Классификация электрических аппаратов

Электрический аппарат – это устройство, управляющее электропотребителями и источниками питания, а также использующее электрическую энергию для управления неэлектрическими процессами.

Еще одно опредление. Электрический аппарат — это электротехническое устройство, предназначенное для выполнения различных функций, включая включение и отключение электрических цепей, контроль их состояния, управление, измерение и защиту электрических и неэлектрических объектов. Эти устройства находят применение в передаче, преобразовании, распределении и потреблении электроэнергии в бытовых и промышленных условиях (Алиев И.И. Абрамов М.Б. Электрические аппараты. Справочник). 

Электрические аппараты — карлики и гиганты — нужны и для управления электрическим током малой и большой мощности. Чтобы пустить или остановить станок, рабочий одним пальцем нажимает кнопку, которая замыкает контакты малого тока в цепи управления машиной.

В автоматической технике чувствительные контакты реле замыкаются подчас от малейшего воздействия или прикосновения. Такие контакты-карлики весят всего доли грамма.

На электростанциях же, где приходится замыкать и размыкать цепи с напряжением в десятки тысяч вольт и с огромной величиной тока, необходимы очень мощные выключатели — гиганты.

Это — огромные и прочные стальные баки, часто выше человеческого роста, весящие десятки тонн и наполненные жидким маслом, внутри которого происходит замыкание и размыкание контактов. Для замыкания и размыкания таких выключателей применяются специальные приводные устройства.

Рубильники в электрощите

Электрические аппараты общепромышленного назначения, электробытовые аппараты и устройства выпускаются напряжением до 1 кВ, высоковольтные – свыше 1 кВ. До 1 кВ делятся на аппараты ручного, дистанционного управления, аппараты защиты и датчики.

Электрические аппараты классифицируются по ряду признаков:

1. по назначению, т. е. основной функции выполняемой аппаратом,

2. по принципу действия,

3. по характеру работы

4. роду тока

5. величине тока

6. величине напряжения (до 1 кВ и свыше)

7. исполнению

8. степени защиты (IP)

9. по конструкции

Особенности и области применения электрических аппаратов

Классификация электроаппаратов по уровню рабочего напряжения

Электротехническое оборудование дифференцируется по напряжению на две принципиально разные группы, каждая из которых имеет свои конструктивные и эксплуатационные особенности.

Низковольтные аппараты, рассчитанные на работу в сетях до 1000 вольт, представляют наиболее массовую категорию электротехнических изделий. Их конструкция ориентирована на обеспечение безопасности при непосредственном использовании в бытовых и промышленных условиях.

Характерной особенностью таких устройств является компактное исполнение и относительно простая схема защиты, что позволяет применять их без специальных мер предосторожности.

Типичными представителями этой группы выступают автоматические выключатели, устройства защитного отключения, пускатели (контакторы) и реле управления, повсеместно используемые в жилых и административных зданиях, а также на промышленных предприятиях.

Высоковольтное оборудование, работающее при напряжениях свыше 1000 вольт, требует принципиально иного подхода к проектированию и эксплуатации.

Эти аппараты отличаются сложной конструкцией с усиленной изоляцией и специальными системами дугогашения. Их применение связано с необходимостью соблюдения особых мер безопасности и требует квалифицированного обслуживания.

К данной категории относятся масляные и вакуумные выключатели, разъединители, реакторы и другое оборудование, используемое в распределительных сетях и на трансформаторных подстанциях.

Граница в 1000 вольт имеет принципиальное значение в электротехнике, так как определяет не только конструктивные различия аппаратуры, но и нормативные требования к их производству, монтажу и эксплуатации.

Современные тенденции в развитии электроаппаратостроения демонстрируют постоянное совершенствование как низковольтных, так и высоковольтных устройств, что позволяет повышать надежность и эффективность работы электрических сетей всех уровней напряжения.

Классификация электрических аппаратов в зависимости от назначения

1. Аппараты управления, предназначены для пуска, реверсирования, торможения, регулирования скорости вращения, напряжения, тока электрических машин, станков, механизмов или для пуска и регулирования параметров других потребителей электроэнергии в системах электроснабжения.

Основная функция этих аппаратов это управление электроприводами и другими потребителями электрической энергии. Особенности: частое включение, отключение до 3600 раз в час т.е. 1 раз в секунду.

