工厂常用电器与工厂供电,一 课程的性质和任务 1.性质： 风电专业的一门专业技术主干课程 2.任务： 常用高低压电器：用途，工作原理，选型 组合电器：用途，工作原理，选型 一次系统：线路结构、会识图、送配电步骤 二次系统：继电保护、会识图、送配电步骤 3.考核要求: 过程考核30% 实验考核10% 期末考核60% 4.参考书目： 工厂供电 机械工业出版社 刘介才主编 供电技术 机械工业出版社 余健明主编 5.学时分配：,1.1 电器的基本概念,按电器适用的电路电压等级来分，可以分为高压电器和低压电器。高压和低压是一个相对的概念，按国家标准关于电网额定电压等级的规定，把额定电压在3 kV及以上的电压称为高压，有3 kV、6 kV、10 kV、35 kV、63 kV、110 kV、220 kV、330 kV、500 kV、750 kV、1 000 kV 等各电压等级；额定电压交流1.2 kV 及以下，直流1.5 kV 及以下的电压称为低压，有交流36 V、220 V、380 V、660 V、1 140 V 等电压等级，直流36 V、48 V、110 V、220 V、440 V、800 V 等电压等级。适用于高压电路中的电器称为高压电器，应用于低压电路中的电器就是低压电器。电器的额定电压，是指作用于电路的主控部件的额定电压，而不是指操作电源的额定电压。高压电器与低压电器虽然在功能上有一些相似之处，但是二者在结构特征上有较大的差异。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,按电器适用的电源性质分，可分为交流电器与直流电器。应用于交流电路的电器是交流电器，应用于直流电路的电器则是直流电器。对于电磁系列和电动系列的电器，同样依据该电器所作用的电路性质来确定，而不能以输入该电器的操作电源的性质来确定其是交流电器还是直流电器。 按电器在电路中所处的地位和作用分，可以分为配电电器和控制电器，用来分配和传输电能的电器是配电电器，如断路器、隔离开关、负荷开关、熔断器等，控制电器是对电路和电能的质量进行控制、测量及保护作用的电器，如接触器、启动器、控制继电器、控制器、主令器及互感器等。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,按其工作方式可分为自动电器、手动电器两类。自动电器是依据外来信号和自身参数的变化，通过电磁机构或压缩空气来完成接通、分断、启动等动作，如接触器、继电器等；而手动电器则是由手力操纵手柄带动执行机构完成上述动作的，如刀开关、主令器、凸轮控制器等。 按有无触点可分为有触点电器和无触点电器。有触点电器是通过触点的开闭完成对电路的接通与分断，或达到切换电路的目的，它最显著的特点是能完全切断电流，隔离电源，有良好的分断能力，但由于电弧和机械磨损会影响其使用寿命。无触点电器是通过改变电路的参数达到上述目的，这种电器的特点是无触点系统，不会产生电弧，没有机械噪声，但是压降大，温升高，一般不能完全隔离电源。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,1.1.2 对电器的基本要求 电器种类繁多，结构千差万别，但不论其差异如何，对电器的基本要求都是相同的，这也是设计和使用电器的基本原则。应该根据本地区的供、配电条件，用电容量、负荷性质和类别，做到合理选型，从而保障供电可靠，技术先进，经济合理。 （1）安全性。所有的电器不但能正常地满足负荷电流做功的需要，还能承受住故障时短路电流的热效应、电磁效应产生的破坏力，满足热稳定性和动稳定性的要求。这就要求电器的额定电压、额定电流、额定频率都应与电网相符合，以满足电器在正常状态下的稳定工作要求。而且当电力系统发生故障，如短路、过载、过压等非正常状态时，要求电器从生故障到保护装置将故障线路切除这一段时间内，不会损坏。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,电器的热稳定性是指电器在运行过程中，会有各种损耗而发热，如果发热超过电器的极限允许温度，则电器的性能就会受到极大的影响，甚至损毁电器。在正常情况下，电器一方面由于有电流通过而发热产生热量积累，另一方面电器又通过传导、对流和辐射向周围散热，当二者达到平衡时，电器的温度达到稳定值。