《电器学》丁明道编著课后练习题答案

《电器学》夏天伟丁明道编著课后习题解答

1.1电器中有哪些热源？它们各有什么特点？

答：电器中的载流系统通过直流时，载流导体中损耗的能量便是电器的唯一热源。

通过交流时，热源包括：导体通过电流时的能量损耗、非载流铁磁质零部件的损耗（铁损包括涡流损耗和磁滞损耗）、电介质损耗。

交变电流导致铜损增大，这是电流在到体内分布不均匀所致。集肤效应和邻近效应会带来附加损耗。

铁损只在交变电流下才会出现。

电介质损耗：介质损耗角与绝缘材料的品种、规格、温度、环境状况及处理工艺有关。

1.2 散热方式有几种？各有什么特点？

答：热传导、对流、热辐射。

热传导是借助分子热运动实现的，是固态物质传热的主要方式。

对流总是与热传导并存，只是对流在直接毗邻发热体表面处才具有较大意义。

热辐射具有二重性：将热能转换为辐射能，再将辐射能转换为热能，可以穿越真空传输能量。

1.3为什么决定电器零部件工作性能的是其温度，而考核质量的指标确却是其温升？

答：电器运行场所的环境温度因地而异，故只能人为地规定一个统一的环境温度，据此再规定允许的温升，以便考核。

1.4在整个发热过程中，发热时间常数和综合散热系数是否改变？为什么？

答：一般来说，是改变的。但是在计算中，为了方便起见，假定功率P为恒值，综合散热系数也是均匀的，并且与温度无关，因此发热时间常数也是恒定的。

1.15 交变电流下的电动力有何特点？

交流电动力特点：

1、单相：

1）是脉动的单方向的电动力

2）单相稳态交流电动力以两倍电流频率在零和峰值间变化。

3）最大的电动力发生在最大的短路电流时刻，当ψ＝φ－π/2时，电流的非周期分量最大，可能出现的总电流、电动力最大。

4）单相系统最大暂态电动力是稳态时的3.24 倍。交流单相短路最大电动力极限可达稳态最大电动力的4倍。

2、三相：

1）三相稳态交流电动力当导体作直列布置时中间相导体受力最大，并以两倍电流频率在正、负峰值间变化，力的峰值为单相稳态最大力的0.866倍

2）三相交流短路电动力同样是中间相导体受力最大，力的正、负峰值为单相稳态最大力的2.8倍。

1.16 三相短路时，各项导线所受电动力是否相同？

不同。三相交流对称短路时，中间B相所受的最大电动力是A、B、C三相导体中各项所受最大电动力之最。力的正、负峰值为单相稳态最大力的2.8倍。

2.2电接触和触头是同一概念么？

答：否。赖以保证电流流通的到体检的联系称为电接触，是一种物理现象。

通过相互接触以实现导电的具体物件称为电触头（简称触头），它是接触时接通电路、操作时因其相对运动而断开或闭合电路的两个或两个以上的导体。

2.3触头有哪几个基本参数？

答：开距、超程、初压力、终压力。

2.4触头大体上分为几类？对它们各有什么基本要求？

答：大体上分为连接触头和换接触头。

对连接触头的要求：在其所在装置的使用期限内，应能完整无损地长期通过正常工作电流和短时通过规定的故障电流。电阻应当不大且稳定，既能耐受周围介质的作用，又能耐受温度变化引起的形变和通过短路电流时所产生的电动力此二者的机械作用。

对换接触头的要求：电阻小而稳定，并且耐电弧、抗熔焊和电侵蚀。

2.5触头的分断过程是怎样的？

答：由于超程的存在，触头开始分断时，电路并没有断开，仅仅是动触头朝着与静触头分离的方向运动。这时，超程和接触压力都逐渐减小，接触点也减小。及至极限状态、仅剩一个点接触是，接触面积减至最小，电流密度非常巨大，故电阻和温升剧增。以致触头虽仍闭合，但接触处的金属已处于熔融状态。此后，动触头继续运动，终于脱离，但动静触头间并未形成间隙，而由熔融的液态金属桥所维系着。液态金属的电阻率远大于固体金属的，故金属桥内热量高度集中，使其温度达到材料的沸点，并随即发生爆炸形式的金属桥断裂过程，触头间隙也形成了。

