Электрические и электронные аппараты распределительных устройств и подстанций горных предприятий

Москва  2019

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра энергетики и энергоэффективности  
горной промышленности

А.В. Ляхомский 
Л.А. Плащанский
С.Н. Решетняк 

Электрические и электронные  
аппараты распределительных 
устройств и подстанций  
горных предприятий 

Учебное пособие

Утверждено Методическим советом НИТУ «МИСиС»

№ 3462

УДК  621.3:622 
Л98

Рецензент
д-р техн. наук, проф. А.Н. Шпиганович  
(Липецкий государственный технический университет)

Ляхомский А.В. 
Л98  
Электрические и электронные аппараты распределительных 
устройств и подстанций горных предприятий : учеб. пособие / 
А.В. Ляхомский, Л.А. Плащанский, С.Н. Решетняк. – М. : Изд. 
Дом НИТУ «МИСиС», 2019. – 144 с.
ISBN 978-5-907061-40-8

В учебном пособии изложены основные определения и классификация 
электрических аппаратов, основополагающие принципы расчета электромагнитных систем, основы теории контактных соединений, включая нагрев 
и охлаждение электрических аппаратов. Рассмотрены электрические аппараты напряжением выше 1 кВ для подстанций и распределительных устройств, 
электрические аппараты для распределительных пунктов напряжением до 
1 кВ, а также классификационные признаки, параметры и характеристики отдельных видов реле. 
Предназначено для студентов направления 21.05.04 «Горное дело» специализация «Электрификация и автоматизация горного производства», бакалавров и магистров, обучающихся по направлению подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиль «Управление энергоресурсами 
предприятий, организаций и учреждений» и рекомендовано 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиль «Электрификация горного производства» и «Энергетический менеджмент».

УДК 621.3:622


А.В. Ляхомский, 
Л.А. Плащанский, 
С.Н. Решетняк, 2019
ISBN 978-5-907061-40-8

НИТУ «МИСиС», 2019

Оглавление

Предисловие ..............................................................................................5
Введение ....................................................................................................6
1. Классификация электрических аппаратов  
и основные определения ........................................................................12
1.1. Классификация электрических аппаратов ................................... 12
1.2. Основные требования, предъявляемые к электрическим 
аппаратам ................................................................................................ 17
1.3. Основные материалы, применяемые  
в электрических аппаратах .................................................................... 20
2. Электромагнитные системы электрических аппаратов ...................23
2.1. Общие сведения .............................................................................. 23
2.2. Основные принципы расчета электромагнитных систем .......... 25
2.3. Расчет магнитных цепей постоянного тока  
без учета потоков рассеяния ................................................................. 27
3. Основы теории контактных соединений ..........................................31
3.1. Классификация контактов,  
основные определения и требования ................................................... 31
3.2. Нагрев и охлаждение частей электрических аппаратов ............. 35
4. Основы теории горения и гашения электрической дуги .................37
4.1. Общие сведения .............................................................................. 37
4.2. Электрическая дуга постоянного и переменного тока ............... 41
4.3. Устройства гашения дуги постоянного и переменного тока ..... 45
5. Электрические аппараты распределительных  
устройств низкого напряжения ..............................................................54
5.1. Общие сведения .............................................................................. 54
5.2. Предохранители .............................................................................. 55
5.3. Неавтоматические выключатели ................................................... 61
5.4. Автоматические выключатели ....................................................... 65
6. Электрические аппараты распределительных устройств 
напряжением выше 1 кВ .........................................................................73
6.1. Общие сведения и классификация ................................................ 73
6.2. Коммутационные высоковольтные аппараты .............................. 75
6.3. Измерительные высоковольтные аппараты ................................. 88
6.4. Ограничивающие высоковольтные аппараты .............................. 95
6.5. Высоковольтные разъединители, отделители, 
короткозамыкатели ............................................................................... 105

