原來如此15：開關電器的觸頭也有動穩定性？

04-22

電流會產生磁場，載流導體周圍也有磁場，磁場對載流導體會產生力的作用。這種作用力稱為電動力。電動力的本質仍然是安培力（洛倫茲力）。

導線間的電動力與導線的長度成正比，與導線間的距離成反比，與導線間流過的電流的乘積成正比。若兩導線的電流相等，則電動力與電流的平方成正比。

當兩電流方向一致時，導體間的電動力是吸力；當兩電流方向相反時，導體間的電動力是斥力。

所謂開關電器的動穩定性，指的是開關電器當其內部的載導電體流過短路電流時，開關電器能夠承受短路電流產生的巨大電動力的衝擊而不發生形變。

我們以低壓交流接觸器為例來說明。下圖是某型拍合式接觸器，我們可以從滅弧罩的縫隙中看到觸頭：

我們能看到接觸器觸頭的尺寸很小，短路電流似乎對觸頭不會產生什麼電動力。那麼觸頭也有動穩定性嗎？

看下圖：

圖中繪出了動、靜觸頭間的電流線。我們用右手定則判斷出磁力線方向，再用左手定則判斷出電動力方向，我們會發現動、靜觸頭間的作用力是斥力Fd。於是電磁吸力F為： $F>F_{d} +F_{f}$

這裡的Fd是正常運行電流產生的觸頭斥力，Ff是反力拉簧產生的拉力。

那麼Fd的表達式是什麼？見下式：

$F_{d} =frac{mu _{0} }{4pi } I^{2} lnfrac{R}{r}$

這裡的R是觸頭底面的半徑，而r則是接觸點的半徑。

我們發現，觸頭斥力與電流的平方成正比，且觸頭半徑越大，斥力也就越大。

設流過觸頭的交流電流為： $i=I_{m} sinomega t$ 。我們來看看交流電流的平方是什麼？

$i^{2}= (I_{m} sinomega t)^{2} ={(sqrt{2}I) }^{2} frac{1-cos2omega t}{2} =I^{2} -I^{2} cos2omega t$

也就是說，交流電流的平方有如下特點：

第一個特點：它包括兩個部分：其一是直流分量，它等於交流電流有效值的平方；其二是交流分量，它的最大值與直流分量相同，但方向相反，且它按2倍於電流頻率變化；

第二個特點：它的最大值為2倍直流分量，最小值為零。

結合其它參數，我們可以得出結論：觸頭電動斥力Fd包括了兩個部分，其一是恆定分量 $F_{d-}$ ，其二是交變分量 $F_{dsim }$ 。我們來看它的圖像：

我們看到了觸頭斥力的最大值和最小值，且最小值為零。

其實，不但觸頭斥力是如此，交流線圈的吸力也是如此。這樣一來，每次電流過零時，在拉力彈簧的反力作用下，觸頭就會鬆動，嚴重時甚至會出現間隙。當電壓再次載入後，就會在觸頭間隙中出現電弧，燒灼觸頭材料。

解決的辦法是什麼呢？第一是增加觸頭的壓力，第二是在電磁吸力的鐵心中增加短路環，使得電流過零時仍然保持有一定的吸力。短路環的作用十分重要，它可以在主磁通 $Phi$ 流過時產生感應電流，而感應電流又會產生一個輔助磁通 $Phi _{F}$ 。當主磁通過零時，輔助磁通 $Phi _{F}$ 不過零，使得觸頭和電磁系統存在吸引電磁力，有效地消除觸頭振動和電磁系統振動。

圖中在鐵芯左右兩個端面上能看見短路環。

以上這些方法僅僅解決了正常運行電流的觸頭斥力問題。但是當發生短路時，巨大的短路電流流過觸頭，觸頭會被強大的短路電動力斥開一個氣隙，氣隙中會出現電弧。電弧當然會燒灼觸頭，使得觸頭材料部分地熔融，其結果就是觸頭熔焊或者觸頭材料被電弧汽化。

觸頭抵禦短路電流的電動力作用被稱為觸頭的動穩定性。

在國家標準GB14048.4-2008《低壓開關設備和控制設備第4部分：機電式接觸器和電動機起動器》中，有如下內容：

我們來仔細看看下圖：

圖中左側是一次迴路，我們看到了斷路器、接觸器和熱繼電器，當然也有電動機。

我們來仔細看看上圖右側的曲線圖：

左側的曲線是電動機的起動曲線，曲線的右側是電動機的起動衝擊電流，也就是當電動機剛加電但轉子還未旋轉時的電流值。我們看到斷路器和接觸器組合裝置的短路電流分斷能力必須大於這個值。

再看右下角有兩個關係：一個是斷路器的短路電流分斷能力，一個是斷路器和接觸器組合裝置的短路電流分斷能力，我們看到後者必須大於前者。這樣才能確保當發生短路時，接觸器觸頭能滿足動穩定性要求。

對應於斷路器和接觸器之間的短路協調，產品的型式試驗中有專門的測試內容，叫做SCPD短路配合試驗。SCPD試驗電路如下：

這裡的KM就是接觸器主觸頭，而SCPD就是斷路器觸頭。當電路流過廠家聲稱的短路電流時，按廠家給定的時間參數來控制時間，以便測試接觸器觸頭是否會發生熔焊。若發生熔焊，則屬於一類配合關係；若未發生熔焊，則屬於二類配合關係。

對於具體使用者來說，選用斷路器和接觸器時，要按二類配合關係來選擇元件規格。

下圖是ABB的電動機控制主迴路元器件參數選用表：

表中標題部分的Type2即為二類配合關係。

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作為對照，我們來看看在50kA短路電流下，母線之間的短路電動力和觸頭之間的短路電動力定量計算的比較值。

設，母線的截面為80mmX10mm，長度為15米，母線之間的距離為150mm。我們來計算一下這兩根母線之間有多大的短路電動力。

由比奧.薩伐爾定律，我們可以推得計算短路電動力的公式為：

$F=frac{mu _{0} }{4pi } K_{h} I^{2} frac{2L}{d}$ 。

式中：Kh叫做截面係數，查表後得知，Kh=0.94；L是母線長度，d是母線中心距離。將數據代入上式，得：

$F=10^{-7} imes 0.94 imes left( 50 imes 10^{3} ight) ^{2} frac{2 imes 15}{0.15} =47000Napprox 4796kgf$

也就是說，這兩根母線在50kA短路電流衝擊下，它們之間的短路電動力接近4.8噸力。很驚人的數字！

再來看看觸頭間的電動力。

我們假定觸頭的半徑為2毫米，觸頭導電斑半徑為0.2毫米。我們來計算一番，如下：

$F_{d} =10^{-7} imes left{ 50 imes 10^{3} ight} ^{2} lnfrac{2}{0.2} approx 575.6Napprox 58.7kgf$

一個小小的觸頭，觸頭間的短路電流電動斥力就達到58.7千克力，可見其電動斥力的巨大，觸頭極有可能會被瞬間斥開，由此發生電弧高溫熔焊。由此可見觸頭動穩定的重要。

如何？有點意思吧？！