(一)低压电器分类

1.按用途和控制对象不同分类

按用途和控制对象不同可将低压电器分为配电电器和控制电器。

(1)用于低压配电系统的配电器。用于低压配电系统的配电器包括隔离开关、组合开关、空气断路器和熔断器等,主要用于低压配电系统及动力设备中接通与分断。

(2)用于电力拖动及自动控制系统的控制电器。用于电力拖动及自动控制系统的控制电器包括接触器、启动器和各种控制继电器等,对控制电气的主要技术要求是操作频率高、寿命长,有相应的转动能力。

2.按动作方式不同分类

按动作方式分类可分为自动切换电器和非自动切换电器。

(1)自动切换电器。自动切换电器是依靠电器本身参数的变化或外来信号的作用,自动完成电路的接通或分断等操作,如接触器、继电器等。

(2)非自动切换电器。非自动切换电器依靠外力(如人力)直接操作来完成电路的接通、分断、起动、反转和停止等操作,如隔离开关、转换开关和按钮等。

3.低压电器型号表示方法

我国对各种低压电器产品型号编制方法如下。

(二)常用低压电器

1.低压隔离开关

低压隔离开关的主要用途是隔离电源,在电气设备维护检修需要切断电源时,使之与带电部分隔离,并保持足够的安全距离,保证检修人员的人身安全。

低压隔离开关可分为不带熔断器式和带熔断器式两大类。不带熔断器式开关属于无载通断电器,只能接通或开断“可忽略的”电流,起隔离电源作用;带熔断器式开关具有短路保护作用。

(1)HD、HS系列隔离开关。HD、HS隔离开关适用于交流50Hz、额定电压至380V、直流440V,额定电流可达1500A成套配电装置中,作为不频繁地手动接通和分断交、直流电路或作隔离开关用如图4-1所示。

图4-1　HD11、HS11系列中央手柄式的单投的双投隔离开关

(2)HR系列熔断器式隔离开关。HR系列熔断器式隔离开关主要用于额定电压交流380V(45～62Hz),约定发热电流630A的具有高短路电流的配电电路和电动机电路中,正常情况下,电路的接通、分断由隔离开关完成;故障情况下,由熔断器分断电路。熔断器式隔离开关适用于工业企业配电网中不频繁操作的场所,作为电源开关、隔离开关、应急开关,并作为电路保护用,但一般不直接开闭单台电动机,如图4-2所示为HR3熔断器式隔离开关,图4-3所示为HR5熔断器式隔离开关。

图4-2　HR3熔断器式隔离开关

图4-3　HR5熔断器式隔离开关

图4-4　HG系列熔断器式隔离器

HR系列熔断器式隔离开关常以侧面手柄式操作机构来传动,熔断器装于隔离开关的动触片中间,其结构紧凑。作为电气设备及线路的过负荷及短路保护用。

(3)HG系列熔断器式隔离器。熔断器式隔离器用熔断体或带有熔断体的载熔件作为动触头的一种隔离器。HG1系列熔断器式隔离器用于交流50Hz、额定电压至380V、具有高短路电流的配电回路和电动机回路的电路保护,如图4-4所示。

HG系列熔断器式隔离器由底座、手柄和熔断体支架组成,并选用高分断能力的圆筒帽型熔断体。操作手柄能使熔断体支架在底座内上下滑动,从而分合电路。隔离器的辅助触头先于主触头断开,后于主电路而接通,这样只要把辅助触头串联在线路接触器的控制回路中,就能保证隔离器元载接通和断开电路。如果不与接触器配合使用,就必须在无载状态下操作隔离器。

图4-5　HK2开启式负荷开关结构示意图

1—手柄;2—闸刀;3—静触座;4—安装熔丝的接头;5—上胶盖;6—下胶盖

当隔离器使用带撞击器的熔断体时,任一极熔断体熔断后,撞击器弹出,通过横杆触动装在底板上的微动开关,使微动开关发出信号或切断接触器的控制回路,这样就能防止电动机单相运行。

(4)HK系列隔离开关熔断器组。隔离开关熔断器组是隔离开关的一极或多极与熔断器串联构成的组合电器。广泛用于照明、电热设备及小容量电动机的控制线路中,手动不频繁地接通和分断电路的场所,与熔断体配合起短路保护的作用。常用的有HK2、HK8系列隔离开关熔断器组,又称开启式负荷开关或胶盖瓷底开关。HK2系列开启式负荷开关由隔离开关和熔体组合而成,瓷底座上装有进线座、静触头、熔体、出线座及带瓷质子柄的刀片式动触头,上面装有胶盖以防操作时触及带电体或分断时熔断器产生的电弧飞出伤人,结构如图4-5所示。

