Электрические аппараты в системе электроснабжения. Том 1. Теория электрических аппаратов

 
 
 
 
А. И. ГАРДИН 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ В СИСТЕМЕ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
 
Учебнопрактическое пособие 
 
В трех томах 
 
 
ТОМ 1 
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда  
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.31.031 
ББК 31.2 
Г20 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор кафедры силовой электроники  
ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» А. Б. Лоскутов; 
кандидат технических наук, заведующий кафедрой электроэнергетики,  
электроснабжения и силовой электроники ФГБОУ ВО «Нижегородский  
государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева»  
А. А. Севостьянов 
 
 
 
 
Гардин, А. И. 
Г20  
Электрические аппараты в системе электроснабжения : учебнопрактическое пособие. В трех томах. Т. 1. Теория электрических аппаратов / А. И. Гардин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 300 с. : 
ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2157-7 
 
Изложены вопросы применения электрических аппаратов в системах 
электроснабжения промышленных предприятий: правила выполнения и 
анализа электрических схем с электрическими аппаратами, основы теории электрических аппаратов, конструкция электрических аппаратов, 
технические характеристики, выбор электрических аппаратов, использование электрических аппаратов низкого напряжения (до 1000 В). Приведены задания и варианты контрольных работ, методические указания  
по их выполнению, вопросы для проверки знаний. 
Для студентов направления подготовки бакалавров 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» для профилей обучения «Электроснабжение и релейная защита», «Электроэнергетические системы и сети» всех 
форм обучения. 
 
УДК 621.31.031 
ББК 31.2 
 
 
ISBN 978-5-9729-2157-7 
” Гардин А. И., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

 
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 
 
 
АВ 
- автоматический воздушный выключатель 
АД  
- асинхронный двигатель  
ВН  
- высокое напряжение  
ВРУ 
- вводное распределительное устройство 
ГПП  
- главная понизительная подстанция  
ГРЩ 
- главный распределительный щит 
ДСП  
- дуговая сталеплавильная печь  
КБ  
- конденсаторная батарея  
КЗ 
- короткое замыкание 
КС 
- контактная сварка 
КРУ 
- комплектное распределительное устройство 
ЛЭП  
- линия электропередач  
МЭК 
- международная электротехническая комиссия 
НКУ 
- низковольтное комплектное устройство 
НН  
- низкое напряжение  
ПКЭ  
- показатель качества электроэнергии  
ПУЭ 
- правила устройства электроустановок 
РП 
- распределительный пункт 
РУ  
- распределительное устройство  
РЩ 
- распределительный щит 
СП 
- силовой пункт 
СЭС 
- система электроснабжения 
ТП  
- трансформаторная подстанция  
ТПЧ  
- тиристорный преобразователь частоты  
ТТ 
- трансформатор тока 
ТТР 
- твердотельное реле 
УЗД 
- устройства защиты и управления электродвигателями 
УЗИП 
- устройство защиты от импульсных перенапряжений 
УЗО  
- устройство защитного отключения  
ШАВР 
- шкаф автоматического ввода резерва  
ШРЭ 
- шкаф распределения электроэнергии  
ЩАП 
- щит аварийного переключения  
ЩСН 
- щит собственных нужд  
ЭДС 
- электродвижущая сила 
ЭМС  
- электромагнитная совместимость  
ЭП 
- электроприемник 
ЭСУ 
- электросварочная установка 
ЭТУ 
- электротехнологические установки 
ЭЭ 
- электрическая энергия 
 
