直流电弧与交流电弧的伏安特性曲线:

图8:电弧的伏安特性曲线

我们看到,直流电弧具有负阻特性,并且存在稳定点。要对直流电弧熄弧,就要消除它的稳定点。交流电弧因为电流会过零,过零时电弧熄灭,之后重燃。故交流电弧如何消除过零后的电弧重燃就是最大的课题。这里也存在许多相关理论。

第五个就是电磁系统理论

我们看下图:

图9:低压交流接触器的结构模式图

图10:交流接触器吸合特性与反力特性

图9和图10我们看到了低压电器的典型代表——交流接触器的内部结构模式图,以及它的铁芯与衔铁之间产生的吸力特性/反力特性,这里的δ是两者之间的气隙宽度。我们看到,吸力特性随着δ的减小而增大,而反力特性存在跳跃现象。另外,直流磁路的吸力特性优于交流磁路的吸力特性。开关电器的磁路计算依据四个基本定律,其一是磁路的欧姆定律,再来是磁路的基尔霍夫第一和第二定律,最后是麦克斯韦电磁吸力公式。利用这四个定律和公式,就构建了设计电磁系统的基础计算法。

低压电器的应用设计概述

我们设计低压电器的目的是什么?当然是去使用了。为此,低压电器必须符合使用的规则,它的参数必须满足现场技术要求。

仔细说起来,哪怕是某品牌最简单的低压电器,我们认真研究起来,它的设计原则也是很有意思的。可见,在开关电器领域,任何枝节都能开出一朵美丽的花。

图11:各种低压开关电器

我们已经知道,低压电器分为主回路电器和辅助回路电器。我们还可以把它们分为配电电器和控制电器,还可按能否分断短路电流的主动元件和被动元件等等。
02
继电器和接触器
每一种低压电器都有许多使用参数,我们不妨看看继电器与接触器之间的区别和联系,如下:

继电器和接触器的归类

继电器和接触器均属于低压开关电器。其中,继电器属于控制回路电器,接触器则属于主回路电器。所谓主回路,指的是传递和控制电能的回路。主回路又叫做一次回路,主回路的特点是电压高电流大,其电接触叫做触头,触头必须配备灭弧罩。所谓控制回路,指的是对主回路电器实施控制、调节,还有信号的放大和传递,电参量的采集和显示,等等。控制回路又叫做辅助回路或者二次回路,控制回路的电流一般不超过5A,其电接触叫做触点,触点无需配灭弧罩。由此可见,接触器属于一次回路的开关电器,继电器属于二次回路的开关电器。我们看下图:图1:电机星角起动的一次和二次回路,注意看接触器触头和继电器(时间继电器)触点的位置从图1 中我们看到了接触器和继电器(时间继电器)的区别和联系。

继电器和接触器的外观区别

我们看下图:

图2:接触器的外观

注意到接触器的触头一般采取面接触,并且配有灭弧罩。再看继电器:图3:继电器的外观注意到继电器的触点一般是点接触,且不配灭弧罩。我们看电接触的接触电阻表达式:式1中,Rj是电接触的接触电阻,其单位为微欧(μΩ);K是电接触材料,F是接触压力,m是接触形式。其中点接触时m=0.5,线接触时m=0.6~0.7,面接触时m=1。K的表如下:图4:电接触的K值表对于继电器,由于其触点接触压力小,一般采取点接触,并且配银系合金,以提高导电特性降低接触电阻。对于接触器,其触头接触压力足够大,重点在于提高抗电弧烧蚀的能力,故接触器触头材料常采用银-氧化镉(Ag-CdO)、银-钯(Ag-Pd)、银-铂(Ag-Pt)、银一镉(Ag-Cd)、银-镍(Ag-Ni)合金等等。

可见,继电器与接触器的电接触材料不尽相同。

接触的磁路和继电器磁路的区别

对于交流接触器,若它的线圈工作电压亦是交流的,则接触器铁芯会产生电流过零振动。
可见,接触器的铁芯极面上一般配有分磁环(短路环),以消除或者减轻电流过零时的铁芯-衔铁振动。

图5:接触器铁芯的极面上配有分磁环由于继电器的衔铁质量小,即使继电器线圈工作电压是交流的,其铁芯也无需配套分磁环。

继电器分为电压继电器、电流继电器和中间继电器等规格,而接触器没有这种分类

我们已经知道继电器的任务是实施信号采集,故按信号来源和类型不同,继电器分为电压继电器、电流继电器和中间继电器三种类别。其中中间继电器又可细分为时间继电器、中间继电器等不同规格。