金属桥刚断裂时，间隙内充满着空气或其他介质及金属蒸汽，他们均具有绝缘性质。于是，电流被瞬时截断，并产生过电压，将介质和金属蒸汽击穿，使电流以火花放电乃至电弧的形式重新在间隙中流通。此后，随着动触头不断离开静触头以及各种熄弧因素作用，电弧终将转化为非自持放电并最终熄灭，使整个触头间隙称为绝缘体，触头分断结束。

2.6何为电离和消电离？他们各有哪几种形式？

答：电离：电子获得足以脱离原子核束缚的能量，它便逸出成为自由电子而失去电子的原子成为正离子。

电离有表面发射和空间电离两种形式。

表面发射发生于金属电极表面：热发射、场致发射、光发射、二次电子发射。

空间电离发生在触头间隙：光电离、碰撞电离、热电离。

消电离：电离气体中的带电粒子自身消失或失去电荷而转化为中性粒子的现象。

消电离：复合和扩散。

2.7电弧的本质是什么？电弧电压和电场是怎样分布的？

答：电弧是生成于气体中的炽热电流、是高温气体中的离子化放电通道，是充满电离过程和消电离过程的热电统一体。

电弧电压：两近极区压降基本不变。弧柱区内电场强度近乎恒值。

2.8试分析直流电弧的熄灭条件。

答：熄灭直流电弧，必须消除稳定燃弧点。

常采用以下措施来达到熄弧的条件

1）拉长电弧或对其实行人工冷却

2）增大近极区电压降

3）增大弧柱电场强度E

2.9试分析交流电弧的熄灭条件，并阐述介质恢复过程和电压恢复过程。

答：交流电弧的熄灭条件：在零休期间，弧隙的输入能量恒小于输出能量，因而无热积累；在电流过零后，恢复电压又不足以将已形成的弧隙介质击穿。

介质恢复过程：

近极区：

1)、电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性，(新近阴极表面，仅留下少量正离子。)

2)、这样以致无法形成场致发射

3)、由于电流过零，温度低亦难以产生热发射。4)、在极短的时间内形成了150~250V的介质强度。

弧柱区：分为热击穿和电击穿两个阶段。

若弧隙取自电源的能量大于其散发出的能量,将迅速减小，剩余电流不断增大，使电弧重新燃烧.——热击穿

当弧隙两端的电压足够高时，仍可能将弧隙内的高温气体击穿，重新燃弧。——电击穿。电压恢复过程：电弧电流过零后，弧隙两端的电压将由零或反向的电弧电压上升到此时的电源电压。这一电压上升的过程成为电压恢复过程，此过程中的弧隙电压称为恢复电压。

2.10为什么熄灭电感性电路中的电弧要困难些？

答：因熄灭电弧的最佳时机为零休期间，而此时，电压最大，易于发生击穿，发生电弧击穿弧隙介质。

2.11何谓近阴极效应？它对熄灭哪一种电弧更有意义

答：电弧电流过零后弧隙两端的电极立即改变极性。在新的近阴极区内外，电子运动速度为正离子的成千倍，故它们于刚改变极性时即迅速离开而移向新的阳极，使此处仅留下正离子。同时，新阴极正是原来的阳极，附近正离子并不多，以致难以在新阴极表面产生场致发射以提供持续的电子流。另外，新阴极在电流过零前后的温度已降至热电离温度以下，亦难以借热发射提供持续的电子流。因此，电流过零后只需经过0.1~1 ，即可在近阴极区获得150~250V的介质强度。出现于近阴极区的这种现象称为近阴极效应。