图4-6　HZ10系列组合开关结构图

1—静触片;2—动触片;3—绝缘垫板;4—凸轮;5—弹簧;6—转轴;7—手柄;8—绝缘杆;9—接线柱

2.低压组合开关

组合开关又称转换开关,一般用于交流380V、直流220V以下的电气线路中,供手动不频繁地接通与分断电路以小容量感应电动机的正、反转和星—三角降压动的控制。它具有体积小、触头数量多、接线方式灵活、操作方便等特点。

HZ系列组合开关有HZ1、HZ2、HZ3、HZ4、HZ5以及HZ10等系列产品,开关的动、静触点都安放在数层胶木绝缘座内,胶木绝缘座可以一个接一个地组装起来,多达6层。动触头由两片铜片与具有良好的灭弧性能的绝缘纸板销合而成,其结构有90°与180°两种。动触头连同与它组合一起的隔弧板套在绝缘方轴上,两个静触头则分置在胶木座的边沿的两个凹槽内。动触点分断时,静触头一端插在隔弧板内;当接通时,静触头一端则夹在动触头的两片铜片当中,另一端伸出绝缘座外边以便接线。当绝缘方轴转过90°时,触点便接通或分断一次。而触点分断时产生的电弧,则在隔板中熄灭。由于组合开关操作机构采用扭簧储能机构,使开关快速动作,且不受操作速度的影响。组合开关按不同形式配置动触头与静触头,以及绝缘座堆叠层数不同,可组合成几十种接线方式,常用的HZ10系列组合开关的结构如图4-6所示。

3.低压熔断器

低压熔断器的各类很多,图4-7所示为常见的几种典型的熔断器,熔断器在低压系统中主要作用为过负荷或短路保护,当电路正常运行时,流过熔断器的电流小于熔体的额定电流,熔体正常发热温度不会使熔体熔断,熔断器长期可靠运行;当电路过负荷或短路时,流过熔断器的电流大于熔体的额定电流,熔体溶化切断电路。

图4-7　常用低压熔断器

(a)瓷插式;(b)RM10无填料封闭式;(c)RL16螺旋式;(d)RTO有填料封闭式;(e)RS3快速熔断器

图4-8　低压断路器工作原理示意图

1、9—弹簧;2—触点;3—锁键;4—搭钩;5—轴;6—电磁脱扣器;7—杠杆;8、10—衔铁;11—欠电压脱扣器;12—双金属片;13-电阻丝

4.低压断路器

低压断路器又称自动空气开关、自动开关,是低压配电网和电力拖动系统中常用的一种配电电器。低压断路器的作用是在正常情况下,不频繁地接通或开断电路;在故障情况下,切除故障电流,保护线路和电气设备。低压断路器具有操作安全、安装使用方便、分断能力较高等优点,在低压电路中得到广泛采用。

常用低压断路器由脱扣器、触头系统、灭弧装置、传动机构和外壳等部分组成。脱扣器是低压断路器中用来接受信号的元件,用它来释放保持机构而使开关电器打开或闭合的电器。当低压断路器所控制的线路出现故障或非正常运行情况时,由操作人员或继电保护装置发出信号时,脱扣器会根据信号通过传递元件使触头动作跳闸,切断电路。触头系统包括主触头、辅助触头。主触头用来分、合主电路,辅助触头用于控制电路,用来反映断路器的位置或构成电路的联锁。主触头有单断口指式触头、双断口桥式触头、插入式触头等几种形式。低压断路器的灭弧装置一般为栅片式灭弧罩。

低压断路器脱扣器的种类有热脱扣器、电磁脱扣器、失压脱扣器、分励脱扣器等。

热脱扣器起过载保护作用;电磁脱扣器又称短路脱扣器或瞬时过流脱扣器,起短路保护作用;失压脱扣器与被保护电路并联,起欠压或失压保护作用;分励脱扣器的电磁线圈被保护电路并联,用于远距离控制断路器跳闸。