К ним относятся электрические аппараты ручного управления - пакетные выключатели и переключатели, рубильники, универсальные переключатели, контролеры и командокотролеры, реостаты и др., и электрические аппараты дистанционного управления - электромагнитные реле, пускатели, контакторы и т. д.

2. Аппараты защиты, используются для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования и электрических сетей от сверхтоков, т. е. токов перегрузки, пиковых токов, токов короткого замыкания.

К ним относятся плавкие предохранители, тепловые реле, токовые реле, автоматические выключатели и др.

3. Контролирующие аппараты, предназначены для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой группе относятся датчики. Эти аппараты преобразуют электрические или неэлектрические величины в электрические и выдают информацию в виде электрических сигналов.

Основная функция этих аппаратов заключается в контроле за заданными электрическими и неэлектрическими параметрами.

К ним относятся датчики тока, давления, температуры, положения, уровня, фотодатчики, а также реле, реализующие функции датчиков, например реле контроля скорости (РКС), реле времени, напряжения, тока.

Классификация электрических аппаратов по принципу действия

По принципу действия электроаппараты разделяются в зависимости от характера воздействующего на них импульса. Исходя из тех физических явлений, на которых основано действие аппаратов, наиболее распространенными являются следующие категории:

1. Коммутационные электрические аппараты для замыкания и размыкания электрических цепей при помощи контактов, соединенных между собой для обеспечения перехода тока из одного контакта в другой или удаленных друг от друга для разрыва электрической цепи (рубильники, переключатели, …)

2. Электромагнитные электрические аппараты, действие которых зависит от электромагнитных усилий, возникающих при работе аппарата (контакторы, реле, …).

3. Индукционные электрические аппараты, действие которых основано на взаимодействии тока и магнитного поля (индукционные реле).

4. Катушки индуктивности (реакторы, дроссели насыщения).

Классификация электрических аппаратов по характеру работы

По характеру работы электрические аппараты различают в зависимости от режима той цепи, в которой они установлены:

1. Аппараты, работающие длительно,

2. предназначенные для кратковременного режима работы,

3. работающие в условиях повторно-кратковременной нагрузки.

Классификация электрических аппаратов по роду тока

По роду тока: постоянного и переменного.

Аппараты постоянного тока проектируется с учетом специфических особенностей работы с неизменными параметрами электроэнергии. Конструктивные решения таких устройств учитывают стабильность электрической дуги при коммутациях, что требует применения специальных дугогасящих приспособлений.

Такие аппараты находят применение в системах автономного энергоснабжения, на электрифицированном транспорте и в различных промышленных предприятиях.

Аппараты для переменного тока создается с расчетом на циклическое изменение параметров электроэнергии. Особенностью таких аппаратов является способность использовать естественные переходы тока через нулевую отметку для эффективного гашения дуги.

Подобные устройства повсеместно используются в промышленных сетях, системах распределения электроэнергии и бытовых электрических установках.

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

Особенно многообразны конструктивные разновидности современных аппаратов, в связи с этим различны и требования, предъявляемые к ним. Однако существуют и некоторые общие требования вне зависимости от назначения, применения или конструкции аппаратов. Они зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности аппаратов.

Изоляция электрического аппарата должна быть рассчитана в зависимости от условий возможных перенапряжений, которые могут возникнуть в процессе работы электрической установки.

Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения номинального тока нагрузки, должны иметь высокую механическую и электрическую износоустойчивость, а температура токоведущих элементов не должна превышать допустимых значений.

При коротких замыканиях токоведущая часть аппарата подвергается значительным термическим и динамическим нагрузкам, которые вызваны большим током. Эти экстремальные нагрузки не должны препятствовать дальнейшей нормальной работе аппарата.

Электрические аппараты в схемах современных электротехнических устройств должны обладать высокой чувствительностью, быстродействием, универсальностью.

Общим требованием по всем видам аппаратов является простота их устройства и обслуживания, а также их экономичность (малогабаритность, наименьший вес аппарата, минимальное количество дорогостоящих материалов для изготовления отдельных частей).

Режимы работы электротехнических устройств

Номинальный режим работы — это основной эксплуатационный режим, при котором электротехническое устройство функционирует с параметрами (ток, напряжение, мощность, частота и др.), указанными в технической документации. Этот режим характеризуется:

• Оптимальной экономичностью — минимальными потерями энергии при максимальном КПД;

• Наивысшей надежностью — обеспечивается расчетный срок службы без перегрузок;

• Полным соответствием стандартам — параметры соответствуют требованиям ГОСТ, ТУ или международных норм (IEC, EN).

