Электрические аппараты

-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
АППАРАТЫ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
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»
Москва                                        2025
ИНФРА-М

УДК 621.316(075.32)
ББК 31.264я723
 
Щ61
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
Щербаков Е.Ф.
Щ61  
Электрические аппараты : учебное пособие / Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров. — 
Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2025. — 303 с. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-00091-561-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014013-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108923-1 (ИНФРА-М, online)
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 электропотреблени я предприятий.
УДК 621.316(075.32)
ББК 31.264я723
© Щербаков Е.Ф., 
Александров Д.С, 2014
ISBN 978-5-00091-561-5 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014013-1 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-108923-1 (ИНФРА-М, online)
© 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 — вольт(амперная 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 (вклю(
чение — отключение), О — ВО — ВО (отключение — включение(отключе(
ние — включение(отключение)
ОВ — обмотка возбуждения

Список основных сокращений
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

Предисловие
Электрическая энергия используется во всех отраслях экономики, в первую
очередь в промышленном и сельскохозяйственном производствах, строительст(
ве, добывающих отраслях, на транспорте, в быту. При производстве, передаче и
распределении электроэнергии повсеместно используются электрические аппа(
раты как устройства, управляющие потоком электроэнергии. Особая роль при(
надлежит аппаратам, выполняющим функции коммутации (включения и отклю(
чения) электрических цепей и защиты электроустановок. Среди них первое ме(
сто занимают контактные аппараты.
Для производства и эксплуатации электрических аппаратов нужны грамот(
ные 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 из(
данием является учебник «Электрические и электронные аппараты», подготов(
ленный кафедрой Московского энергетического института в 2001 г.
Изданием настоящей книги предпринята попытка восполнить дефицит в ли(
тературе, необходимой для подготовки специалистов, а также для проектирова(
ния, испытания электрических аппаратов и их эксплуатации.
Книга содержит три раздела. В первом разделе «Физические процессы в
электрических аппаратах» излагаются вопросы теории электрических аппара(
тов». Во втором разделе «Конструкции электрических аппаратов» рассматрива(
ются конструкции контактных коммутационных и защитных аппаратов, приме(
няемых в системах электроснабжения и электропотребления на предприятиях.
Третий раздел «Основы производства и эксплуатации электрических аппара(
тов» 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 физи(
ческих явлений и законов, которые положены в основу принципа действия аппа(
рата (первый раздел).
С использованием этих знаний создаются конструкции новых аппаратов,
опираясь на известные конструкции (второй раздел).

Предисловие
Созданные аппараты должны пройти необходимые испытания и быть допу(
щены к производству, и потом проходить регулярно периодические и типовые
испытания.
Освоенные производством аппараты должны быть правильно выбраны при
проектировании и реконструкции систем электроснабжения и электропотребле(
ния, выполнен их монтаж и организована их эксплуатация в этих системах (тре(
тий раздел).
Книга предназначается в качестве учебника для студентов электротехниче(
ских специальностей вузов и техникумов, может быть полезной специалистам —
инженерам и техникам, занимающимся проектированием и испытанием элек(
трических 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.

Введение
В системах электроснабжения промышленных предприятий, строек, пред(
приятий добывающих и перерабатывающих отраслей промышленности и сель(
ского хозяйства, электрифицированного транспорта, городских и сельских насе(
ленных пунктов и других объектов (в дальнейшем — предприятий) наряду с
электрическими машинами и трансформаторами широко применяются электри(
ческие аппараты. Они являются связующим звеном между источниками и при(
емниками электрической энергии. С первых шагов промышленного использова(
ния электроэнергии возникла необходимость в устройствах управления электро(
установками 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 режи(
мах работы, правильности выбора аппаратов в системах электроснабжения зави(
сят надежность обеспечения потребителей электроэнергией, экономические по(
казатели электроснабжения и электропотребления.
В электрических аппаратах при их работе наблюдаются следующие физиче(
ские процессы: нагрев и охлаждение токоведущих и соседних с ними частей, ста(
рение изоляции, возникновение электромеханических (электромагнитных, элек(
тродинамических, 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, пред(
назначенное для управления потоком электрической энергии.
Любой электрический аппарат представляет собой совокупность токоведу(
щих 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 на(
пряжения; исполнению защиты от внешних воздействий окружающей среды;
конструктивным особенностям.

