電器學（簡體書）

《高等院校電氣工程及其自動化專業系列精品教材：電器學》系統地介紹了各類低壓電器和高壓電器所涉及的基本理論和工程分析計算方法。內容包括：電器發熱的分析與計算、電器電動力的分析與計算、氣體擊穿及電弧理論、電器絕緣技術、開關電器的電弧及其熄滅原理、電接觸理論、電磁系統理論與計算等。
本書重點闡述電器領域所涉及的基本問題及其解決方法，突出理論與工程實際應用的結合，是從事各類電器設備及其元器件開發與應用的工程技術人員不可或缺的理論指導用書。
本書可作為高等院校電氣工程類專業的教材，也可供從事各類電器研究、設計、生產、運行與維護等的工程技術人員參考。·

《電器學(高等院校電氣工程及其自動化專業系列精品教材)》系統地介紹了各類低壓電器與高壓電器所涉及的基本理論和工程分析計算方法，主要內容包括：電器發熱的分析與計算、電器電動力的分析與計算、氣體擊穿及電弧理論、電器絕緣技術、開關電器的電弧及其熄滅原理、電接觸理論、電磁系統理論與計算等。
《電器學(高等院校電氣工程及其自動化專業系列精品教材)》貫徹理論聯系實際的原則，突出知識的專業性、實用性和先進性，在系統介紹電器相關理論的基礎上，重點突出電器設計及應用領域中所涉及問題的分析與解決方法和手段。
本書的第1章、第2章、第4章、第5章、第6章、第8章由孫鵬教授編寫，第3章、第7章、第9章、第10章由馬少華教授編寫。

前言
第1章 電器概論
1．1 電器的定義和分類
1．2 電器的組成及典型結構原理
1．3 電器學涉及的主要理論
1．4 電器技術的發展及其展望
思考題與習題

第2章 電器導體的發熱及其計算
2．1 電器的發熱及其極限允許溫升
2．2 電器發熱的熱源
2．3 電器中的熱傳遞形式
2．4 牛頓冷卻定律
2．5 電器表面穩定溫升計算
2．6 不同工作制下電器的熱計算
2．7 電器典型發熱部件的穩定溫升分佈
2．8 短路電流下的熱計算和電器的熱穩定性
思考題與習題

第3章 電器中的電動力計算
3．1 電器中的電動力現象
3．2 計算電動力的基本方法
3．3 電器中典型導體系統的電動力計算
3．4 單相正弦交流下的電動力
3．5 三相正弦交流下的電動力
3．6 電器的電動穩定性
思考題與習題

第4章 氣體放電理論
4．1 氣體放電的主要形式
4．2 氣體的電離與消電離
4．3 氣體間隙的擊穿理論
思考題與習題

第5章 電器絕緣技術
5．1 電器絕緣的基本要求
5．2 絕緣材料及其基本要求
5．3 氣體擊穿電壓及其極性效應
5．4 持續作用電壓下空氣間隙的擊穿電壓
5．5 操作衝擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓
5．6 雷電衝擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓
5．7 提高電器氣體絕緣的措施
5．8 液體、固體絕緣材料
思考題與習題

第6章 開關電器中的電弧及其熄滅原理
6．1 開關電器開斷電路時電弧的產生過程
6．2 電弧的基本物理特性
6．3 直流電弧的基本特性
6．4 直流電弧的熄滅原理
6．5 交流電弧的基本特性
6．6 交流電弧的熄滅原理
6．7 弧隙的電壓恢復過程
思考題與習題

第7章 電接觸理論
7．1 概述
7．2 接觸電阻理論及其計算
7．3 妒胡理論和接觸電壓
7．4 觸頭閉合過程的振動分析
7．5 觸頭間的電動斥力
7．6 觸頭的熔焊與焊接力
7．7 觸頭的質量轉移及電磨損
思考題和習題

第8章 電磁系統磁路計算
8．1 概述
8．2 磁路的基本概念及基本定理
8．3 氣隙磁導計算
8．4 直流磁路計算
8．5 永磁磁路計算
8．6 交流磁路計算
思考題與習題

第9章 電磁系統的吸力計算與靜態特性
9．1 電磁系統的磁場能量
9．2 能量轉換與電磁力的普遍公式
9．3 麥克斯韋電磁吸力公式
9．4 交流電磁系統吸力的特性與分磁環原理
9．5 電磁系統靜態吸力特性與反力特性的配合
思考題與習題