3 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
В учебно-практическом пособии приведен опорный конспект лекций 
по дисциплине «Электрические и электронные аппараты», задания к практическим (контрольным) работам и методические указания по их выполнению. Основное внимание уделяется вопросам применения электрических аппаратов в системе электроснабжения на напряжение до 1000 В. 
Материал размещен в трех частях с тематическими наименованиями: 
«Теория электрических аппаратов», «Аппараты защиты», «Аппараты 
управления».  
В первой части (томе) изложены вопросы применения электрических 
аппаратов в системах электроснабжения промышленных предприятий: 
правила выполнения и анализа электрических схем с электрическими аппаратами, анализ режимов работы электроприемников в электрической 
сети, основы теории электрических аппаратов, конструкция электрических аппаратов, технические характеристики, выбор электрических аппаратов и использование электрических аппаратов низкого напряжения. 
Приведены задания и варианты контрольных работ, методические указания по их выполнению, вопросы для проверки знаний. В глоссарии размещено описание более 50 основных терминов и понятий по дисциплине. 
В библиографический список включена основная учебная литература. 
Приложение содержит описания и технические характеристики основных 
электрических аппаратов, которые необходимы для выполнения контрольных работ. 
Во второй части (томе) продолжаются разделы опорного конспекта 
лекций. Изучаются аппараты защиты от сверхтоков (предохранители, автоматические воздушные выключатели, устройства защитного отключения). Рассмотрены вопросы их применения в электроустановках промышленных предприятий; жилых, общественных, административных и бытовых зданий: принцип действия, конструкция, технические характеристики. 
Показано, каким образом выбираются электрические аппараты для защиты электроприемников и электрических сетей от ненормальных режимов 
работы, а также защиты человека. Приведены контрольные задания.  
В третьей части (томе) изучаются вопросы применения электрических аппаратов управления в электрических сетях, электростанциях и системах электроснабжения промышленных предприятий. Рассмотрены 
принципы действия аппаратов, конструкции и основные технические характеристики. Приводятся варианты заданий для курсовой работы и методические указания по ее выполнению. 
4 

Дисциплина «Электрические аппараты» изучается студентами с момента образования кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» в 1964 году. Первые преподаватели Г. А. Штейнике 
[12, 13] до 1973 года, Л. Н. Червяков до 1986 года. Ведущие лекторы курса: с 1986 по 1988 год - И. Г. Крахмалин, с 1981 по 1996 год - А. И. Гардин, с 1997 по 2007 год - А. В. Гурьев, с 2008 год по настоящее время -  
А. И. Гардин (в этот период был создан основной материал пособия [2, 3, 
16]). 
С учетом специфики специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» дисциплина «Электрические аппараты» по согласованию с Ученым советом ВУЗа в разные годы имела наименование «Специальные вопросы электроснабжения», «Цеховые электроприемники, их 
защита и управление». Тем самым подчеркивался прикладной характер 
использования электрических аппаратов в системе электроснабжения.  
В этом ключе сформирован материал настоящего издания «Электрические 
аппараты в системе электроснабжения».  
Автор благодарен всем, кто в разные периоды принимал участие в 
совершенствовании курса обучения по дисциплине «Электрические аппараты», создании примеров выполнения работ, изготовлению иллюстраций, 
редактированию текстов. 
Автор выражает благодарность рецензентам книги за ряд полезных замечаний. Особую признательность выражает А. Б. Лоскутову за создание 
современной учебной лаборатории электрических аппаратов в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева. 
Автор будет признателен за все замечания по содержанию книги, которые следует направлять по адресу электронной почты gardinai 996#gmail.com.  
5 

 
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ  
ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ 
 
 
 
1.1. Основные определения 
 
Электрические аппараты (ЭА) - электротехнические устройства, 
предназначенные для различных целей: включение и отключение электрических цепей, контроль их состояния, управление, измерение и защита 
электрических и неэлектрических объектов. ЭА входят в состав электроприемников, электрооборудования и электроустановок. 
Электротехническое изделие - изделие, предназначенное для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления 
электрической энергии (ГОСТ 18311-80. Изделия электротехнические). 
Электротехническое устройство (ЭУ) - промышленное изделие, 
предназначенное для выполнения определенной функции при решении 
комплексной задачи производства, распределения и использования электрической энергии. 
Электрическое оборудование (электрооборудование) [ГОСТ 30331.1-2013 
(IEC 60364-1:2005)] - изделие, предназначенное для производства, передачи  
и изменения характеристик электрической энергии, а также для ее  
преобразования в энергию другого вида. Электрооборудование - совокупность электротехнических устройств, объединенных общими признаками 
(ГОСТ 18311-80. Изделия электротехнические). Например, электрооборудование низковольтное, цеховое, тропическое, электрооборудование станций и 
подстанций, электрооборудование электротехнологических установок и проч. 
Электроприемник [ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005)] - электрическое оборудование, предназначенное для преобразования электрической энергии в другой вид энергии. Приемник электрической энергии или 
электроприемник (ЭП) - это устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую и прочие). 
Номинальное значение параметра - указанное изготовителем значение параметра электротехнического устройства (например, напряжение, 
ток, мощность и проч.). Оно является исходным для отсчета отклонений. 
Соблюдение номинальных параметров обеспечивает эффективную работу 
на протяжении длительного времени (часов, лет) и без превышения предельно допустимых температур. 
Электрическая установка (электроустановка) [ГОСТ 30331.1-2013 
(IEC 60364-1:2005)] - совокупность взаимосвязанного электрического 
6 

