Электрические аппараты

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
АППАРАТЫ

Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебного пособия для студентов учебных заведений,
реализующих программу среднего профессионального образования 
по укрупненной группе специальностей 
13.02.00 «Электроэнергетика и электротехника»

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 621.316(075.32)
ББК 31.264я723
 
Щ61

Щербаков Е.Ф.
Щ61  
Электрические аппараты : учебное пособие / Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров. — 
Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 303 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-00091-561-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014013-1 (ИНФРА-М)

В пособии рассмотрены процессы в механических электрических аппаратах, конструкции 
аппаратов, основы производства и эксплуатации, выбор аппаратов.
Учебное пособие предназначено для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по укрупненной группе специальностей 13.02.00 
«Электроэнергетика и электротехника», также может быть использовано в процессе обучения 
студентами высших учебных заведений и будет полезно специалистам, занятым проектированием и эксплуатацией систем электроснабжения и электропотребления предприятий.

УДК 621.316(075.32)
ББК 31.264я723

Р е ц е н з е н т ы:
Е.В. Бондаренко — кандидат технических наук, профессор Ульяновского государственного технического университета;
Л.С. Лмброзевич — кандидат технических наук, доцент Ульяновского государственного университета

ISBN 978-5-00091-561-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014013-1 (ИНФРА-М)

© Щербаков Е.Ф., 
Александров Д.С, 2014
© ФОРУМ, 2014

Список основных сокращений

АВ — включающий аппарат

АГП — автоматический выключатель (автомат) гашения поля

АПУ — автоматический пульт управления испытаниями

БПР — блок полупроводникового расцепителя

ВА — выключатель автоматический

ВАХ — вольтамперная характеристика

ВН — восстанавливающееся напряжение

ВО — выключатель оперативный

ВТТ — воздушный трансформатор тока

ГПП — главная трансформаторная подстанция предприятия

ЗРУ — закрытое распределительное устройство

ИА — испытуемый аппарат

ИВН — индикатор восстанавливающегося напряжения

КЗ — короткое замыкание

КРУ — комплектное распределительное устройство

КРУН — комплектное распределительное устройство наружной установки

КСУ — комплектная станция управления

КТП — комплектная трансформаторная подстанция

МДС — магнитодвижущая сила

МКЗ — металлическое короткое замыкание

МРК — момент размыкания контактов

МСР — механизм свободного расцепления

НКУ — низковольтное комплектное устройство

О, ВО, О — ВО — ВО — коммутационные операции: О (отключение), ВО (включение — отключение), О — ВО — ВО (отключение — включениеотключение — включениеотключение)

ОВ — обмотка возбуждения

ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя

ОПН — ограничитель перенапряжения

ОРУ — открытое распределительное устройство

ПВ — продолжительность включения

ПКС — предельная коммутационная способность

ПП — преобразовательная подстанция

ПР — пункт распределительный низкого напряжения

РВ — разрядник вентильный

РЗА — релейная защита и автоматика

РП — распределительный пункт высокого напряжения

РУ — распределительное устройство

РУНН — распределительное устройство низкого напряжения

СЭП — система электропотребления

СЭС — система электроснабжения

ТВЭ — токоведущий элемент

ТКС — температурный коэффициент сопротивления

ТП — трансформаторная подстанция

ТЭДС — термоэлектродвижущая сила

УРЗА — устройство релейной защиты и автоматики

ЦРП — центральный распределительный пункт

ЭДС — электродвижущая сила

4
Список основных сокращений

Предисловие

Электрическая энергия используется во всех отраслях экономики, в первую

очередь в промышленном и сельскохозяйственном производствах, строительстве, добывающих отраслях, на транспорте, в быту. При производстве, передаче и
распределении электроэнергии повсеместно используются электрические аппараты как устройства, управляющие потоком электроэнергии. Особая роль принадлежит аппаратам, выполняющим функции коммутации (включения и отключения) электрических цепей и защиты электроустановок. Среди них первое место занимают контактные аппараты.

Для производства и эксплуатации электрических аппаратов нужны грамотные специалисты — инженеры и техники. Однако в последние годы литература
по электрическим аппаратам не издавалась. Студенты и специалисты в основном
пользуются литературой, изданной в советское время. Последним доступным изданием является учебник «Электрические и электронные аппараты», подготовленный кафедрой Московского энергетического института в 2001 г.