第10章 電磁系統的動態特性
10．1 概述
10．2 電磁系統的動態特性方程
10．3 直流電磁系統的吸合過程
思考題與習題
參考文獻·

第1章 電器概論
電能是一種使用方便且易于遠距離輸送的能源，在國民經濟中起著十分重要的作用。電能的生產（發電）、輸送和使用必須借助于大量電器才能得以實現。例如，發電廠中，發電機將其他形式的一次能源（勢能、燃燒熱能、核能、太陽能、風能等）轉換為電能，而安全可靠的發電過程需要眾多電器的參與才能得以實現，其中包括發電機運行控制電器和保護電器。
通常，汽輪發電機的額定電壓為10.5kV，水輪發電機的額定電壓13.8kV，為了能夠將發電廠所生產的電能高效地遠距離輸送，必須將電壓升高至110kV以上，而且電能輸送的距離越遠，輸送電能的電網的電壓等級就越高。為了保證高壓輸電系統安全可靠的運行，電力系統必須裝備完善的調度控制和繼電保護裝置，其中包括各種類型的開關電器，開關電器是電力系統實現輸送電能不可缺少的重要裝備。由遠方發電廠輸送的高壓電能通常必須經過具有降壓功能的配電系統轉化為較低電壓的電能才能最終被終端用戶所使用，這一電能的分配過程同樣需要大量的控制電器和保護電器。電能用戶利用電能完成種類繁多的任務，必須借助于特定功能的電器才能得以實現。
概括而言，電器可以應用于工業、農業、國防、交通以及民用生產生活等眾多領域。電器產品的種類非常繁多，電器設計與制造涉及許多相關的理論和技術。作為揭示和研究電器機理的一門學科，電器學重點研究電器所共有的特性和機理。本章在給出電器定義和分類的基礎上，通過典型電器的結構和工作原理，簡要介紹電器所涉及的基礎理論。
1.1 電器的定義和分類
1.1.1 電器的定義及其應用領域
1.電器的定義
作為系統中的元件或設備，電器可以執行指定的操作或實現特定的功能，通常情況下完成上述操作或實現上述功能時，電器必須使用電能或對電信號進行處理。概括而言，凡是利用電能或電信號完成特定操作或實現特定功能的用電元件或設備均可歸類于電器范疇，由此可見，電器產品的應用范疇非常廣泛，它可以包括所有的用電元件或設備。
電器是一種電氣元件或設備，它可以根據外界給定的指令（信號），自動或手動地接通和斷開電路，斷續或連續地改變電路參數，從而實現對電氣量或非電氣量的切換、控制、保護、檢測、變換和調節等功能。
2.應用領域
根據電器的定義可知，電器產品的應用領域非常廣泛，例如：
（1）應用于電力系統或配電系統的開關電器，可以實現電力系統或配電系統的合閘、分斷以及轉換操作。
（2）應用于電力系統或配電系統的保護電器，可以為電力系統或配電系統的元件、設備提供各種故障或不正常運行狀態的保護功能。
（3）應用于電力拖動系統中的控制電器，可以完成用電設備的操作控制任務，或完成對電動機的啟動、停止、正轉、反轉的控制任務。
（4）在電氣系統或設備中，完成電量信號或非電量信號的傳遞、變換、放大功能，以達到相關信號量的自動檢測或調節與控制的電工器械等。
1.1.2 電器的分類
由于電器的種類繁多，有必要將常用電器按一定的準則分類。根據不同的分類準則，電器可以有多種分類方式。
1.按對電路的作用分類
（1）開關電器：實現對電路的接通與分斷任務，例如斷路器、接觸器、繼電器、刀開關、按鈕等。
（2）非開關電器：主要完成對電氣量或非電氣量的測量、變換或放大等任務，例如電壓互感器、電流互感器、傳感器以及各種不同于開關電器的各類電器。
2.按電器動作的動力源分類
（1）手動操作電器：電器的動作是由外界作用力，特別是依靠人工完成的，例如刀開關、按鈕、主令電器以及手動變阻器等。
（2）自動操作電器：電器的動作是由該電器自身通過給定的指令、并在特定的驅動能（電能或其他機械能等）的作用下完成的，自動操作電器可以實現遠程或自動控制操作。例如斷路器、（自動）隔離開關、接觸器、繼電器等。
3.按電壓等級分類