低压断路器的工作原理如图4-8所示。断路器正常工作时,主触头串联于三相电路中,合上操作手柄,外力使锁扣克服反作用力弹簧的拉力,将固定在锁扣上的动、静触头闭合,并由锁扣扣住牵引杆,使断路器维持在合闸位置。当线路发生短路故障时,电磁脱扣器产生足够的电磁力将衔铁吸合,通过杠杆推动搭钩与锁扣分开,锁扣在反作用力弹簧的作用下,带动断路器的主触头分闸,从而切断电路;当线路过载时,过载电流流过热元件使双金属片受热向上弯曲,通过杠杆推动搭钩与锁扣分开,锁扣在反作用力弹簧的作用下,带动断路器的主触头分闸,从而切断电路。

常用低压断路器主要有塑壳式、框架式、微型断路器等。

(1)塑壳式断路器。如图4-9所示塑壳式断路器的主要特征是所有部件都安装在一个塑料外壳中,没有裸露的带电部分,提高了使用的安全性。塑壳式断路器多为非选择型,一般用于配电馈线控制和保护、小型配电变压器的低压侧出线总开关、动力配电终端控制和保护,及住宅配电终端控制和保护,也可用于各种生产机械的电源开关。小容量(50A以下)的塑壳式断路器采用非储能式闭合,手动操作;大容量断路器的操作机构采用储能式闭合,可以手动操作,也可由电动机操作。电动机操作可实现远方遥控操作。

图4-9　塑壳式断路器外形图

图4-10　CW系列万能式熔断器图

(2)框架式断路器。框架式断路器是在一个框架结构的底座上装设所有组件。由于框架式断路器可以有多种脱扣器的组合方式,而且操作方式较多,故又称为万能式断路器。CW系列万能式断路器外形如图4-10所示。

框架式断路器容量较大,其额定电流为630～5000A,一般用于变压器400V侧出线总开关、母线联络断路器或大容量馈线断路器和大型电动机控制断路器。

(3)微型断路器。微型断路器是一种结构紧凑、安装便捷的小容量塑壳断路器,主要用来保护导线、电缆和作为控制照明的低压开关。一般均带有传统的热脱扣、电磁脱扣,具有过载和短路保护功能。其基本形式为宽度在20mm以下的片状单极产品,将两个或两个以上的单极组装在一起,可构成联动的二、三、四极断路器。微型断路器广泛应用于高层建筑、机床工业和商业系统;随着家用电器的发展,现已深入到民用领域。国际电工委员会(IEC)已将此类产品划入家用断路器。

5.剩余电流动作保护装置

剩余电流动作保护装置是指电路中带电导体对地故障所产生的剩余电流超过规定值时,能够自动切断电源或报警的保护装置,包括各类剩余电流动作保护功能的断路器、移动式剩余电流动作保护装置和剩余电流动作电气火灾监控系统、剩余电流继电器及其组合电器等。在低压电网中安装剩余电流动作保护装置是防止人身触电、电气火灾及电气设备损坏的一种有效的防护措施。国际电工委员会通过制订相应的规程,在低压电网中大力推广使用剩余电流保护装置。

(1)工作原理。剩余电流动作保护装置的工作原理如图4-11所示。在电路中没有发生人身触电、设备漏电、接地故障时,通过剩余电流保护装置电流互感器一次绕组电流的相量和等于零。即

图4-11　剩余电流保护装置的工作原理图

A—判别元件;B—执行元件;E—电子信号放大器;RS—工作接地的接地电阻;Rg—电源接地的接地电阻;T—试验装置;W—检测元件(www.daowen.com)

则电流在电流互感器中产生磁通的相量和等于零。即

这样在电流互感器的二次绕组中不会产生感应电势,剩余电流保护装置不动作。

当电路中发生人身触电、设备漏电、接地故障时,接地电流通过故障设备、设备的接地电RA、大地及直接接地的电源、中性点构成回路,通过互感器一次绕组电流的相量和不等于零。即

剩余电流互感器中二次绕组产生磁通的相量和不等于零。即

在电流互感器的二次绕组中产生感应电势,此电势直接或通过电子信号放大器加在脱扣线圈上形成电流。二次绕组中产生感应电势的大小随着故障电流的增加而增加,当接地故障电流增加到一定值时,脱扣线圈中的电流驱使脱扣机构动作,使主开关断开电路,或使报警装置发出报警信号。

(2)剩余电流保护装置的作用。低压配电系统中装设剩余电流动作保护装置是防止直接接触电击事故和间接接触电击事故的有效措施之一,也是防止电气线路或电气设备接地故障引起电气火灾和电气设备损坏事故的技术措施。但安装剩余电流动作保护装置后,仍应以预防为主,并应同时采取其他各项防止电击事故和电气设备损坏事故的技术措施。

