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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Zui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Zui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Zui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Zui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Zui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Zui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，Zui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。