Пример: Электродвигатель с номинальными характеристиками 380В, 10А, 5.5кВт, S1 (непрерывный режим) рассчитан на длительную работу именно в этих условиях без перегрева и снижения ресурса.

Нормальный режим работы — эксплуатация оборудования с параметрами, незначительно отклоняющимися от номинальных (обычно в пределах 5–10%). В этом режиме:

• Допускаются кратковременные колебания нагрузки (например, пусковые токи);

• Сохраняется стабильность работы без перегрева или механических перегрузок;

• Не требуется срочное отключение, но необходимо мониторить состояние системы.

Пример: Тот же электродвигатель при напряжении 360–400В и токе 9–11А работает в нормальном режиме, если перегрузки носят кратковременный характер.

Основные виды аварийных режимов:

1. Короткое замыкание (КЗ)

   • Резкое возрастание тока (в 5–20 раз выше номинала) из-за замыкания фаз или на землю.

   • Причины: повреждение изоляции, ошибки монтажа, механические разрушения.

   • Последствия: перегрев, разрушение проводников, возгорание.

2. Перегрузка

   • Превышение тока выше допустимого, но меньше, чем при КЗ (обычно в 1,5–2 раза).

   • Причины: подключение мощных потребителей, неисправности в нагрузке.

   • Последствия: перегрев изоляции, сокращение срока службы оборудования.

3. Пониженное напряжение

   • Падение напряжения ниже допустимого уровня (более 10–15% от номинала).

   • Причины: перегрузка сети, аварии на подстанции, обрыв нейтрали.

   • Последствия: нарушение работы двигателей, сбои в электронике.

Методы защиты от аварийных режимов:

• Автоматические выключатели (АВ) – отключают цепь при КЗ и перегрузке.

• Предохранители – плавятся при превышении тока, разрывая цепь.

• Реле защиты (токовые, напряжения) – сигнализируют или отключают питание при аномальных параметрах.

• УЗО и диффавтоматы – реагируют на утечки тока и КЗ.

Важно:

• Аварийные режимы должны ликвидироваться в течение долей секунды для предотвращения аварий.

• Выбор защитных устройств должен учитывать номинальные параметры сети и возможные перегрузки.

Заключение:
Своевременное обнаружение и отключение аварийных режимов – ключевое условие безопасности и долговечности электроустановок. Проектирование защитных систем требует точных расчетов и соответствия стандартам (ПУЭ, ГОСТ, IEC).

Надежность электрических аппаратов

Надежность – это способность аппарата выполнять свои функции безотказно в течение всего срока эксплуатации при соблюдении заданных условий работы, обслуживания, хранения и транспортировки.

Ключевые аспекты надежности:

1. Безотказность – отсутствие внезапных отказов в работе при штатных режимах эксплуатации.

2. Долговечность – сохранение работоспособности до наступления предельного состояния (износ, старение материалов).

3. Ремонтопригодность – возможность восстановления работоспособности после отказа (доступность заменяемых компонентов, удобство обслуживания).

4. Сохраняемость – способность сохранять эксплуатационные характеристики в периоды простоя, хранения и транспортировки.

Факторы, влияющие на надежность:

• Качество изготовления (материалы, сборка, контроль на производстве).

• Соответствие условиям эксплуатации (климатические воздействия, механические нагрузки, перепады напряжения).

• Соблюдение правил монтажа и обслуживания (надежность подключения, периодическая диагностика).

• Защита от внешних воздействий (степень IP, устойчивость к вибрации, коррозии).

Нормативное регулирование

Надежность аппаратов подтверждается испытаниями по стандартам (ГОСТ, IEC, UL) и указывается в технической документации:

• Средний срок службы (например, 10–15 лет).

• Количество циклов срабатывания (для коммутационных аппаратов).

• Гарантийный период (обычно 1–5 лет).

Надежность электрического аппарата – комплексное свойство, зависящее от его конструкции, условий работы и качества обслуживания. Правильный выбор и эксплуатация позволяют минимизировать риски отказов и продлить срок службы оборудования.

