Електричний апарат

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Малогабаритний контактор для монтажу на DIN рейку
Магнітний пускач для запуску електропривода
Високовольтний масляний вимикач навантаження МКП-110 на залізничній тяговій підстанції 110 кВ 50 Гц/3,3 кВ постійного струму
Апарат захисту електродвигуна та його умовне позначення на електричних схемах

Електри́чний апара́т (англ. electrical apparatus) — електротехнічний пристрій, призначений для зміни, регулювання, вимірювання та контролю електричних і неелектричних параметрів різних пристроїв, машин, механізмів тощо, а також для їх захисту від надструмів і перенапруг при неприпустимих або аварійних режимах роботи та захисту людей, майна і довкілля в процесі виробництва, транспортування, перетворення, розподілення та споживання електричної енергії.

Основні функції електричних апаратів[ред.ред. код]

Основними функціями електричних апаратів є комутація, керування, контроль, обмеження та захист технічних об'єктів. Кінцевою дією будь-якого електричного апарата є вмикання або вимикання струму в електричному колі за допомогою комутаційного елементу, яким може бути контакт, що замикається або розмикається, або напівпровідниковий пристрій, що змінює свій опір під дією зовнішнього впливу.

Електричні апарати використовуються в системах захисту електричних мереж, в пуско-регулювальних пристроях, що застосовуються в різних виробничих процесах (особливо швидкоплинних), транспортних засобах, системах автоматики і телемеханіки, зв'язку тощо. Вимоги, що ставляться до електричних апаратів визначаються областю їх застосування, призначенням, режимами роботи та іншими факторами.

Класифікація електричних апаратів[ред.ред. код]

За призначенням[ред.ред. код]

Відповідно до призначення електричні апарати поділяються на класи[1]:

  • комутаційні апарати — апарати, що здійснюють комутацію електричних кіл при розподіленні електричної енергії при нормальних режимах роботи, коли дія електричного апарату пов'язана зі зміною режимів роботи кола, подаванням і зняттям напруги, або для відключення кола в аварійному режимі. До цього класу відносяться відносно прості неавтоматичні апарати (наприклад, кнопки керування, рубильники, роз'єднувачі, пакетні вимикачі,) і складні автоматичні пристрої (наприклад, високовольтні вимикачі). Частота операцій, що здійснюється електричними апаратами цього класу відносно невелика — від 1 операції на рік до декількох операцій на добу;
  • апарати керування — апарати, що здійснюють керування обладнанням — електричними машинами, технологічними об'єктами і застосовуються при автоматизації виробничих процесів). Це у першу чергу пускорегулювальні апарати, що служать для запуску, регулювання частоти обертання і зупинки електричних машин, або ж для увімкнення та вимкнення споживачів електроенергії, а також регулювання процесу споживання енергії. До цього класу електричних апаратів відносяться: контактори, контролери, магнітні пускачі, реостати, електричні дроселі та ін. Деякі з них можуть бути віднесені до комутаційних (наприклад, магнітні пускачі, контролери), але відрізняються від них відносно більшою частотою виконання операцій — до декількох сотень або тисяч операцій на годину;
  • апарати захисту — апарати, що забезпечують захист людей, тварин, майна та довкілля від шкідливої дії електричної енергії. До цього класу електричних апаратів відносяться відмикачі, керовані різницевими струмами;
  • обмежувальні апарати — апарати, що забезпечують обмеження надструмів та перенапруг у мережах і служать для захисту електричних кіл в аварійних режимах роботи від струмів перевантажень або для обмеження діючих значень струмів короткого замикання. До цього класу електричних апаратів відносяться електричні реактори, плавкі запобіжники, розрядники тощо;
  • апарати контролю — апарати, що здійснюють моніторинг електричних і не електричних параметрів технологічних процесів та сигналізують про їх стан. До цього класу відносяться реле і давачі. Для реле характерним є плавна зміна вхідної величини, що викликає стрибкоподібну зміну вихідного електричного сигналу. Використовують для зміни і контролю заданих електричних параметрів і для впливу на кола керування. Вихідний сигнал зазвичай робить вплив на систему автоматики. Інформація про зміну параметрів може надходити від вимірювальних трансформаторів або перетворювачів;
  • регулювальні апарати використовуються в електричних колах для регулювання за заданим законом або підтримання на заданому рівні значень певних параметрів (наприклад, регулятори, що підтримують незмінними струм або напругу — електричні стабілізатори);
  • вимірювальні апарати призначені для вимірювання великих струмів і напруг з використанням стандартних вимірювальних приладів. За допомогою цих апаратів кола первинної комутації ізолюються від кіл приладів вимірювання і захисту. До вимірювальних апаратів відносяться трансформатори струму, трансформатори напруги, ємнісні подільники напруги тощо. Застосування вимірювальних електричних апаратів дозволяє забезпечити надійне гальванічне розділення вторинних кіл (вимірювання і захисту) і первинних високовольтних кіл.