Изданием настоящей книги предпринята попытка восполнить дефицит в литературе, необходимой для подготовки специалистов, а также для проектирования, испытания электрических аппаратов и их эксплуатации.

Книга содержит три раздела. В первом разделе «Физические процессы в

электрических аппаратах» излагаются вопросы теории электрических аппаратов». Во втором разделе «Конструкции электрических аппаратов» рассматриваются конструкции контактных коммутационных и защитных аппаратов, применяемых в системах электроснабжения и электропотребления на предприятиях.

Третий раздел «Основы производства и эксплуатации электрических аппаратов» знакомит с основами производства, испытаниями аппаратов в процессе
производства, основами выбора коммутационных и защитных аппаратов для
систем электроснабжения и электропотребления. Приводятся основы монтажа и
эксплуатации электрических аппаратов.

Структура книги определилась из следующих соображений.
Для создания электрических аппаратов необходимы знания основных физических явлений и законов, которые положены в основу принципа действия аппарата (первый раздел).

С использованием этих знаний создаются конструкции новых аппаратов,

опираясь на известные конструкции (второй раздел).

Созданные аппараты должны пройти необходимые испытания и быть допущены к производству, и потом проходить регулярно периодические и типовые
испытания.

Освоенные производством аппараты должны быть правильно выбраны при

проектировании и реконструкции систем электроснабжения и электропотребления, выполнен их монтаж и организована их эксплуатация в этих системах (третий раздел).

Книга предназначается в качестве учебника для студентов электротехнических специальностей вузов и техникумов, может быть полезной специалистам —
инженерам и техникам, занимающимся проектированием и испытанием электрических аппаратов, их эксплуатацией.

Введение, главы 1—6, 9—12, 14—20, 22—27, написаны Е.Ф. Щербаковым,

главы 7, 8, 13 и 21 — Д.С. Александровым

Авторы выражают благодарность рецензентам профессору Е.В. Бондаренко

и доценту А.С. Амброзевичу за ряд ценных замечаний, учтенных при подготовке
учебника.

6
Предисловие

Введение

В системах электроснабжения промышленных предприятий, строек, предприятий добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности и сельского хозяйства, электрифицированного транспорта, городских и сельских населенных пунктов и других объектов (в дальнейшем — предприятий) наряду с
электрическими машинами и трансформаторами широко применяются электрические аппараты. Они являются связующим звеном между источниками и приемниками электрической энергии. С первых шагов промышленного использования электроэнергии возникла необходимость в устройствах управления электроустановками для производства, распределения и потребления электроэнергии,
а также для защиты электроустановок от ненормальных режимов работы. Все эти
функции выполняют электрические аппараты.

От знания физических процессов, протекающих в них при различных режимах работы, правильности выбора аппаратов в системах электроснабжения зависят надежность обеспечения потребителей электроэнергией, экономические показатели электроснабжения и электропотребления.

В электрических аппаратах при их работе наблюдаются следующие физические процессы: нагрев и охлаждение токоведущих и соседних с ними частей, старение изоляции, возникновение электромеханических (электромагнитных, электродинамических, индукционных) явлений, возникновение электрической дуги
при размыкании контактов и процессы ее гашения, износ (эрозия) контактов
при размыкании дуги и механический износ деталей механизмов аппарата.

Назначение и классификация электрических аппаратов

Электрическим аппаратом называется электротехническое устройство, предназначенное для управления потоком электрической энергии.

Любой электрический аппарат представляет собой совокупность токоведущих частей, способных замыкать и размыкать электрическую цепь, разделенных
между собой и от соседних конструкций надежной изоляцией, механизмов для
управления режимом работы и устройств для обеспечения надежности работы.

Классификация электрических аппаратов проводится по ряду признаков: по

функциональному назначению; области применения; роду тока и величине напряжения; исполнению защиты от внешних воздействий окружающей среды;
конструктивным особенностям.