Исполнение электрических аппаратов по степени защиты

Степень защиты от проникновения твердых тел и жидкости определяется ГОСТ 14254-80. В соответствии с ГОСТ устанавливается 7 степеней от 0 до 6 от попадания внутрь твердых тел и от 0 до 8 от проникновения жидкости.

Для обозначения степени защиты используется аббревиатура «IP». Например: IP54.

Применительно к электрическим аппаратам существуют следующие виды исполнения:

1. Защищенные IP21, IP22 (не ниже).

2. Брызгозащищенные, каплезащищенные IP23, IP24

3. Водозащищеные IP55, IP56

4. Пылезащищеные IP65, IP66

5. Закрытое IP44 – IP54, у этих аппаратов внутренние пространство изолированно от внешней среды

6. Герметичное IP67, IP68. Эти аппараты выполнены с особо плотной изоляцией от окружающей среды.

Климатическое исполнение и категория размещения в обозначении электротехнических изделий

Климатическое исполнение и категория размещения являются важными характеристиками электротехнического оборудования и указываются в его условном обозначении. Эти параметры определяют, в каких условиях устройство может надежно работать.

1. Климатическое исполнение (буквенный код)

Обозначается буквами и указывает на стойкость оборудования к различным климатическим факторам:

• У – умеренный климат (от 45°C до +40°C)

• ХЛ – холодный климат (до 60°C)

• УХЛ – умеренный и холодный климат

• Т – тропический климат (высокая влажность, температура до +55°C)

• О – общеклиматическое исполнение (кроме морского)

• М – морской климат (высокая влажность, солевой туман)

• В – всеклиматическое исполнение

2. Категория размещения (цифровой код)

Определяет условия эксплуатации в зависимости от места установки:

• 1 – на открытом воздухе (прямое воздействие осадков, солнечного излучения)

• 2 – под навесом или в помещении без регулирования температуры (как на улице, но без прямых осадков)

• 3 – в закрытых помещениях без отопления (естественная вентиляция, возможны перепады температур)

• 4 – в отапливаемых помещениях (стабильная температура и влажность)

• 5 – во влажных и сырых помещениях (конденсат, высокая влажность)

Примеры обозначений

• АВВГ-УХЛ1 – кабель с климатическим исполнением "УХЛ" (умеренный и холодный климат) и категорией размещения "1" (открытый воздух).

• ПКС-Т3 – устройство для тропического климата ("Т"), предназначенное для работы в неотапливаемом помещении ("3").

Важно: Правильное определение климатического исполнения и категории размещения гарантирует долговечность и надежность электрооборудования в конкретных условиях эксплуатации.

Выбор электрических аппаратов

Выбор электрических аппаратов — это сложная задача, требующая учета множества факторов. Основные критерии выбора включают:

1. Электрические параметры

• Коммутируемые токи, напряжения и мощности – аппарат должен соответствовать рабочим характеристикам цепи.

• Тип нагрузки – активная, индуктивная, емкостная, низкое или высокое сопротивление.

• Число коммутируемых цепей – количество полюсов, контактов и управляющих сигналов.

• Параметры цепей управления – напряжение и ток катушки (для реле, контакторов).

2. Режим работы

• Длительный, кратковременный или повторно-кратковременный – влияет на выбор аппарата по износостойкости и перегрузочной способности.

• Стойкость к перегрузкам – электрическим, механическим и термическим.

3. Условия эксплуатации

• Климатические факторы – температура, влажность, давление, вибрация.

• Высота над уровнем моря – влияет на охлаждение и электрическую прочность.

• Степень защиты (IP) – от пыли, влаги и механических воздействий.

• Категория размещения (по ГОСТ/IEC) – для помещений или улицы.

4. Конструктивные и экономические аспекты

• Способы крепления – DIN-рейка, винтовое, панельное.

• Массогабаритные показатели – компактность и вес.

• Электромагнитная совместимость (ЭМС) – отсутствие помех для других устройств.

• Удобство монтажа и обслуживания – доступность клемм, маркировка.

5. Безопасность и надежность

• Соответствие стандартам (ГОСТ, IEC, UL и др.).

• Механическая и электрическая износостойкость.

• Требования пожарной безопасности – материалы корпуса, дугогашение.

Правильный выбор электрического аппарата обеспечит надежную работу системы, безопасность и долгий срок службы. Перед покупкой необходимо сверить все параметры с техническими условиями эксплуатации.