Поділ електричних апаратів на класи згідно їх призначенню є досить умовним, оскільки багато апаратів мають ознаки, які дозволяють відносити їх до різних груп. Наприклад, вимикачі-роз'єднувачі, комбіновані із запобіжниками, можуть бути віднесені і до комутаційних апаратів, і до апаратів керування, і до апаратів захисту

За номінативною напругою[ред.ред. код]

Достатньо об'єктивною є класифікація електричних апаратів за їх номінативною напругою, яку встановлює виробник, причому номінативна напруга апарата повинна відповідати значенню номінальної напруги мережі, у якій має працювати апарат з урахуванням визначених виробником умов.

За цією ознакою апарати поділяють так:

  • апарати низької напруги тобто апарати з номінативною напругою до ~1000 В (змінного струму) або до 1500 В (постійного струму);
  • апарати середньої напруги — від ~1000 В до 35 кВ (верхня границя у деяких країнах є вищою — до ~52 кВ) або від 1,5 кВ до 5 кВ;
  • апарати високої напруги (вище верхньої границі середніх напруг, причому апарати високої напруги — це переважно апарати змінного струму).

Апарати низької, середньої та високої напруги суттєво відрізняються за номенклатурою, конструкцією й умовами роботи, тому, хоча будь-який апарат може мати декілька номінативів (рейтингів) напруги, усі ці значення для даного апарата ніколи не виходять за межі одного діапазону.

За типом комутаційного елемента[ред.ред. код]

Відповідно до типу комутаційного елемента електричні апарати поділяють на такі класи:

  • електромеханічні електричні апарати;
  • напівпровідникові електричні апарати;
  • гібридні електричні апарати.

Електромеханічні[ред.ред. код]

Електромеханічні комутаційні апарати (англ. mechanical switching device) замикають та розмикають електричні кола за допомогою контактів, причому будь-який з цих апаратів може бути визначений відповідно до середовища, де його контакти розмикаються та замикаються, наприклад повітряний, елегазовий, вакуумний тощо.

Розрізняють електромеханічні апарати з ручним та не ручним (електромагнітні, електропневматичні тощо) керуванням.

Головними перевагами електромеханічних комутаційних апаратів є можливість забезпечення так званої функції роз'єднання та незначне падіння напруги на замкнених контактах при проходженні через них робочого струму.

Головними недоліками електромеханічних комутаційних апаратів є наявність рухомих частин (а відтак — зниження надійності цих апаратів) та виникнення на контактах при їх розмиканні електричної дуги, яка не тільки призводить до небажаних ефектів — теплового, світлового та звукового, а й суттєво зношує контакти, скорочує ресурс роботи апарата.

Напівпровідникові[ред.ред. код]

Напівпровідникові комутаційні апарати (англ. semiconductor switching device) призначені для вмикання струму в електричних колах за допомогою керування провідністю напівпровідника. В напівпровідникових апаратах постійного струму для комутації електричних кіл зазвичай застосовують транзистори (найчастіше IGBT) або двоопераційні тиристори, а в апаратах змінного струму — тиристори різних типів та симістори.

Висока швидкодія напівпровідникових комутаційних апаратів змінного струму є їх безумовною перевагою. Іншими перевагами цих апаратів є відсутність будь-яких рухомих частин, а відтак і відсутність проблеми механічної зносостійкості, та відсутність електричної дуги при комутації електричних кіл, отже і відсутність створюваних дугою ефектів — теплового, світлового та звукового.

