第3节 短路时电器的发热及电器的热稳定性

电器在通过工作电流时，在其工作制下，要经受额定电流发热的考验。若电路发生了短路故障，其短路电流远大于额定电流，当保护电器还未将故障切除前，电器还必须能承受住一定时间内短路电流的发热考验。由于短路电流的时间很短，可以认为是绝热过程，即不考虑散热，全部损耗都用来加热电器。

电器的热稳定性是指在一定时间内能承受短路电流(或所规定的等值电流)的热作用而不发生热损坏的能力。例如不会因发热而产生不允许的机械变形，触头处不会熔焊等。热稳定性以表示，称为t秒时热稳定电流(用有效值表示)，一般时间采用1s、5s与10s为准的热稳定电流I₁、I₅及I₁₀。按照热量相等的原则，同一电器不同时间的热稳定电流可以互相换算。换算公式为

时间愈短，其热稳定电流可以愈大。

各种电器使用于不同电路，热稳定电流有不同的规定，如表1－7所示。

表1－7  开关电器的热稳定电流

第四节  载流导体的电动力及电动稳定性

一、载流导体的电动力

载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间相互也会受到力的作用，这种力称为电动力。对于这种现象，有可利用的一面，如电动机的原理就是利用它将电能转换为机械能。也有危害的一面，如对大容量输配电设备来说，在短路情况下电动力可达很大数值，对配电装置的性能和结构影响极大。在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小，接触电阻增大造成触头的熔化或熔焊，影响触头的正常工作。有时在强大短路电流所形成的电动力下，使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。利用电动力的作用改善和提高电器性能的例子也是很多的。例如接触器的磁吹灭弧、快速自动开关的速断机构等。

电动力的方向判断可用左手定则或磁通管侧压力原理来进行。左手定则为伸平左手，磁通穿过左手掌，四个手指为电流方向，那大拇指指的就是电动力方向。磁通管侧压力原理(米特开维奇定则)是：把磁力线看成为磁通管，磁通管密度高的一侧具有推动导体向密度低的一侧运动的力,这个方向即为电动力的方向。

电动力方向判断的两种方法其结果是一样的，可根据具体情况采用某一种。在结构及产生磁场因素复杂的情况下用磁通管侧压力原理来判定电动力方向较为方便。例如图1－4、图1－5、图1－6所示情况。

图1－6　利用电动力的磁吹原理

1－磁吹线圈；2－磁吹铁芯；3－导弧角；4－电弧；

5－铁夹板；6－动触头；7－静触头

二、载流导体电动力计算基础和电动稳定性

当长为L并通有电流I的导体垂直置于磁感应强度为B的均匀磁场中时，作用在该导体上的电动力F（见图1－7）为

F=BIL

图1－7　载流导体在磁场中受到电动力

若该导体与磁感应强度B的方向成β夹角时，则作用在导体上的电动力为

F=BILsinβ

电动力是由作用在导体上各个长度元dL的许多力元dF的几何和来决定。因为可将无限短的导体视为直线，它处的磁场可认为是均匀的，因此它所受到的力dF，可用下式表示

长为L的全导体所受到的力则为

    　   　　　　　　　　　　　  (1－14)

在通常情况下，磁场中各点的磁感应强度B不是预先给定的，只给出导体电流及导体的空间位置情况，此时可采用比奥－沙瓦定律来进行电动力的计算。

电器的电动稳定性就是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能。也可以说电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。它以可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以它与额定电流的比值表示。

三、触头电动力

触头闭合通过电流时，在触头间有电动力存在。这是因为触头表面不管加工怎样平整，从微观上看仍然是凹凸不平的，如图1－8所示。由于接触面积远小于触头表面积，电流线在接触点处产生收缩，由此而引起触头间的电动斥力。

图1－8　接触的触头间收缩电动力

如图1－9，闭合的隔离开关动静触头间存在电动斥力，当电流很大时此电动力可将触头间接触压力减小，甚至引起触头的机械形变或触头拉开造成误动作。触头处在闭合位置能承受短路电流所产生的电动力而不致损坏的能力，称为触头的电动稳定性。由于触头面加工情况不同，触头压力情况不同，因而难以确定触头接触处电流线收缩的情况，因此由电流线收缩而产生电动斥力的计算较复杂。

通过分析可得视在接触面积S、触头材料的抗压强度越大，电流线收缩得越厉害，电动斥力也越大。触头压力F_j越大，有效接触面积增加，电动斥力也就越小。

图1－9　隔离开关受到的电动力