(3)剩余电流保护器的应用。低压供用电系统中为了缩小发生人身电击事故和接地故障切断电源时引起的停电范围,剩余电流保护装置通常采用分级保护。其中:第一、二级保护是间接接触电击保护,第三级保护是防止人身电击的直接接触电击保护,也称末端保护。

6.交流接触器

接触器是一种自动电磁式开关,用于远距离频繁地接通或开断交、直流主电路及大容量控制电路。接触器的主要控制对象是电动机,能完成启动、停止、正转、反转等多种控制功能;也可用于控制其他负载,如电热设备、电焊机以及电容器组等。接触器按主触头通过电流的种类,分为交流接触器和直流接触器。交流接触器型号及含义如下。

常用交流接触器的型号有CJ20等系列,它的主要特点是动作快、操作方便、便于远距离控制,广泛用于电动机、电热及机床等设备的控制。其缺点是噪声偏大,寿命短,只能通断负荷电流,不具备保护功能,使用时要与熔断器、热继电器等保护电器配合使用。

(1)交流接触器基本结构。如图4-12所示,交流接触器主要由电磁系统、触头系统、灭弧装置及辅助部件等组成。电磁系统由电磁线圈、铁芯、衔铁等部分组成,其作用是利用电磁线圈的得电或失电,使衔铁和铁芯吸合或释放,实现接通或关断电路的目的。

图4-12　交流接触器的工作原理

1—静触头;2—动触头皮;3—衔铁;4—反作用力弹簧;5—铁芯;6—线圈;7—按钮

交流接触器的触头可分为主触头和辅助触头。主触头用于接通或开断电流较大的主电路。一般由三对接触面较大的动合触头组成。辅助触头用于接通或开断电流较小的控制电路,一般由两对动合和动断触头组成。

(2)交流接触器工作原理。交流接触器的工作原理如图4-12所示,当按下按钮7,接触器的线圈6得电后,线圈中流过的电流产生磁场,使铁芯产生足够的吸力,克服弹簧的反作用力,将衔铁吸合,通过传动机构带动主触头和辅助动合触头闭合,辅助动断触头断开。当松开按钮,线圈失电,衔铁在反作用力弹簧的作用下返回,带动各触头恢复到原来状态。

常用的CJ20等系列交流接触器在85%～105%额定电压时,能保证可靠吸合;电压降低时,电磁吸力不足,衔铁不能可靠吸合。运行中的交流接触器,当工作电压明显下降时,由于电磁力不足以克服弹簧的反作用力,衔铁返回,使主触头断开。

7.主令电器

主令电器是用于接通或开断控制电路,以发出指令或作程序控制的开关电器。常用的主令电器有按钮、行程开关、万能转换开关、主令控制器等。主令电器是小电流开关,一般没有灭弧装置。

(1)按钮。按钮是一种手动控制器。由于按钮的触头只能短时通过5A及以下的小电流,因此按钮不宜直接控制主电路的通断。接钮通过触头的通断在控制电路中发出指令或信号,改变电气控制系统的工作状态。

按钮一般由按钮帽、复位弹簧、桥式动、静触头、支柱连杆及外壳组成。常用按钮的外形如图4-13所示。

按钮根据触头正常情况下(不受外力作用)分合状态分为起动按钮、停止按钮和复合按钮。

1)起动按钮。正常情况下,触头断开;按下按钮,动合触头闭合,松开时,按钮自动复位。

图4-13　常用按钮的外形图

(a)LA19-11外形图;(b)LA18-22外形图;(c)LA10-211外形图

图4-14　复合按钮的动作原理

1、2—静触头;3—动触头;4—按钮

2)停止按钮。正常情况下,触头闭合;按下按钮,动断触头断开,松开时,按钮自动复位。

3)复合按钮。如图4-14所示,由动合触头和动断触头组合为一体,按下按钮时,动合触头闭合,动断触头断开;松开按钮时,动合触头断开,动断触头闭合。

生产中用不同的颜色和符号标志来区分按钮的功能及作用。各种按钮的颜色规定如下:起动按钮为绿色;停止或急停按钮为红色;起动和停止交替动作的按钮为黑色、白色或灰色;点动按钮为黑色;复位按钮为蓝色(若还具有停止作用时为红色);黄色按钮用于对系统进行干预(如循环中途停止等)。