（1）低壓電器：額定交流電壓在1200V、額定直流電壓在1500V及以下的電器，例如低壓斷路器、低壓熔斷器、接觸器、控制器、啟動器、繼電器、低壓電壓互感器、高壓電流互感器、變阻器、主令電器、電阻器和變阻器等。
（2）高壓電器：額定電壓在3kV及以上的電器，例如高壓斷路器、隔離開關、避雷器、高壓電抗器、高壓電壓互感器、高壓電流互感器等。
4.按工作職能分類
（1）保護電器：完成被保護線路或設備安全運行的保護作用，例如保護繼電器、熔斷器、避雷器，以及各種繼電保護電器或裝置等。
（2）自動控制電器：完成不同設備或器械的自動或異地控制，例如，各種接觸器、各種控制繼電器等。
（3）啟動調速電器：實現各種電動機的啟動控制，例如電磁啟動器、星三角啟動器、自耦補償啟動器、變阻器以及某些調速裝置等。
（4）穩壓與調壓電器：例如自動調壓器、自動穩壓器及其裝置。
（5）測量、放大與變換電器元件：例如，各種傳感器、磁放大器、高低壓電流互感器、電壓互感器等。
（6）牽引與傳動電器元件：主要完成動力的傳遞任務，例如，各種操作和牽引電磁鐵以及機械負載傳動用電磁離合器等。
5.按電器用途分類
（1）電力系統用電器：電力系統中使用的各種電器，其中包括高壓斷路器、高壓熔斷器、電壓互感器、電流互感器、電抗器、避雷器、低壓斷路器、低壓熔斷器以及其他繼電保護電器等。
對實現電力系統接通與分斷任務的高壓開關電器而言，其主要技術要求是通斷能力強、動熱穩定性高、操作過電壓低。對保護電器則要求其具備完善的保護性能。
（2）電力拖動及自動控制系統用電器：例如接觸器、啟動器、控制器、控制繼電器等。對此類電器的主要技術要求是轉換能力強，動作時間快，操作效率高，電氣和機械壽命長。
（3）自動化通信及其他弱電系統用電器：該應用領域的最大特點是電器的工作電壓低、工作電流非常小，例如微型繼電器、舌簧管、磁性或晶體管邏輯元件等。對此類電器的主要技術要求是動作時間快，靈敏度高，抗干擾能力強，特性誤差小，壽命長和工作絕對可靠。
6.按使用場合和工作條件分類
（1）一般工業企業用電器：適用于大部分工業企業生產環境。
（2）特殊工礦企業用電器：用于礦山、冶金、化工等特殊環境的電器，例如礦用防爆電器和化工用電器，此類電器應具備良好的防火和防爆功能，以及其他適合特殊使用環境的性能指標。
（3）農用電器：適合農村環境而專門生產的電器。
（4）熱帶用電器和高原用電器：適合熱帶、亞熱帶地區以及高原山區而派生的電器，此類電器應具備在高溫、高濕和高海拔環境下可靠工作的能力。
（5）牽引、船舶、航空等電器：電氣化鐵路用的牽引電器、船用電器、航空電器以及汽車、拖拉機等專用電器等，此類電器必須具備在特殊使用環境下正常工作的能力，例如，船用控制電器除了具備控制功能外，對其抗潮濕和高鈉侵蝕有較高的要求；航空電器則必須保證在低氣壓環境下能夠完成規定的任務。
7.按開關電器的轉換深度分類
對于開關電器而言，在執行電路通斷任務的轉換過程中，引入轉換深度的概念h＝RDKRJT式中，RDK為斷開或截止時，開關電器執行電路的電阻值；RJT為接通或導通時，開關電器執行電路的電阻值。
（1）有觸點電器：開關電器通斷的執行功能是由觸點（頭）結構來實現的。有觸點開關電器在接通電路時，其執行電路的電阻值通常很小；而當斷開電路時，其執行電路的電阻值卻非常大，因此有觸點開關電器的轉換深度較高，h＝1010~1014。常見的各種接觸器、繼電器等大多屬于有觸點開關電器，其典型結構特點在于電路的接通與分斷是由具備觸點（頭）結構的執行機構來最終實現的。正是由于有觸點開關電器具備的高轉換深度，從而保證在接通電路時，開關電器的執行電路電能損耗小，對被控電路的影響也較小；斷開電路后，其執行電路的電阻非常高，從而可以保證電器的耐壓水平得以提高。因此，高壓開關電器基本上屬于有觸點開關電器。然而，當有觸點開關電器開斷具有一定能量的電路（負荷）時，觸點（頭）間將會產生電弧，這種具有極高溫度的電弧對觸點（頭）具有一定的燒損，從而影響開關電器的使用壽命。此外，電弧的產生還會影響被控電路的工作。