Поряд із зазначеними перевагами, напівпровідникові комутаційні апарати мають й суттєві недоліки:

  • відсутність функції роз'єднання. Функція роз'єднання в напівпровідникових комутаційних апаратах не може бути забезпечена, оскільки напівпровідникові прилади не гарантують відсутності струмів витоку та не витримують імпульсних перенапруг високого рівня;
  • велике падіння напруги на комутаційному елементі. Пряме падіння напруги у напівпровідниковому комутаційному елементі є набагато більшим аніж у контактному елементі і становить 1 … 3 В. Отже, при струмі 100 А та падінні напруги 2 В потужність втрат енергії у цьому комутаційному елементі становитиме 200 Вт, а коефіцієнт корисної дії зменшиться до 99,09%. Таке збільшення втрат (у 50 разів більших, ніж у контактному елементі) має не тільки економічні наслідки, а й може призвести до неприпустимого нагрівання апарата. Щоб цього не сталося, до конструкції напівпровідникового комутаційного апарата вводять радіатори, вентилятори тощо, а це призводить до збільшення габаритів апарата та його вартості ;
  • великі габарити і вартість;
  • низька перевантажувальна здатність;
  • чутливість до температури середовища;
  • чутливість до перенапруг;
  • схильність до процесу старіння;
  • створення радіоперешкод.

У напівпровідникових комутаційних апаратах, зокрема у контакторах, не виникає електрична дуга, відтак вони мають суттєві переваги над електромеханічними апаратами при роботі у вибухонебезпечному середовищі.

Гібридні[ред.ред. код]

Гібридні комутаційні апарати (англ. hybrid switching device) — це апарати, у головних колах яких застосовуються як контактні елементи, так і напівпровідникові прилади. У ввімкненому стані струм головного кола тече переважно через контактні елементи, а при вимиканні струм перетікає у паралельні контактам гілки головного кола, де розташовані напівпровідникові комутаційні пристрої, які й здійснюють відмикання струму.

Таким чином, гібридні апарати у певній мірі поєднують переваги електромеханічних та напівпровідникових апаратів — малі втрати енергії у робочому стані, а також високу швидкодію та практичну відсутність електричного зносу контактів.

Інші класифікації[ред.ред. код]

Крім наведених вище, електричні апарати класифікуються:

  • за родом струму існують апарати, що працюють винятково у колах змінного струму або тільки у колах постійного струму, існує також велика кількість різновидів апаратів, що можуть працювати як у колах змінного струму, так і у колах постійного струму[2].
  • за ступенем захисту[3] (DIN 40050[4], ГОСТ 14254-96[5]) від дотику обслуговуючого персоналу з струмопровідними чи рухомими частина та виключення потрапляння в апарати чужорідних тіл від IP00 (відкритого виконання) до IP67 (герметичне виконання)[6] ;
  • за видом впливу механічних і кліматичних факторів, що регламентуються ГОСТ 15150—69[7] та ГОСТ 15543—70[8]: У (для помірного клімату), УХЛ (для помірного холодного клімату), Т (для сухого і вологого тропічного клімату) тощо.

Примітки[ред.ред. код]

  1. Клименко Б. В. 2012, С.86-96.
  2. Клименко Б. В. 2012, С.87.
  3. IEC 60529: Degrees of protection provided by enclosures (IP Code) // International Electrotechnical Commission, Geneva.
  4. DIN 40050-9: Straßenfahrzeuge; IP-Schutzarten; Schutz gegen Fremdkörper, Wasser und Berühren; Elektrische Ausr üstung [Road vehicles; degrees of protection (IP-code); protection against foreign objects, water and impact; electrical equipment]. May 1993. (an English translation of the German original is available from DIN)
  5. ГОСТ 14254-96 (МЭК 529-89) Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP).
  6. Чунихин А. А. 1988, С.8-9.
  7. ГОСТ 15150-69 Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
  8. ГОСТ 15543-70 (1983) Изделия электротехнические. Исполнения для различных климатических районов. Общие технические требования в части воздействия климатических факторов внешней среды.

Джерела[ред.ред. код]

  • ГОСТ 17703-72 Аппараты электрические коммутационные. Основные понятия. Термины и определения.
  • ДСТУ 2304-93 Апарати комутаційні електричні. Вимикачі. перемикачі. Терміни та визначення.
  • ДСТУ 2936-94 Реле електричні. Терміни та визначення.
  • ДСТУ 2993-95 (ГОСТ 2933-93) Апарати електричні низьковольтні. Методи випробувань.
  • Клименко Б. В. Електричні апарати. Електромеханічна апаратура комутації, керування та захисту. Загальний курс: навчальний посібник. — Х.: «Точка», 2012. — 340 с. ISBN 978-617-669-015-3
  • Клименко Б. В. Комутаційна апаратура, апаратура керування, запобіжники. Терміни, тлумачення, коментарі. — Навчальний посібник. — Х.: «Талант», 2008. — 228 с.
  • Чунихин А. А. Электрические аппараты. — М. Энергоатомиздат 1988. — 720 с. ISBN 5-283-00499-6