(2)行程开关。行程开关又称为限位开关,其作用与按钮相同。不同的是按钮是靠手动操作,而行程开关是靠生产机械的某些运动部件与它的传动部位发生碰撞,使其触头通断从而限制生产机械的行程、位置或改变其运行状态。行程开关的种类很多,但其结构基本一样,不同的仅是动作的转动装置。行程开关有按钮式、旋转式等,常用的行程开关有LX19、JLXK1等系列。

如图4-15所示,行程开关的基本结构大体相同,都由触头系统、操作机构和外壳组成。

当运动机械的挡铁压到行程开关的滚轮上时,传动杠杆连同转轴一起转动,使凸轮推动撞块,当撞块被压到一定位置时,推动开关快速动作,使其常闭触头断开,常开触头闭合;当滚轮上的挡铁移开后,复位弹簧就使行程开关各部分恢复原始位置。这种单轮自动恢复式行程开关是依靠本身的恢复弹簧来复原,在生产机械的自动控制中应用较广泛。

8.控制继电器

(1)热继电器。热继电器是一种电气保护元件。它是根据控制对象的温度变化来控制电流流过的继电器,主要用于电动机的过载保护、断相保护、电流不平衡保护以及其他电气设备发热状态时的控制。热继电器由热元件、触头、动作机构、复位按钮和定值装置组成。常用的热继电器有JR20T、JR36、3UA等系列。热继电器型号及含义如下所述。

图4-15　JLXK1系列行程开关的外形图

(a)JLXK1-311型按钮式;(b)JLXK1-111型单轮式;(c)JLXK1-211型双轮旋转式

热继电器结构及工作原理如图4-16所示,图中发热元件1是一段电阻不大的电阻丝,它缠绕在双金属片2上。双金属片由两片膨胀系数不同的金属片叠加在一起制成。如果发热元件中通过的电流不超过电动机的额定电流,其发热量较小,双金属片变形不大;当电动机过载,流过发热元件的电流超过额定值时,发热量较大,为双金属片加温,使双金属片变形上翘。若电动机持续过载,经过一段时间之后,双金属片自由端超出扣板3,扣扳会在弹簧4拉力的作用下发生角位移,带动辅助动断触头5断开。

(2)电磁式电流继电器。低压控制系统中采用的控制继电器大部分为电磁式继电器。这是因为它结构简单、价格低廉、能满足一般情况下的技术要求。

图4-16　热继电器的工作原理

1-发热元件;2-双金属片;3-扣扳;4-弹簧;5-辅助触头;6-复位按钮

图4-17　电磁式电流继电器的结构示意图

1—电流线圈;2—铁芯;3—衔铁;4—制动螺钉;5—反作用调节螺母;6、11—静触点;7、10—动触点;8—触点弹簧;9—绝缘支架;12—反作用弹簧

图4-17中为一拍合式电磁铁,当通过电流线圈1的电流超过某一额定值,电磁吸力大于反作用弹簧12的力时,衔铁3吸合并带动绝缘支架9动作,使动断触点10、11断开,动合触点6、7闭合。反作用调节螺母5用来调节反作用力的大小,即用以调节继电器的动作参数。

(3)时间继电器。当继电器的感受部分接受外界信号后,经过一段时间才使执行部分动作,这类继电器称为时间继电器。按其动作原理可分为电磁式、空气阻尼式、电动式与电子式;按延时方式可分为通电延时型与断电延时型两种。常用的有空气阻尼式、电子式和电动式。

1)电子式时间继电器。电子式时间继电器有晶体管阻容式和数字式等不同种类,前者的基本原理是利用阻容电路的充放电来产生延时效果,常用的有JS14和JS20系列。JS14时间继电器的外形如图4-18所示。JS14时间继电器的接线如图4-19所示。

JS20系列电子式时间继电器延时时间长,线路较简单,延时调节方便,温度补偿性能好,电容利用率高,延时误差小,触点容量大。但也存在抗干扰性差、修理不便、价格高等缺点。

图4-18　JS14时间继电器的外形

1—插座;2—锁扣;3—面板;4—延时调节旋钮

图4-19　JS14时间继电器的接线

2)电动式时间继电器。电动式时间继电器利用小型同步电动机带动电磁离合器、减速齿轮及杠杆机构来产生延时。它的突出特点是:延时范围大、精度较高,但体积大、结构复杂、寿命较低。较常用的有JS11系列电动式时间继电器。其外形和接线分别见图4-20和图4-21所示。

图4-20　JS11系列时间继电器外形

(a)电子式;(b)电动式

图4-21　JS11电动式时间继电器接线