（2）無觸點開關電器：開關電器通斷的執行功能不是由觸點（頭）結構來實現的，而是根據開關電器輸出信號的高低電平來實現的，例如，各種無觸點繼電器等。無觸點開關電器接通電路時，其執行電路仍具有一定的電阻值；而當電路斷開時，其執行電路的電阻相對有觸點開關電器而言較小。因此，無觸點開關電器的轉換深度較低，h＝104~107。無觸點開關電器的特點是開斷電路（負荷）時，不產生電弧。但是，接通電路時，由于其執行電路電阻要比有觸點開關電器的高，所產生的損耗也較大，其發熱問題較突出。特別是電路開斷后，其執行電路的電阻值相對較小，不利于其耐壓水平的提高。因此，無觸點開關電器通常應用于低壓領域。
（3）混合式開關電器：有觸點和無接觸點相結合的開關電器，其轉換深度介于兩者之間。
1.2 電器的組成及典型結構原理
1.2.1 電器的基本組成
如上述所述，電器產品的種類繁多，應用領域非常廣泛，其構成及工作原理也多種多樣。
但是，它們也存在一定的相同或相似之處。從系統的觀點看，無論是結構簡單的電器元件，還是結構復雜的成套電器均是系統中的一個元件，它具有接受外界指令信號或信息的輸入部分，并含有完成特定工作的輸出部分。結構上，電器的基本組成包括感測器官、邏輯判斷器官、執行器官、傳動或操動機構等。
電器的感測器官主要是接受外界指令或信號，或提取相關信息，為完成電器特定任務提供必要的輸入信息。
電器的邏輯判斷器官主要完成對電器感測器官所接受的輸入信息進行必要的邏輯判斷，以便確定電器的工作狀態。
電器所要完成的任務則是由電器的執行器官來實現的，例如，有觸點開關電器對電路的接通或分斷是由有觸點開關電器的觸點（頭）來完成的。所以，觸點（頭）就是有觸點開關電器的執行器官。
有些電器工作時需要一定的動力，以便驅動電器的執行器官做功，從而完成電器特定的工作任務，這就需要能夠完成執行器官做功的傳動或操動機構。例如，電磁式開關電器的電磁操動機構，可以實現開關電器觸點（頭）的閉合、分斷操作。
需要指出的是，并不是所有的電器都具備上述組成，根據電器所需完成的工作任務，有的電器具備上述全部組成，而有的僅具備部分組成。例如，電磁式電壓互感器僅具備感測器官，它是由電壓互感器的一次線圈、鐵心和二次線圈構成。作為輸入部分，電壓互感器的一次線圈側取被測電壓，并通過其輸出部分（二次線圈）輸出與被測電壓成正比的測量電壓。其他傳感器類大多也具備類似電壓互感器的基本組成。
作為故障保護電器的熔斷器則具備了感測器官、邏輯判斷器官和執行器官，而且這些器官的功能均是由熔斷器中的熔體來實現。當故障電流流過熔體時，熔體由于其電阻損耗而發熱，此時，熔體相當于感測器官。當故障電流足夠大或故障時間足夠長時，熔體的溫度將會達到熔體材料的熔點溫度，從而導致熔體的熔化并產生電弧，在熔斷器中滅弧介質的作用下，電弧最終被熄滅，故障線路或設備最終被從系統中切除，從而實現了對短路故障或過流的保護。此時，熔體實現了邏輯判斷和任務執行功能。通常，熔斷器沒有機械運動部件，因此，不含有傳動或操動機構。
電磁式繼電器則具備了感測器官、邏輯判斷器官、執行器官和操動機構等基本組成，是具有代表性的電器產品之一，其他電磁式開關電器大多具有與電磁式繼電器相類似的組成，例如具有電磁或永磁操動機構的斷路器、接觸器等。因此，通過對電磁式繼電器基本結構的研究，可以實現對電器產品共性的了解，進而掌握電器的基本理論及相關技術。
1.2.2 電磁式繼電器的基本結構及其工作原理
1.基本結構圖
1-1 所示為電磁式繼電器的基本結構示意圖。
電磁式繼電器主要是由以下幾部分所構成：電磁系統、觸頭系統、滅弧系統。
電磁系統由激磁線圈1、鐵心柱2、軛鐵3、銜鐵4和系統反力彈簧5等組成，而止擋6的作用是限制銜鐵4的旋轉角度，從而限定銜鐵4與鐵心柱2之間氣隙δ的大小。
觸頭系統由常閉觸點c0和c1以及常開觸點c0和c2構成，其中觸點c0在銜鐵4的作用下可以運動，因此被稱為動觸點；觸點c1和c2則被固定于絕緣支架7上而相對靜止，故被稱為靜觸點。