对于熄灭低压交流电弧更有意义。

2.12 试通过电弧的电压方程分析各种灭弧装置的作用？

灭弧装置

（1）、灭弧装置

1．简单开断； 2．磁吹灭弧装置；

3．纵缝灭弧装置； 4．绝缘栅片灭弧装置；

5．金属栅片灭弧装: 6．固体产气灭弧装置，

7．石英砂灭弧装置； 8．变压器油灭弧装置；

9．压缩空气灭弧装置:10．SF6灭弧装置；

11．真空灭弧装置。

（2）辅助方法： 1．在弧隙两瑞并联电阻；

2. 附加同步开断装置；

3．附加晶闸管装置。

1、灭弧装置的灭弧原理主要有：

(1)在大气中依靠触头分开时的机械拉长，使电弧增大

(2)利用流过导电回路或特制线圈的电流在燃弧区产生磁场，使电弧迅速移动和拉长；

(3)依靠磁场的作用，将电弧驱入用耐弧材料制成的狭缝中，以加强电弧的冷却和消电离；

(4)用金属板将电弧分隔成许多串联的短弧；

(5)在封闭的灭弧室中，利用电弧自身能量分解固体材料，产生气体，以提高灭弧室中的压力，或者利用产生的气体进行吹弧；

(6)利用电弧自身能量，使变压器油分解成含有大量氢气的气体并建立起很高的压力，再利用此压力推动冷油和气体去吹弧；

(7)利用压缩空气吹弧；

(8)利用SF6气体吹弧；

(9)在高真空中开断触头，利用弧隙中由电极金属蒸汽形成的弧柱在电流过零时迅速扩散的原理进行灭弧；

(10)利用石英砂等固体颗粒介质，限制电弧直径的扩展和加强冷却。

2.13怎样才能实现无弧分断？

答：一般有两种方法：一是在交变电流自然过零时分断电路，同时以极快的速度使动静触头分离到足以耐受恢复电压的距离，使电弧甚弱或无从产生；二是给触头并联晶闸管，并使之承担电路的通断，而触头仅在稳态下工作。

2.14 接触电阻是怎样产生的？影响它的因素有哪些？

答：两相互接触的导体间的电导是在接触压力作用下形成的，该压力使导体彼此紧压并以一定的面积互相接触。实际接触面缩小到局限于少量的a斑点引起了束流现象、即电流线收缩现象，束流现象将引起称为束流电阻的电阻增量。接触面暴露在大气中会导致表面膜层的产生，表面膜层导致的电阻增量称为膜层电阻，其随机性非常大，难以解析计算。因此，电接触导致了电阻增量——接触电阻。

影响因素：接触形式、接触压力、表面状况、材料性能。

2.15触头的接通过程为什么通常伴随着机械振动？怎样减弱机械振动？

答：触头的碰撞、电磁机构中衔铁与铁心接触时的撞击以及短路电流通过触头时产生的巨大电动斥力，均可引起触头振动。

适当减小动触头的质量和运动速度，增大触头初压力，对减轻振动是有益的。

2.16何为熔焊？它有几种形式？

答：动静触头因被加热而熔化、以致焊在一起无法正常分开的现象称为触头的熔焊。有静熔焊和动熔焊两种形式。

2.17何为冷焊？如何防止发生冷焊？

答：继电器所用贵金属触头当接触面上的氧化膜（它本来就不易生成）被破坏、因而纯金属

接触面增大时，因金属受压力作用致使连接处的原子或分子结合在一起的现象称为冷焊。

为防止发生冷焊，一般通过实验，在触头及其镀层材料的选择方面采取适当的措施。

2.18在长期通电的运行过程中，接触电阻是否不变？为什么？

答：接触电阻会发生变化。会出现软化、熔化现象，会破坏膜层，导致接触电阻变化。

2.19 触头电侵蚀有几种形式？它与哪些因素有关？如何减小电侵蚀？

答：桥蚀（阳极遭受侵蚀），火花放电（阴极遭受侵蚀）和弧蚀（阳极侵蚀）

保证运行：设定能够补偿其电侵蚀的超程。

2.21对触头材料有何要求？

答：具有低的电阻率和电阻温度系数;具有高的最小燃弧电压和最小燃弧电流;具有高的热导率、比热容、以及高的熔点和沸点;具有高的抗氧化和抗化学腐蚀能力;具有适当的硬度和良好的工节性能。