但是在短路时，由于电流剧增而电器又来不及与周围介质发生热交换，电器在这种状态时，温度快速上升。在故障未排除前，电器必须能承受短路电流所产生的热效应。电器在规定使用条件下，短时间内通过最大电流而不损坏的性能，称为电器的热稳定性。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,热稳定电流 是指电器在规定的使用条件和时限范围t 内，在闭合位置上保证不超过极限允许温度的最大电流。t 分别取2 s、4 s、10 s，称为2 s、4 s、10 s 热稳定电流。电器的热稳定电流是否满足实际需要，必须进行热稳定性校验。其条件为 式中 短路电流的最大值，一般按三相短路电流计算； 短路开始至自动切除为止的时间； t s热稳定电流。,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,电器在通过电流时，在其周围空间会产生磁场，磁场反过来又对电流产生作用力，人们把这种安培力称为电动力。电动力对电器有很强的破坏力。如载流线圈受到向外的张力，会使线圈散包，如图1-1所示；也会使载流平行导体变形或使电气连接处松脱，如图1-2所示。当平行导体通以同方向电流时相互吸引，通以反方向电流时相互排斥。 电器的动稳定性是指导体和电器承受短路电流电动力作用的能力，一般称为动稳定。电器的动稳定是否满足实际要求，也要进行校验，其条件是,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,式中 三相短路冲击电流的幅值及有效值； 电器允许通过动稳定电流的峰值和有效值。 （2）可靠性。所有的电器不但在正常状态下能可靠地工作，还在线路和设备发生故障时，能够利用电器具备的功能迅速地对故障线路或设备有效地切除、隔离，迅速恢复非故障区的供电，而且要求误动作少。 （3）适应性。电器的结构要适应工作环境和控制的要求特殊环境要使用特种电器，普通环境也要考虑其结构与工作条件的关系，如，是室内还是室外、是自动还是手动等,上一页,下一页,返回,1.1 电器的基本概念,1.1.3电器的学习方法 学习本篇，要求掌握工厂常用电器的工作原理，主要产品的结构、用途、电路符号和运行特点。可以采用类比的方法学习，高压电器和低压电器在功能上有许多相似之处，也有相对应功能的产品，本教材采用按适用电压等级分类方法安排章节，这样把复杂问题简单化，有利于类比学习。,上一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,电磁式电器在电气控制系统中使用量是最大的，类型也最多.各类电磁式电器的工作原理基本相同，其结构也大同小异，就结构而言，主要由检测部分（电磁机构）和执行部分（触点系统）及灭弧系统和缓冲机构等几部分组成。,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,1.2.1电磁机构的组成和分类 电磁机构是电磁式电器的主要部件之一，它的作用是将电磁能转化为机械能，带动执行机构动作。 1.电磁机构的组成 电磁机构由铁芯（包括衔铁）、线圈、返回系统三部分组成 （1）铁芯的作用是构成磁路，并通过衔铁的运动带动触点动作。铁芯有U形、E形、筒形等基本形式，衔铁有条形、U形、 E形、圆柱形等基本形式。衔铁的运动有转动式和直动式。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,（2）线圈是电磁式电器的励磁系统，其作用是将电能转化为磁能，产生磁场，衔铁在电磁力的作用下发生机械位移与之吸合。通以直流电的线圈称为直流线圈，通以交流电的线圈称为交流线圈。 对于直流线圈，其铁芯通常由软钢或工程纯铁制成，铁芯不发热，只有线圈发热，因此直流线圈做成高而薄的瘦高型，而且不设骨架，线圈直接与铁芯接触，有利于散热。 对于交流线圈，由于其铁芯中有磁滞和涡流损耗，所以铁芯和线圈都发热，交流线圈一般都设有骨架，使铁芯与线圈隔离，并将线圈设计成短而厚的矮胖型，而且铁芯通常由电工钢片叠压而成，在端口处还加有分磁环，也叫短路环，以减小涡流损耗和电磁振动。