По функциональному назначению аппараты делятся на:
• коммутационные, предназначенные для коммутации (включения и отключения) электрических цепей. К ним относятся выключатели, разъединители, контакторы и др.;

• защитные, выполняющие защиту электрических сетей и электрооборудования от перегрузок, токов короткого замыкания и других ненормальных
режимов работы (автоматические выключатели, предохранители);

• пускорегулирующие, осуществляющие пуск, регулирование частоты вращения, тока и напряжения электрических машин (контакторы, пусковые и
регулирующие реостаты);

• ограничивающие, предназначенные для ограничения тока (резисторы), в

том числе при коротких замыканиях (реакторы) и перенапряжений (разрядники);

• контролирующие, выполняющие контроль заданных электрических и неэлектрических параметров (реле, датчики). Применяются в системах автоматического управления;

• регулирующие и стабилизирующие, предназначенные для автоматического

регулирования заданного параметра по определенному закону или его стабилизации (регуляторы, стабилизаторы);

• измерительные, предназначенные для расширения пределов измерения

приборов и отделения цепей измерительных приборов от цепей главного
тока (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения).

По областям применения аппараты можно разделить на аппараты распределения электроэнергии высокого и низкого напряжения и аппараты управления
приводами и электротехнологическими установками. Это разделение условное,
так как многие аппараты применяются в установках распределения электроэнергии и в устройствах управления (например, автоматические выключатели, контакторы, трансформаторы тока, реле).

По роду тока аппараты делят на аппараты постоянного и переменного тока.

По напряжению — аппараты низкого напряжения (до 1000 В) и аппараты высокого напряжения (выше 1000 В). В распределительных сетях предприятий напряжение выбирается из ряда 380/220, 660, 1140 В; 6, 10, 20 кВ.

Номинальный ток аппаратов выбирается из ряда: 10; 16; 25; 40; 63; 100 А (основной ряд — Ra5) или 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 А (расширенный ряд — Ra10) с учетом дробных или кратных значений от 0,1 до 10 000 А
(приведенные значения токов умножаются или делятся на 10 и на 100).

По исполнению защиты от окружающей среды аппараты изготавливают в

оболочках и без оболочек.

По принципу работы аппараты делят на контактные и бесконтактные.
По способу действия — электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, тепловые и др. Электрические аппараты могут быть разделены и по
другим признакам (способу гашения дуги, быстродействию, использованию определенных эффектов). По виду привода — с ручным и двигательным приводом
(электродвигательным, электромагнитным, электродинамическим, пневматическим и т. п.). Аппараты могут иметь 1—3 полюса.

8
Введение

В настоящей работе рассматриваются механические в основном контактные

коммутационные и защитные аппараты, применяемые в распределительных устройствах системах электроснабжения и электропотребления.

Условия эксплуатации коммутационных и защитных аппаратов

Электрический коммутационный аппарат, как непременное звено в цепи между источником и приемником электрической энергии, практически имеется во
всех электроустановках. В наиболее сложных условиях эксплуатируются аппараты, работающие на морских и космических кораблях, на подвижных наземных
объектах, в шахтах или высоко над уровнем моря.

Как правило, аппараты встраиваются в комплектные распределительные

устройства или устройства управления электроприемниками, где имеется дополнительный подогрев и ухудшение условий теплоотдачи. В то же время часто аппараты эксплуатируются на открытом воздухе при повышенной или пониженной температурах с высокой влажностью. Аппараты в процессе эксплуатации
могут оказаться в химически активной среде, в условиях воздействия одиночных
ударов или вибраций.

Требования, предъявляемые к аппаратам, должны учитывать условия их эксплуатации и режимы работы.

Режимы работы коммутационных и защитных аппаратов

Коммутационные и защитные аппараты в системах электроснабжения и

электропотребления работают в нормальных и аварийных режимах. К нормальным режимам относятся режимы при номинальном напряжении и при токах, не
превышающих номинальные значения. Режим работы аппаратов соответствует
одному из режимов работы электроприемников — продолжительному, кратковременному, повторно — кратковременному. Аварийные режимы сопровождаются резким повышением тока в цепи (при коротких замыканиях), исчезновением или резким повышением напряжения (кратковременные перенапряжения,
например, коммутационные). Защитные аппараты должны осуществлять защиту
электрических сетей и оборудования от аварийных режимов. Особенно опасным
являются короткие замыкания (КЗ). В цепях постоянного тока при коротком замыкании ток быстро достигает максимального значения Im (рис. А).