7. Устройства релейной защиты ..........................................................108
7.1. Общие сведения и классификация устройства .......................... 108
7.2. Основные параметры, характеристики и требования ................111
7.3. Электромеханические реле ...........................................................113
7.4. Тепловые реле ................................................................................ 128
Библиографический список .................................................................133
Приложения .......................................................................................... 134

ПРЕДИСЛОВИЕ

Широкое применение разнообразных электрических аппаратов на 
предприятиях минерально-сырьевого комплекса вызывает необходимость освоения будущими специалистами вопросов теории аппаратов 
и их применения. 
В учебные планы направления 25.04.01 «Горное дело» («Электрификация и автоматизация горного производства») и направления 
13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» (профиль «Управление энергоресурсами предприятий, организаций и учреждений») 
введен курс «Электрические и электронные аппараты», содержание 
которого должно привить будущим специалистам знания, умения и 
навыки для умелого использования различных электрических и электронных устройств в реальных условиях предприятий с учетом возможных режимов работы линий электроснабжения и потребителей 
электроэнергии.
Существующие учебники по электрическим аппаратам, посвященные вопросам теории, расчета и конструирования, предназначены 
для разработчиков электрических аппаратов. Для специалистов, занимающихся эксплуатацией электрических аппаратов напряжением 
до и выше 1кВ, целесообразно несколько иное освещение материала, 
связанное с выбором и конструктивными особенностями аппаратов в 
специфических условиях горных предприятий. Это побудило авторов 
издать учебное пособие и отразить в нем, наряду с теоретическими 
вопросами, вопросы, относящиеся к изготовлению, назначению и 
устройству аппаратов общепромышленного и специального исполнения, характерного для предприятий угольной, горнорудной, металлургической, нефтяной и газовой промышленности. 
Авторы будут признательны за конструктивные предложения и замечания по улучшению содержания данного пособия. 

ВВЕДЕНИЕ

Электрическая энергия, вырабатываемая источниками электроэнергии, передается на большие расстояния разнообразным и многочисленным потребителям. Распределение электроэнергии между 
приемниками, управление работой источников энергии, линий электропередач и приемников осуществляется с помощью электрических 
аппаратов. 
К электрическим аппаратам (ЭА) относится широкий класс электротехнических устройств, применяемых при производстве, распределении и потреблении электрической энергии. В процессе развития 
электротехники область таких электротехнических устройств и их 
классификация постоянно меняется. В настоящее время под ЭА понимают технические средства управления потоком электрической 
энергии в целях изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических объектов. Функции 
большинства электрических аппаратов осуществляются путем коммутации электрических цепей с различной частотой в зависимости от 
назначения того или иного потребителя. 
Создание и развитие ЭА связано с историей развития электротехники. Большой вклад в развитие электроаппаратостроения был сделан отечественными электротехниками. До 1878 г. все ЭА назывались 
приборами, термин «аппарат» был впервые использован военным 
электротехником Н.А. Азаровым, а с 1879 г. известный русский электротехник П.Н. Яблочков распространил термин «аппарат» на все известные в то время электротехнические устройства: рубильники, переключатели, реле и регуляторы. 
Конец ХIХ в. характерен созданием очень многих образцов электрических аппаратов: сигнальных электромагнитных реле и автоматических выключателей с дистанционным управлением, разработкой 
автоматического регулятора напряжения для возбуждения генераторов, предохранителей (В.Н. Чиколев). В период с 1890 по 1914 г. 
М.О. Доливо-Добровольский предложил пусковой реостат для асинхронных двигателей, высоковольтный плавкий предохранитель, минимально-максимальное токовое реле, автотрансформатор, выключатель-рубильник с пружинными контактами и автоматом.
В 1920 г. в соответствии с планом ГОЭЛРО электротехническая промышленность стала развиваться как самостоятельная отрасль. Пионерами стали такие предприятия как «Электросила», ХЭМЗ и «Динамо». 