Введение
По функциональному назначению аппараты делятся на:
• коммутационные, предназначенные для коммутации (включения и отклю(
чения) электрических цепей. К ним относятся выключатели, разъедините(
ли, контакторы и др.;
• защитные, выполняющие защиту электрических сетей и электрооборудо(
вания от перегрузок, токов короткого замыкания и других ненормальных
режимов работы (автоматические выключатели, предохранители);
• пускорегулирующие, осуществляющие пуск, регулирование частоты вра(
щения, 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 (раз(
рядники);
• контролирующие, выполняющие контроль заданных электрических и не(
электрических параметров (реле, датчики). Применяются в системах авто(
матического управления;
• регулирующие и стабилизирующие, предназначенные для автоматического
регулирования заданного параметра по определенному закону или его ста(
билизации (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 распреде(
ления электроэнергии высокого и низкого напряжения и аппараты управления
приводами и электротехнологическими установками. Это разделение условное,
так как многие аппараты применяются в установках распределения электроэнер(
гии и в устройствах управления (например, автоматические выключатели, кон(
такторы, трансформаторы тока, реле).
По роду тока аппараты делят на аппараты постоянного и переменного тока.
По напряжению — аппараты низкого напряжения (до 1000 В) и аппараты высо(
кого напряжения (выше 1000 В). В распределительных сетях предприятий напря(
жение 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 (ос(
новной ряд — Ra5) или 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100 А (расширен(
ный 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, индук(
ционные, тепловые и др. Электрические аппараты могут быть разделены и по
другим признакам (способу гашения дуги, быстродействию, использованию оп(
ределенных эффектов). По виду привода — с ручным и двигательным приводом
(электродвигательным, электромагнитным, электродинамическим, пневматиче(
ским и т. п.). Аппараты могут иметь 1—3 полюса.

Введение
9
В настоящей работе рассматриваются механические в основном контактные
коммутационные и защитные аппараты, применяемые в распределительных уст(
ройствах системах электроснабжения и электропотребления.
Условия эксплуатации коммутационных и защитных аппаратов
Электрический коммутационный аппарат, как непременное звено в цепи ме(
жду источником и приемником электрической энергии, практически имеется во
всех электроустановках. В наиболее сложных условиях эксплуатируются аппара(
ты, 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 допол(
нительный подогрев и ухудшение условий теплоотдачи. В то же время часто ап(
параты эксплуатируются на открытом воздухе при повышенной или понижен(
ной 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 экс(
плуатации 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 нормаль(
ным режимам относятся режимы при номинальном напряжении и при токах, не
превышающих номинальные значения. Режим работы аппаратов соответствует
одному из режимов работы электроприемников — продолжительному, кратко(
временному, повторно — кратковременному. Аварийные режимы сопровожда(
ются резким повышением тока в цепи (при коротких замыканиях), исчезновени(
ем 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 за(
мыкании 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 ин(
дуктивности короткозамкнутой цепи. Чем больше индуктивность, тем меньше
скорость нарастания тока.
В сетях переменного тока значение полного тока КЗ iк определяется как сум(
ма двух составляющих: периодической iп и апериодической ia (рис. В).

Введение
Рис. А. Изменение тока короткого замыкания в сети постоянного тока:
Im — ударный ток; iоткл — ток отключения; t1 — время нарастания тока до ударного значе(
ния; t2 — время отключения; α — угол между касательной к кривой тока в начале коорди(
нат и осью времени t
Рис. В. Изменение тока короткого замыкания в сети переменного тока:
iкз — ток короткого замыкания; iп — периодическая составляющая тока; iа — апериодиче(
ская составляющая тока; iуд — ударное значение тока; iуст — установившееся значение тока
Периодическая составляющая изменяется с частотой 50 Гц по синусоидаль(
ной кривой. Апериодическая составляющая постепенно уменьшается по величи(
не (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 аперио(
дической составляющей тока короткого замыкания равно начальному амплитуд(
ному значению периодической составляющей:
t
t
−
−
T
R
L
I
I е
I е
2
2
,
а
п
п
=
=
где Т — постоянная времени затухания апериодической составляющей; L — ин(
дуктивность; R — активное сопротивление контура короткого замыкания.