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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。