оборудования, имеющего согласованные характеристики, предназначенная выполнять определенные цели. Электроустановка [Правила устройства электроустановок (ПУЭ) - 7 издание] - совокупность машин, аппаратов, линий и вспомогательного оборудования (вместе с сооружениями и 
помещениями, в которых они установлены), предназначенных для производства, преобразования, трансформации, передачи, распределения электрической энергии и преобразования ее в другие виды энергии. 
Потребитель электрической энергии - ЭП или группа ЭП, объединенных технологическим процессом, и размещающихся на определенной 
территории. 
Электрические аппараты представляют собой средства управления 
электрическим током. В техническом отношении к функции управления 
током относятся:  
x коммутация, т. е. включение, отключение, переключение; 
x распределение электрической энергии по объектам и потребителям; 
x защита электрооборудования от аварийных режимов; 
x контроль параметров электрического тока; 
x автоматическое и неавтоматическое регулирование электрического тока, стабилизация, изменение по заданному закону. 
Электрическая цепь [ГОСТ Р МЭК 61140-2000, пункт 3.2] - совокупность устройств или сред, через которые может протекать электрический ток. 
Электрический ток [ГОСТ Р 52002-2003, пункт 8] - явление направленного движения носителей электрических зарядов и (или) явление изменения электрического поля во времени, сопровождаемые образованием 
магнитного поля. 
Электромагнитное поле [ГОСТ Р 52002-2003, пункт 1] - Вид материи, определяемый во всех точках двумя векторными величинами, которые характеризуют две его стороны, называемые «электрическое поле»  
и «магнитное поле», оказывающий силовое воздействие на электрически 
заряженные частицы, зависящее от их скорости и электрического заряда. 
 
1.2. Режимы работы электротехнических устройств 
 
Номинальный режим работы - режим, когда элемент электрической 
цепи работает при значениях тока, напряжения, мощности, указанных в 
техническом паспорте, что соответствует самым выгодным условиям работы с точки зрения экономичности и надежности. 
Нормальный режим работы - режим, когда объект (ЭУ, ЭА, ЭП) эксплуатируется при параметрах режима (тока, напряжения, мощности), незна7 

чительно отличающихся от номинальных режимов работы («недогруженный режим» или находящийся в пределах перегрузочной способности). 
Ненормальный режим работы - параметры режима работы кратковременно превышают номинальный режим до двух-трех раз (во многих 
случаях отключать ЭУ не нужно, так как используется его перегрузочная 
способность в течение непродолжительного времени). 
Аварийный режим работы - параметры режима длительно превышают номинальные - свыше двух-трех раз. В этом случае объект обязательно должен быть отключен от сети, иначе он выйдет из строя. 
 
1.3. Классификация электрических аппаратов 
 
Многообразие видов аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций не позволяют строго 
классифицировать их по одному признаку. Поэтому электрические аппараты классифицируются: по назначению, по напряжению, по роду тока, по 
роду защиты от попадания в электрические аппараты инородных тел, по 
работе в определенных климатических условиях и категории размещения. 
1. По назначению: 
а)коммутационные аппараты (основные функции - включение, отключение, переключение электрических цепей). Это рубильники, выключатели нагрузки, разъединители, короткозамыкатели, пакетные переключатели. Особенность - редкое выполнение операций включения - отключения (ВО); 
б)защитные аппараты (основная функция - защита электрических 
цепей от токов короткого замыкания и перегрузок). Это предохранители, 
автоматические выключатели, устройства защитного отключения (УЗО); 
в)пускорегулирующие аппараты (основная функция - управление 
электроприводами и другими промышленными потребителями электроэнергии). Часто их называют аппараты управления (АУ). Это контакторы, 
пускатели, командоконтроллеры, реостаты. Особенность этих аппаратов - 
частое ВО (до 3600 в час, т. е. 1 раз в секунду); 
г) ограничивающие аппараты (основная функция реакторов и разрядников - ограничение токов короткого замыкания и перенапряжений, 
соответственно); 
д)контролирующие аппараты (основная функция - контроль заданных электрических и неэлектрических параметров). Это реле, датчики; 
е)аппараты для измерения (основная функция - изолирование цепи 
первичной коммутации (силовой цепи, цепи главного тока) от измерительных цепей и преобразование контролируемого параметра в форму, 
8 