С 1925 г. по 1932 г. первым электроаппаратным заводом «Электроаппарат» была разработана целая серия высоковольтных ЭА, затем созданы 
новые конструкции аппаратов на 110 кВ, вентильные разрядники на 
35 кВ, комплектные распределительные устройства, трансформаторы 
тока с фарфоровой изоляцией и др. В начале ХХ в. впервые появились 
выключатели, в которых гашение дуги происходит в атмосфере минерального масла. Поскольку масло помещалось в баке или «горшке», они 
получили название масляных баковых (горшковых). С 1933 по 1937 г. 
были разработаны масляные выключатели на напряжение 220 кВ, быстродействующие реле защиты и аппараты системной автоматики.
В пятидесятые и последующие годы созданы новые типы безмасляных выключателей высокого напряжения на сжатом воздухе, автогазовые и с магнитным дутьем. Особое внимание уделялось разработке комплектных распределительных устройств, быстродействующих 
реле. Все это сопровождалось совершенствованием методов расчета, 
проектирования и конструирования электрических аппаратов. 
Развитие электроаппаратостроения немыслимо без исследования в области электрической дуги. Были заложены основы теории 
электрической дуги (М.О. Доливо-Добровольский, Герта Айртон, 
В.Ф. Миткевич). Наиболее существенные результаты были получены в 20-е годы ХХ в., позволившие в дальнейшем разработать математическую модель дуги с учетом тепловой инерции и теплового 
баланса в различных режимах ее существования; исследовать процесс деионизации при высоком напряжении и переходные процессы 
при изменении дуги (Д.Д. Рожанский, А.Я. Буйлов, Т.А. Буткевич, 
Е.М. Цейров, М.А. Бабиков, О.Б. Брон и др.). В более поздний период 
большой вклад в развитие теории гашения дуги внесли А.М. Залесский, Г.А. Кукеков, И.С. Таев, А.А. Чунихин, Г.Г. Нестеров. 
В целях снижения габаритов и массы были разработаны маломасляные выключатели, в которых масло использовалось только для 
гашения дуги, а изоляция между токоведущими частями обеспечивалась твердыми диэлектриками (фарфор, бакелит). 
Революцией в электроаппаратостроении явилось создание дугогасительного устройства из изоляционного материала с узкими щелями 
и металлической решетки, что в дальнейшем позволило создать деионную решетку со специальными электромагнитами для втягивания дуги 
в щель. 
Повышению коммутационной способности масляных выключателей способствовало погружение деионной решетки в масло, что по

зволило эффективно гасить дугу при высоких напряжениях. В дальнейшем для дугогасительных камер стали применять изоляционные 
материалы. Разлагаясь под действием дуги, они образовывали газ, 
давление повышалось в этих камерах, что способствовало гашению 
дуги. В дальнейшем конструкции с дугогасительными камерами 
были усовершенствованы за счет так называемого масляного дутья, 
которое использовалось в разработанных фирмой General Electric выключателях. 
Параллельно с масляными выключателями разрабатывались воздушные, в которых для гашения дуги использовался сжатый воздух 
под давлением 2…4 МПа (фирма АЕG, Asea Brown Boveri Ltd. (АВВ), 
в СССР – «Электроапарат»). В дальнейшем воздушные выключатели на высокое напряжение и большие токи (до 63 кА) совершенствовались за счет улучшения аэродинамического качества сопловых 
устройств, увеличения числа разрывов дуги путем введения в металлических камер сжатого воздуха. Разрабатывались они также и без 
применения сжатого воздуха с деионными решетками и электромагнитным воздействием на дугу. 
С 1947 г. стали широко вестись работы по исследованию возможности применения шестифтористой серы (синтезирована во Франции 
в 1890 г.) в качестве изоляционной среды для трансформаторов, конденсаторов, кабелей (Б.М. Гохберг, В.Н. Борин и др.). Работы велись 
по изучению электрической прочности газовых промежутков для 
элегазовых аппаратов вдоль поверхностей твердого диэлектрика, изучалась физика пробоя элегаза под воздействием электрических разрядов, что позволяет в настоящее время успешно эксплуатировать высоковольтное электрооборудование с элегазовым заполнением.
Необходимость 
создания 
комплектных 
распределительных 
устройств потребовало интенсификации работ по созданию не только элегазовых выключателей, но и совместного с ним оборудования: 
вводов с элегазовой изоляцией, муфт масло-элегаз, трансформаторов 
тока и напряжения, ограничителей перенапряжения, токопроводов. 
Изменился привод выключателей, что позволило обеспечить их высокое быстродействие.
Развитие дугогасительных систем происходило не только с использованием газового дутья, но и с использованием вакуумных дугогасительных камер. Так как вакуум обладает большой электрической 
прочностью, поддержание дуги в нем происходит не за счет ионизированных частиц газа, а благодаря наличию ионизированных паров 