继电器线圈驱动电压有交流和直流之分,两者在特性上不尽相同。其中直流驱动的继电器会更加稳定。在电器学理论中,我们把接触器和继电器的线圈统称为电磁铁。我们看直流与交流电磁铁磁路的比较异同:

图6:直流磁路与交流磁路的比较

我们看到,直流磁路的磁势是稳定的,它不随铁芯与衔铁之间的气隙宽度变化而变化。相比于直流磁路,我们看到交流磁路的磁势有变化,但磁链却不随气隙变化。故电磁铁的直流磁路叫做恒磁势系统,交流磁路叫做恒磁链系统。两者相比较,恒磁势系统更加稳定,故在变电站继电保护系统中,大多都采用直流屏供电的直流继电系统。

对比继电器,虽然接触器线圈电压也有交流驱动和直流驱动之分,但与信号类型无关。

接触器的过载使用类别

国家标准GB/T 14048.4-2010《低压开关设备和控制设备第4-1部分:接触器和电动机起动器,机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》中给出了按电机起动方式定义的接触器使用类别,如下:

图7:接触器的使用类别

我们看到,直接起动的电动机使用的接触器属于AC-3,其过载倍率为8倍;可逆起动和点动的电动机使用的接触器属于AC-4,其过载倍率为10倍。另外,当电机发生短路时,短路电流流过接触器。由于熔断器或者断路器开断短路电流需要一定的时间,如果这段时间内接触器的触头发生熔焊,则其配合关系为类型1(TYPE1);如果接触器的触头不会发生熔焊,则其配合关系为类型2(TYPE2)。这种配合关系叫做SCPD,见GB/T 14048.4-2010:

图8:接触器与断路器/熔断器的短路配合关系SCPD

在接触器的选用上,一般按SCPD的类型2来选配。我们看ABB的电动机主回路元器件选配表:

图9:短路容量在36kA以下线路中的电动机直接起动主回路元件选配表

此表的选配说明中注明接触器与断路器的SCPD配合关系为类型2(Type2)。显见,继电器不存在此类问题。需要特别指出:控制回路的电源保护一般采用熔断器,保护类型为短路保护,且不得配套过载保护。这是因为控制回路执行信息采集和控制操作,非常重要。控制回路一般不会出现过载,即使发生了过载,你也得给我忍着。我们在设计控制回路电源时,必须考虑到元器件的得电冲击,见GB/T 14048.5-2016《低压开关设备和控制设备 第5部分:控制回路电器》。以下是6P原则的表格:
由此可见控制回路电器与主回路电器的区别。

继电器的继电特性

我们看下图:

10:继电器的继电特性继电特性对于继电器来说很重要,它决定了继电器的吸合、保持和释放特性。

相对继电器,接触器只有吸合电压的要求,对继电特性的要求没有继电器严格。

我们来看看接触器产品的额定电流与继电器的区别

我们看ABB的AF系列接触器规格表:

图11:AF系列接触器参数

我们看到,AF系列接触器的最大额定电流是2050A。我们再看ABB的继电器参数:

图12:继电器触点参数我们看到,继电器的触点电流不过才6A,相比起接触器真是可怜兮兮,毫无可比性。然而,继电器却可以在控制回路中控制接触器,起到半两拨千斤的效果。下图是早期的电动机保护装置控制原理图:

图13:早期的电动机保护器控制原理图我们在图13的左侧一次回路中看到了接触器KM的触头,在右侧控制回路右下侧看到了控制继电器K,在左上侧我们看到了继电器是如何控制接触器的开合,如何实施电动机的过载、缺相和短路保护的。由此可见,继电器与接触器是相辅相成的,它们共同配合实现电动机的控制与运行。
03
资深工程师的建议
可见,不了解低压电器的参数,不知道设计对象的应用条件,不知道电路设计的原则和方法,空谈低压电器的应用设计并没有太大的意义。
以下是几点看法和建议:

  • 弄明白本公司开关柜产品对应的各种国家标准和规范
  • 必须彻底明白本公司生产的开关柜产品内部各种分隔名称、部件名称和尺寸关系,明确这些部件的用途和操作规范。
  • 要结合开关柜主母线的温升、热稳定性和动稳定性来理解开关柜的各项技术指标
  • 要掌握常用的主回路元器件工作特性,以及在短路电流冲击下的反应。
  • 就是控制系统以及各种控制电路,还有测控程序等等
  • 电力监控系统的学习
  • 熟练掌握CAD制图系统的学习


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