удобную для измерения). Это трансформаторы тока, трансформаторы 
напряжения, делители напряжения; 
ж)регулирующие аппараты (основное назначение - автоматизация, 
стабилизация или регулирование заданного параметра электрической цепи). 
2. По напряжению: 
а)аппараты до 1000 В; 
б)аппараты выше 1000 В. 
В данном курсе изучаются аппараты до 1000 В. 
3. По роду тока: 
а)аппараты постоянного тока; 
б)аппараты переменного тока промышленной частоты; 
в)аппараты переменного тока повышенной частоты. 
4. По роду защиты от попадания в электрические аппараты инородных тел и от попадания влаги. 
По ГОСТ 14254-2015 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками 
(Код IP)» степень защиты обозначается двумя буквами и двумя цифрами 
(международная классификация степени защиты). Оболочка - часть, обеспечивающая защиту оборудования от некоторых внешних воздействий и 
защиту по всем направлениям от прямых контактов. Оболочки обеспечивают защиту людей и животных от доступа к опасным частям. 
IP X1 X2 (International Protection) 
X1 - степень защиты персонала  
(от доступа к опасным частям), а также степень защиты изделия 
от попадания внутрь твердых посторонних тел (защита по «пыли»): 
0- защита отсутствует; 
1- защита от преднамеренного доступа тел диаметром не менее 52,5 мм («ладонь»); 
2- защита от преднамеренного доступа тел диаметром не менее 12,5 мм и длиной 80 мм («палец»); 
3- защита от преднамеренного доступа тел диаметром не менее 2,5 мм («отвертка»); 
4- защита от преднамеренного доступа тел диаметром не менее 1,0 мм («проволока»); 
5- защита от отложения пыли; 
6- защита от попадания пыли. 
X2 – степень защиты изделия от попадания воды  
(защита по «воде»): 
0 - защита отсутствует; 
1 - защита от капель конденсирующейся воды; 
2 - защита от капель; 
9 

- защита от дождя, падающего под углом 60ƒ к вертикали; 
4 - защита от брызг любого направления; 
5 - защита от водяных струй; 
6 - защита от воздействий, характерных для палубы корабля 
(от волн воды); 
7 - защита от погружения в воду; 
8 - защита от длительного погружения в воду при определенном давлении; 
9 - защита от горячих струй воды под высоким давлением. 
 
ПРИМЕРЫ 
 
IP34 (3) - защищает людей, держащих в руках инструмент диаметром, равным либо большим 2,5 мм, от доступа к опасным частям и одновременно защищает оборудование внутри оболочки от проникновения 
внешних твердых предметов диаметром, равным либо большим 2,5 мм;  
(4) - защищает оборудование внутри оболочки от вредных воздействий 
вследствие обрызгивания оболочки водой со всех сторон. 
Общепринятые обозначения: открытое исполнение IP00; защищенное исполнение - IP20; брызгозащищенное исполнение - IP44; пыле- 
брызгозащищенное исполнение - IP54; пылеводонепроницаемое (морское) исполнение - IP66; герметичное исполнение - IP67. 
5. По работе в определенных климатических условиях и категории 
размещения электрических аппаратов. 
С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность 
земного шара делится на ряд макроклиматических районов, которые характеризуются температурой и влажностью воздуха, а также пределами их 
изменения во времени. 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») устанавливает  
5 основных категорий размещения электрических аппаратов: 
1 категория - электрические аппараты, предназначенные для работы 
на открытом воздухе; 
2 категория - электрические аппараты, предназначенные для работы 
на открытом воздухе, но под навесом, в палатке, в металлическом кожухе; 
3 категория - электрические аппараты, предназначенные для работы 
в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без отопления; 
4 категория - электрические аппараты, предназначенные для работы 
в закрытых помещениях с отоплением; 
10