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,1.2.1电磁机构的组成和分类 （3）返回系统的作用是使被吸合的衔铁在线圈断电后能够复原的重要装置。电磁式电器的返回系统通常利用弹簧的弹力或衔铁自身的重力作用，既简单又灵敏。 2.电磁机构的分类 （1）按衔铁的运动方式可分为拍合式和直动式，常用的结构形式有以下几种，如图1-3所示。 衔铁沿棱角转动的拍合式铁芯，如图1-3（a）所示，这种结构的磁路气隙可以有13个，返回系统多用弹簧返回，该结构广泛应用于直流电器中。 衔铁沿轴转动的拍合式铁芯，如图1-3（b）所示，其铁芯的形状有E形和U形两种，磁路气隙13个，返回系统可以用弹簧也可以用自身重力返回，该结构多用于触点容量较大的交流电器中。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,（2）按线圈与电路的连接方式可分为电流型电磁机构和电压型电磁机构。 电流型电磁机构的线圈串联接入电路中，如图1-4（a）所示，流过线圈的电流较大，为了减小其对电路的分压作用，线圈所用的导线粗，匝数少，线圈的阻抗小，该线圈被称为 电流线圈。 电压型电磁机构的线圈并联接入电路中，如图1-4（b）所示，为了减小线圈对电路的分流作用，降低对电路的影响，线圈的阻抗要求较大，所以线圈的线径细，匝数多，该线 圈被称为电压线圈。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,1.2.2电磁机构的吸力特性与反力特性 电磁式电器的基本工作原理如图1-5所示，当线圈中通以电流时，线圈中产生的磁场作用于衔铁，衔铁受到力的作用而产生机械位移，带动触点动作。 当线圈断电后，衔铁失去电磁吸引力，由复位弹簧将其拉回原位，从而带动触点复位。因此作用于衔铁的力有两个，即电磁吸力与反力，电磁吸力由电磁机构产生，而反力由复位弹簧和触点弹簧产生。 电磁吸力可以由式（1-3）表示，即,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,式中F电磁吸力，N； B气隙的磁感应强度，T； S磁极横截面积，m2。 当线圈中通以直流电时，F为一恒定值。当线圈中通以正弦交流电时，其气隙的磁感应强度也按正弦规律变化，即 代入式（1-3）得电磁吸力的瞬时值,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,由式（1-5）知，电磁吸力的最大值为 电磁吸力的最小值为,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,吸力特性是指电磁吸力F随衔铁与铁芯间气隙变化的关系曲线。气隙越大，吸力越小，F与成反比例关系。 不同的电磁机构，有不同的吸力特性，实验表明，螺管式的吸力F随变化较小，拍合式的吸力F随变化最大。图1-6所示为电磁机构的吸力与反力最典型的特性曲线。 对于直流线圈，其励磁电流的大小与气隙无关，衔铁运动过程中是恒磁势工作，所以吸力特性曲线比较陡峭（如图1-6中的1所示）。 而交流线圈的励磁电流与气隙成正比，衔铁在运动过程中为恒磁通工作，但考虑到漏磁和线圈电阻的影响，其吸力平均值随气隙的增大而略有减小，所以吸力特性曲线比较平坦，如图1-6中的2所示。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,其反力特性是指反力Fr随气隙变化的关系曲线，如图1-6中的3所示，由电磁机构的吸力与反力特性曲线可知，电磁机构要正常工作，其吸力特性与反力特性必须配合得当；否则，电磁机构就会动作混乱。在衔铁吸合的全过程中，其吸力特性曲线必须在反力特性曲线上方，即吸力大于反力，如图1-7（a）所示。而在衔铁释放的全过程中，其反力特性曲线必须在吸力特性曲线的上方，亦反力大于吸力，如图1-7（b）所示。 在吸合的过程中同时还必须注意吸力特性曲线位于反力特性曲线上方不能太高，一方面会无谓浪费能量，另一方面会由于衔铁对铁芯的碰撞而产生振动甚至影响到电器的机械寿命，合理配合的基本原则是：在满足吸力特性曲线在反力特性曲线上方的原则下，应使二者尽量靠近，甚至允许有少量交叉。,上一页,下一页,返回,1.2 电磁式电器的电磁机构,1.2.3交流电磁机构上短路环的作用 由式（1