Електричний апарат

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

• комутаційні апарати — апарати, що здійснюють комутацію електричних кіл для розподілення електричної енергії, за нормальних режимів роботи, коли дія електричного апарату пов'язана зі зміною режимів роботи кола, подаванням і зняттям напруги, або для відімкнення кола в аварійному режимі. До цього класу належать 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 під час 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 інше. 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 вимикачі, 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 дійсних значень струмів короткого замикання. До цього класу електричних апаратів відносяться електричні реактори, плавкі запобіжники, розрядники тощо;
• апарати контролю — апарати, що здійснюють дослідження електричних і не електричних параметрів технологічних процесів, та повідомляють 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 призначено для вимірювання великих струмів і напруг, з використанням стандартних вимірювальних приладів. За допомогою цих апаратів, кола первинної комутації ізолюються від кіл приладів вимірювання та 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.

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 межа, у деяких країнах є вищою — до ~52 кВ) або від 1,5 кВ до 5 кВ;
• апарати високої напруги (вище верхньої межі 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.

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

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

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 незначний спад напруги на замкнених контактах при проходженні крізь них робочого струму.

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

Напівпровідникові комутаційні апарати (англ. semiconductor switching device) призначені для вмикання струму в електричних колах за допомогою керування провідністю напівпровідника. У 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 витривалості, 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, за струму 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 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 за вимикання, 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.

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 обслуговчого персоналу до струмопровідних чи рухомих частин 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.