2.23真空开关电器使用什么触头材料？

答：铜铋银合金，铜铋铈合金等。

3.1电磁机构在电器中有何作用？

答：电磁机构由磁系统和励磁线圈组成，广泛用于电器中作为电器的感测元件（接受输入信号），驱动机构（实行能量转换）以及灭弧装置的磁吹源。

既可以单独成为一类电器，诸如牵引电磁铁、制动电磁铁、起重电磁铁和电磁离合器等，也可以作为电器的部件，如各种电磁开关电器和电磁脱扣器的感测部件、电磁操动机构的执行部件。

3.2 何为磁性材料，它有何特点？

答：磁性材料是具有铁磁性质的材料，它包含铁、镍、钴、钆等元素以及它们的合金。最大的特点是具有比其他材料高数百到数万倍的磁导率，同时其磁感应强度与磁场强度之间存在非常复杂的非线性关系。

3.3磁性材料的磁化曲线有几种？它们有何区别？工程计算时应使用哪一种磁化曲线？

答：有2种：起始磁化曲线、基本磁化曲线（平均磁化曲线，含直流磁化曲线和交流磁化曲线两个亚种）。

起始磁化曲线是以去磁的磁性材料磁化所得的曲线。

基本磁化曲线是由许多不饱和对称磁滞回线顶点连接而成的。

工程计算时应使用基本磁化曲线，直流磁化曲线和交流磁化曲线分别适用于直流磁路计算和交流磁路计算.

3.4何谓软磁材料和硬磁材料？它们各有何特点？常用的软磁材料有哪些？

答：矫顽力小，磁滞回线很窄的磁性材料称为软磁材料。其矫顽力小，磁导率高，剩磁不大，所以磁滞现象不明显。常用的有电工纯铁、硅钢、高磁导率合金、高频软磁材料、非晶态软磁合金。矫顽力大，磁滞回线很宽的磁性材料称为硬磁材料。矫顽力大，磁滞回线宽，且最大磁能积大。