металлов контактов. Первые попытки создания вакуумных выключателей относятся к 1923 г. (США), однако только в 1960-е годы начался их промышленный выпуск. В нашей стране такие работы велись 
с 1956 г. (В.Л. Грановский и др.) и в настоящее время эксплуатируются вакуумные выключатели на все требуемые параметры напряжением от 3 до 35 кВ с токами до 3150 А (Таврида-электрик, ВЭИ и др.).
Разработка разъединителей велась на напряжение от 6…10 кВ 
(600…800 А) до 1150 кВ (3200 А). Существенную роль в этом сыграли ВЭИ, ЛПИ, заводы «Электроаппарат», «Уралэлектротяжмаш», Великолукский завод высоковольтной аппаратуры.
Первые разрядники осуществляли защиту от атмосферных перенапряжений посредством искрового пробоя воздушного промежутка 
между двумя металлическими электродами. В дальнейшем функции 
разрядников расширились, и они стали применяться для защиты от 
внутренних перенапряжений. Стали использоваться трубчатые разрядники многократного действия, в которых дугогасительная трубка 
выполняется из электроизолирующего материала (фибра, винипласт), 
генерирующего газы, при этом давление повышается, создавая эффект газового дутья. В настоящее время распространение получили 
разрядники на основе нелинейных резисторов, имеющих вентильные 
вольт-амперные характеристики (вилит, тирит, оксид цинка), что привело к созданию ограничителей перенапряжений. 
Для ограничения токов короткого замыкания (КЗ) сетях напряжением (3,3 кВ – напряжение высокопроизводительных механизированных комплексов угольных шахт) 6…10 кВ используют реакторы, а для снижения перенапряжений – шунтирующие реакторы. Для 
увеличения быстродействия устанавливают шунтирующие реакторы 
с подмагничиванием. Используя тиристоры, быстродействие шунтирующих реакторов в настоящее время составляет 0,01 с. при частоте 
50 Гц.
Широкое распространение среди низковольтных аппаратов получили автоматические выключатели и контакторы. Автоматические 
выключатели стали применяться с 20-х годов прошлого века, была 
разработана серия универсальных автоматических выключателей 
типа А2000–А2050 (токи от 200 до 1500 А), быстродействующий автомат типа ВАБ-2. В настоящее время в таких аппаратах широко используются элементы микропроцессорной техники. 
Для управления электроприводами и распределением электроэнергии широко применяются контакторы, отличающиеся большим чис