滅弧系統則是由動靜觸點間的空氣氣隙所構成。
傳統意義上講，電磁式繼電器不具備特殊設計的滅弧系統，觸點開斷電路時所產生的電弧僅通過對電弧的拉長來熄滅，因為繼電器觸頭系統所控制的線路或設備的功率較小，切斷電路或設備時觸點間所產生電弧的能量也很小，這種簡單的滅弧措施即可滿足需要。對于需要控制更高功率的接觸器和斷路器則必須裝配完善的滅弧系統，觸頭系統的尺寸也相對增大，因此，工程上通常將構成接觸器和斷路器觸頭系統的接觸元件稱為動觸頭和靜觸頭，而在繼電器觸頭系統中則被稱為動觸點和靜觸點。
電磁式繼電器的感測部分是由電磁系統組成的，其邏輯判斷器官由電磁系統和反力彈簧等部件組成，其執行器官由觸頭系統所構成，而其操動機構則由電磁系統、反力彈簧等部件組成。
2.工作原理
（1）激磁線圈通電后，作為感測器官的電磁系統中的激磁線圈電流將逐漸增加，該激磁電流在電磁系統中產生磁通，其中銜鐵與鐵心之間氣隙中的磁通（稱為工作氣隙磁通）將作用于銜鐵，隨著工作磁通逐漸增加，作用于銜鐵上的電磁吸力（轉矩）也越來越大。作為邏輯判斷器官的電磁系統將比較電磁系統所產生的電磁吸力和系統反力的大小，以確定電器下一步的工作。當電磁吸力大于系統反力時，銜鐵將繞其轉動軸轉動，即向鐵心方向轉動（此過程被稱為銜鐵的吸合），銜鐵的轉動又會帶動其執行器官（觸頭系統）中動觸頭c0的運動，從而實現常閉觸頭的分開和常開觸頭的閉合。其中，電磁系統即充當了電器的感測器官，同時也擔負起其執行器官動作的動力提供的任務，因此，電磁系統與反力彈簧共同作用構成電器的操動機構。
（2）激磁線圈斷電后，激磁線圈電流逐漸減小，電磁系統中由此所產生的磁通也逐漸降低，工作氣隙磁通也隨之降低，作用于銜鐵上的電磁吸力越來越小。當電磁吸力小于銜鐵反力時，銜鐵在系統反力的作用下開始向其初始位置轉動（此過程被稱為銜鐵的釋放過程）。動觸點必然隨之向其初始位置運動，直至常開觸點、常閉觸頭的復位。
3.繼電器的主要參數
電磁式繼電器是應用最廣泛的電器之一，特別是在自動控制、通信系統以及繼電保護系統中被大量使用，其相關特性及參數將影響到應用領域的工作。
如果將繼電器的激磁線圈輸入端看成是元件的輸入，而將觸頭系統中的觸點看成是元件的輸出，則繼電器作為應用系統中的元件，其輸入輸出特性如圖1-2所示。其中輸入量x可以是電壓（并聯式激磁線圈）或電流（串聯式激磁線圈），其輸出量y則代表觸點的狀態。例如，y0可以表示常開觸點的初始狀態（打開狀態），y1則表示常開觸點動作后的狀態（閉合狀態）；或者y0可以表示常閉觸點的初始狀態（閉合狀態），y1則表示常閉觸點動作后的狀態（打開狀態）。因此，繼電器的輸出可以根據系統需要加以定義。
假設圖1-2所示的繼電器具有并激式激磁線圈，且y0為常開觸點的初始狀態，y1為常開觸點動作后的狀態，當輸入量x（電壓）從零逐漸增大時，只要x＜xd，繼電器的輸出狀態就不會改變，即繼電器的常開觸點仍處于其初始打開位置。當x＝xd時，繼電器的輸出狀態將從y0躍變至y1，即繼電器的常開觸點從其打開位置轉變到其閉合位置，這里xd被稱為繼電器的動作值。當x＞xd時，繼電器常開觸點的狀態將不再發生改變，即常開觸點保持閉合狀態。
此后，逐漸降低x，直至x＝xf。在該x＝xf時刻之前，繼電器常開觸點始終處于閉合位置，盡管輸入量x可能已經低于xd。只有當x＝xf時，繼電器的常開觸點才從閉合狀態躍變回其打開狀態（初始位置），而且隨著x進一步減小，這一狀態將始終保持不變，這里xf被稱為繼電器的返回值。因此可以看出，電磁式繼電器的動作值大于其返回值，二者之差Δx被定義為回差。這種輸出狀態改變時其動作值大于其返回值的特性，被稱為繼電器（開關電器）的繼電特性。
（1）返回系數（或稱恢復系數）
Kf＝xfxd（1-1）
式中，xd為繼電器的動作值；xf為繼電器的返回值。
返回系數的大小反映了繼電器繼電特性的明顯程度，通常電磁式繼電器的返回系數小于1。