Этот ток называется ударным. По нему определяют электродинамическую

стойкость коммутационного аппарата постоянного тока. Ударный ток достигает
своего значения за время t1. За время t2 ток КЗ отключается (iоткл). Начальная
скорость нарастания тока характеризуется tg α, где α — угол между касательной к
кривой тока в начале координат и осью времени t. Величина tg α зависит от индуктивности короткозамкнутой цепи. Чем больше индуктивность, тем меньше
скорость нарастания тока.

В сетях переменного тока значение полного тока КЗ iк определяется как сумма двух составляющих: периодической iп и апериодической ia (рис. В).

Введение
9

Периодическая составляющая изменяется с частотой 50 Гц по синусоидальной кривой. Апериодическая составляющая постепенно уменьшается по величине (затухает). Продолжительность затухания зависит от величины индуктивного
сопротивления контура короткого замыкания и составляет 0,2—0,5 с.

В момент короткого замыкания наибольшее действующее значение апериодической составляющей тока короткого замыкания равно начальному амплитудному значению периодической составляющей:

I
I е
I е

t
T

R
L

t

а
п
п
=
=

−
−

2
2
,

где Т — постоянная времени затухания апериодической составляющей; L — индуктивность; R — активное сопротивление контура короткого замыкания.

10
Введение

Рис. А. Изменение тока короткого замыкания в сети постоянного тока:

Im — ударный ток; iоткл — ток отключения; t1 — время нарастания тока до ударного значения; t2 — время отключения; α — угол между касательной к кривой тока в начале координат и осью времени t

Рис. В. Изменение тока короткого замыкания в сети переменного тока:

iкз — ток короткого замыкания; iп — периодическая составляющая тока; iа — апериодическая составляющая тока; iуд — ударное значение тока; iуст — установившееся значение тока

Мгновенное значение полного тока КЗ it в любой момент времени определяется суммой двух составляющих:

i
I
t
I
t
a
=
+
+
2
п cos(
)
ω
ϕ
.

Наибольшего значения полный ток КЗ iy достигнет за половину периода

(0,01 с) от начала короткого замыкания:

iу =
2
2
1
2
2
I
I e
e
I k
I

R
L

t
R
L

t

п
п
п
у
п
+
=
+

−
−

(
)
.

Такой ток называется ударным током короткого замыкания.
Режим, в течение которого апериодическая составляющая тока КЗ затухает

до нуля, называется переходным режимом. По окончании переходного режима
начинается установившийся режим. Ток короткого замыкания в установившемся режиме называется установившимся током КЗ.

В системе с неограниченной мощностью установившийся ток КЗ равен периодическому току КЗ (Iк = Iп).

Коммутационный аппарат, предназначенный для защиты электрических сетей и электрооборудования от коротких замыканий, должен пропускать без повреждений, препятствующих его дальнейшей работе, ударный ток КЗ, который
может возникнуть в защищаемой сети. Способность коммутационного аппарата
выдерживать во включенном состоянии предельный сквозной ток называется
электродинамической стойкостью аппарата. Амплитудное значение предельного
сквозного тока, на которое рассчитан аппарат, не должно быть меньше ударного
тока КЗ в цепи, в которой он установлен.

Коммутационные аппараты характеризуются коммутационной способностью,

которая включает в себя наибольшие включающую и отключающую и критическую отключающую способности.

Наибольшая включающая способность аппарата — это способность аппарата

включать наибольшее амплитудное значение тока в цепи, для которой он предназначен. Наибольшая отключающая способность — способность аппарата отключать амплитудное значение тока КЗ в цепи, для которой он предназначен. Наибольшая отключающая способность аппарата должна быть не ниже установившегося тока КЗ в цепи, для которой он предназначен. Критическая отключающая
способность аппарата выражается зоной действующих значений токов, которые
аппарат не способен отключить. Желательно, чтобы таких зон у аппарата не было.

Наибольшее действующее значение тока короткого замыкания Iка, протекающего через аппарат в течение времени действия защиты от коротких замыканий tз, определяет термическую стойкость аппарата. При этом должно быть
обеспечено условие:

I
t
ка з
2
Iк

2tк ,

где Iка — ток КЗ, протекающий через аппарат; tз — время действия защиты (суммарное время действия релейной защиты и отключающих аппаратов); Iк — устаВведение
11