лом срабатываний. Первые контакторы стали выпускаться фирмами 
AEG и Westinghouse Electric Company в начале ХХ в. В СССР серийный выпуск контакторов начался в 1930-х годах (серии КП-900 и КТ), 
затем К11-500 (постоянный ток) и КТП-500 (переменный ток). Совершенствование контакторов идет в направлении снижения их массы, уменьшения габаритов, повышения быстродействия и увеличения срока службы, ограничения дугообразования в контакторе. Здесь 
особенно следует отметить работы Г.И. Атабекова, Г.В. Буткевича, 
И.С. Таева.
Большие возможности открылись с применением полупроводниковой техники для ограничения дугообразования путем совместного 
использования диодов и тиристоров с электромеханическими контактами (Г.В. Могилевский, А.Г. Сосков). Такие контакторы получили 
название гибридных и они широко выпускаются фирмами: Siemens, 
Телемеханика, Merlin Gerin.
Аппараты управления были широко представлены реостатными регуляторами, магнитными усилителями. В конце 1980-х годов 
были созданы полностью управляемые силовые приборы на токи более 1 кА и напряжением 1 кВ, что позволило разработать импульсные регуляторы большой мощности, управлять которыми возможно 
посредством микропроцессорных устройств. Соединение в единой 
конструкции силовых электронных элементов и микропроцессорных 
устройств управления позволило получить новый вид аппарата – «интеллектуальный» (Ю.К. Розанов и др.).
Для защиты и автоматики используются реле. Первые реле 
были созданы в конце XIX в. для телефонной и телеграфной связи. 
В 30-х годах ХХ в. широко развивается релейная защита, создаются 
реле максимального тока, минимального напряжения, дифференциальные реле, реле мощности. В это же время фирмой AEG разработано индукционное реле, получившее широкое распространение во 
всем мире. В 1920-х годах В.И. Коваленков предложил реле с герметичными контактами или герконы (запатентован в 1942 г. В. Элвидом, США). 
Новый этап в развитии реле различного назначения наступил на основе микроэлектронной техники. Большинство современных реле для 
защиты содержат микропроцессоры, определяющие алгоритмы функционирования реле в зависимости от режимов работы и состояния составных элементов и системы в целом. Информация на реле может поступать от датчиков или блоков управления других подсистем.

Детальное изложение теории и практики применения электрических аппаратов позволит дать будущим специалистам соответствующие знания, привить умения и навыки рационального применения 
электрических аппаратов в соответствии с требуемыми условиями реального производства.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
АППАРАТОВ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1.1. Классификация электрических аппаратов

Электрическим аппаратом называется устройство, предназначенное для выполнения управляющих (коммутационных, защитных, 
контрольно-измерительных, регулирующих) функций по отношению к электроустановкам (по производству, распределению и преобразованию электроэнергии) и объектам с неэлектрическими процессами.
В настоящее время в промышленности нет электромеханических 
и электротехнологических установок, в которых не применялись бы 
те или иные электрические аппараты (ЭА). Электрические аппараты 
представляют собой неотъемлемую часть устройств, выполняющих 
определенные рабочие функции. 
Для представления общей картины многообразия ЭА необходима 
их классификация, которая может быть проведена по ряду признаков: назначению, принципу действия, области применения, роду тока, 
напряжению, способу выполнения управляющих воздействий, воздействию окружающей среды, конструктивным особенностям и др. 
В большинстве случаев ЭА по различным признакам относятся к разным группам.
По назначению или выполняемым функциям аппараты систематизируются по следующим группам.
Коммутационные аппараты предназначены для включения и отключения электрических цепей. В эту группу входят: рубильники, 
пакетные переключатели, выключатели нагрузки, выключатели, разъединители, отделители, короткозамыкатели и др. Характерные конструктивные элементы аппаратов этой группы – коммутирующие 
контакты, рассчитанные на определенные нагрузки в зависимости от 
режимов работы электроустановок.
Ограничивающие аппараты предназначены для ограничения перенапряжения (разрядники) и токов короткого замыкания (реакторы). 
Характерная особенность аппаратов этой группы – наличие элементов, демпфирующих переходные процессы в электроустановках.
Пускорегулирующие аппараты предназначены для управления 
(пуска, регулирования частоты вращения, напряжения, тока) электроприводами или другими потребителями электрической энергии.