3.5 试述磁场的基本物理量和基本定律。

答：磁感应强度矢量B、磁场强度H、磁导率、磁通为磁场的基本物理量。

磁通连续性定理：磁场中任一封闭曲面内不论有无载流导体，进入该曲面的磁通恒等于自该曲面穿出的磁通。

安培环路定律：磁场强度沿任一闭合回路的线积分等于穿越该回路界定面积所有电流之和。

3.6试述磁路的特点及其基本定律。

答：磁路的特点：

a) 由于磁路主体磁导体的磁导率不是常数，而是H值的非线性函数，所以磁路是非线性的。

b) 磁导体与磁导率相差3~5个数量级，故忽略泄露磁通可能导致不能容许的误差。

c) 虽然泄露磁通处处存在，但主要集中于磁导体之间，所以构成等效磁路时，也只考虑这部分泄露磁通

d) 磁动势由整个线圈产生，它是分布性的，泄露磁通也存在于整个磁导体之间，同样是分布性的，因而磁路也是分布性的。

e)磁通并不是实体，所以说它通过磁导体不过是一种计算手段，绝无任何物质流动，当然也无能量损耗与交换。

基本定律：磁路的基尔霍夫第一定律和磁路的基尔霍夫第二定律。

磁路的基尔霍夫第一定律：将封闭曲面取在磁路分支处的一点（称为节点），则进入及流出该点的磁通代数和恒等于零。

磁路的基尔霍夫第二定律：磁路中沿任一闭合回路的磁压降的代数等于回路中各磁动势的代数和。

3.7试述电磁机构计算的基本任务。

答：设计任务和验算任务。

设计任务是根据电器及其他电工装置对其电磁机构的技术要求，设计出外形尺寸、重量、静态和动态特性等均属上乘的电磁机构。

验算任务是根据已有的电磁机构的参数计算其特性校核其是否符合电器或电工装置的要求。

3.8 计算气隙磁导的解析法有何特点？

答：解析法计算磁导具有概念清晰的特点，但适用性很差。通常，只有衔铁与铁心已闭合或接近闭合时，才应用这种公式计算气隙磁导。

3.9 分磁环及其作用。

答：交流分量的存在，使得交流磁路容易形成有害噪音和振动。

分磁环：导体短路环，把磁极分成两部分或以上，用分磁环套住部分磁极，短路环内会产生感应电动势，进而产生一个穿越分磁环的磁通，它与原磁通出现一定的相伴差，它们产生的吸力叠加后，使最小吸力大于反力，从而消除振动。

3.12 磁路计算的复杂性表现在哪里？

1、分布性

2、非线性

3、磁滞现象导致非线性更复杂

3.15 交流磁路和直流磁路的计算有何异同？

一、交流磁路特点：

1)交变磁场中的电磁感应现象不能忽略

交流磁路计算要应用基尔霍夫定律和电磁感应定律

2)电、磁间的作用不同

交流磁路中电与磁相互作用

直流磁路的稳态时，只有激磁线圈的电对磁导体的磁的单方向的作用

并励交流磁路是恒磁链变安匝特性：

这使得磁路的计算、归算漏磁导的表达式都不同于直流磁路

3)铁损存在磁滞和涡流损耗

励磁电流存在与磁通相同的磁化分量，以及超前磁通90o的损耗分量

磁路及其计算属于复数域

4）励磁线圈的阻抗是磁路参数的函数

5）分磁环短路的导体环，嵌放于磁极端面；交流磁通存在两个过零点/周期。

3.23 单相电磁机构为什么需要分磁环？分磁环是否可以用磁性材料制造？

单相电磁机构具有衔铁会发生振动的缺点, 为克服此缺点，故需要~~。

通常认为，磁性材料是指由过度元素铁、钴、镍及其合金等能够直接或间接产生磁性的物质。

3.27 为保证吸合动作的可靠性，电磁机构的静态特性与机械反力特性应怎样配合?

1) 静态特性位于反力特性（折线2)上

2）曲线3积聚的动能大于折线2，即阴影部分面积I大于面积2，保证可靠吸合同时又可以减小冲击

课后练习：P150 练习4.2，4.9

4.2 试述低压电器的主要特点和分类？

答：按使用场所，低压电器分为配电电器和控制电器两大类。

配电电器主要用于配电系统，起对线路的通断、控制、调节和保护作用。

特点：工作可靠，通断能力高，有足够的动、热稳定性。

控制电器主要用于电力驱动控制系统和用电设备，起控制及保护等作用。

特点：工作准确可靠、操作频率高，寿命长。

4.9 接触器常用灭弧装置有哪几种？它们有何特点？

答：1）、陶土灭弧罩：利用触头回路产生电动力拉长电弧，使之与陶土灭弧罩接触，为其冷却而熄灭。这种灭弧罩最简单的灭弧装置，适用于小容量的交流接触器。

2）、栅片灭弧室：主要用于交流接触器，利用电流自然过零时的近阴极效应和栅片

的冷却作用熄弧。

3）、串联磁吹灭弧：主要用于直流接触器和重任务的交流接触器。电弧在磁吹线圈

产生的电动力作用下迅速进入灭弧室，为其室壁冷却而熄弧。

缺点：喷弧距离大，声光效应大，过电压较高；熄灭交流电弧时，可能发生电

弧反吹现象。