6.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

6.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

К электрическим аппаратам (ЭА) относят широкий класс электротехнических устройств, применяемых при производстве, распределении и потреблении электрической энергии. Область устройств, относящихся к ЭА, и их классификация постоянно изменяются в процессе развития электротехники. В настоящее время под ЭА понимают технические средства управления потоком электрической энергии в целях изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических объектов и их составных частей. Как правило, функции большинства видов ЭА осуществляются посредством коммутации электрических цепей с различной частотой.

До 1878 г. все ЭА назывались приборами и термин «аппарат» в близком понимании нашего времени впервые в том году был использован военным электротехником Н.А. Азаровым. С 1879 г. известный русский электротехник П.Н. Яблочков распространил термин «аппарат» на электротехнические устройства той эпохи — рубильники, переключатели, коммутаторы, реле и регуляторы.

Электрические аппараты обычно классифицируют по напряжению — аппараты высокого напряжения (АВН) и аппараты низкого напряжения (АНН). Большинство последних, как правило, разделяют на следующие основные виды:

аппараты управления и регулирования — автоматические выключатели, контакторы, пускатели электродвигателей, регуляторы напряжения и другие аппараты, выполняющие преимущественно функции исполнительных устройств в системах управления режимами работы и защиты электротехнических систем и их компонентов;

аппараты автоматики и защиты — реле, датчики и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.

Аппараты автоматики используются преимущественно на информационных уровнях, а также в отдельных случаях, например в маломощных электротехнических устройствах, в качестве исполнительных устройств.

Создание и развитие ЭА неразрывно связаны с историей электротехники. Большой вклад в развитие электроаппаратостроения был сделан отечественными электротехниками. Истории развития ЭА посвящено много статей и монографий, но наиболее полно она нашла отражение в работах М.А. Бабикова [6.49; 6.50], где особенно ярко показан вклад отечественных ученых и инженеров в создание ЭА на разных исторических этапах.

Конец XIX в. явился периодом, когда были созданы и внедрены первые образцы, многих видов ЭА. Создателей этих приборов отличала многогранная деятельность в различных областях электротехники. Примером могут служить выдающиеся русские электротехники В.Н. Чиколев и М.О. Доливо-Добровольский.

В.Н. Чиколевым были созданы первые сигнальные электромагнитные реле и автоматические выключатели с дистанционным управлением, автоматический регулятор напряжения, реостатный регулятор напряжения для возбуждения генератора и предохранители. М.О. Доливо-Добровольский разработал и впервые применил: в 1890 г. — пусковой реостат к асинхронным двигателям и высоковольтный плавкий предохранитель; в 1891 г. — минимально-максимальное токовое реле; в 1893 г. — автотрансформатор для регулирования, выключатель-рубильник с пружинными контактами и автоматом; в 1910 г. — дугогасительное устройство из изоляционного материала с узкими щелями и металлической решетки; в 1914 г. — деионную решетку со специальными электромагнитами для втягивания дуги в щель.

Промышленное производство ЭА в России было организовано впервые в 1878 г. морским ведомством в г. Кронштадте под руководством А.П. Давыдова. Затем в более крупном масштабе было начато производство ЭА на первой электротехнической фирме «П.Н. Яблочков — изобретатель и К°. Товарищество электрического освещения и изготовления электрических аппаратов и машин в России».

Развитие отечественного электроаппаратостроения после 1917 г. происходило в рамках плановой государственной экономики, ориентированной на создание мощной отечественной базы электротехнической промышленности.

В 1920 г. в соответствии с планом ГОЭЛРО началось развитие электромашиностроения как самостоятельной отрасли промышленности. В 1921 г. были созданы электроаппаратные цехи на крупнейших электромашиностроительных заводах — «Электросила», ХЭМЗ и «Динамо». С 1925 по 1927 г. первым в Советском Союзе электроаппаратным заводом «Электроаппарат» (г. Ленинград) была разработана серия электрических аппаратов высокого напряжения и освоен их промышленный выпуск.

В период с 1928 по 1932 г. в России были созданы новые конструкции аппаратов на напряжения до 110 кВ, вентильные разрядники на напряжение 35 кВ, комплектные распределительные конструкции, трансформаторы тока с фарфоровой изоляцией и многие другие новые типы ЭА. С 1933 по 1937 г. впервые были разработаны и освоены в производстве масляные выключатели на напряжение до 220 кВ. В этот период также был налажен выпуск широкой номенклатуры быстродействующих реле защиты, аппаратов системной автоматики и др.

В первые послевоенные годы (1946–1950 гг.) были созданы новые типы безмасляных выключателей высокого напряжения на сжатом воздухе, автогазовые и с магнитным дутьем. Большое внимание было уделено созданию комплектно-распределительных устройств, а также аппаратов автоматики и защиты, в частности быстродействующих реле. Следует отметить, что в этот период большое внимание уделялось разработкам методов расчета и проектирования различных видов ЭА.

В 50-х и начале 60-х годов возникла потребность в повышении рабочих напряжений ЭА (до 400 кВ и выше) для дальних линий электропередачи, а также для широкого внедрения систем автоматизации в различных областях промышленности. В результате в научных учреждениях и на промышленных предприятиях отечественного электроаппаратостроения в эти годы были созданы все необходимые виды ЭА для оснащения линий передачи 400 кВ.

В 1890 г. во Франции впервые была синтезирована шести фтористая сера SF₆, и во всем мире этот газ известен именно под этим названием. Только в России с 1947 г. этот газ называется элегазом — электрическим газом, это название дано шестифтористой сере Б.М. Гохбергом, который еще перед войной начал изучать электрические свойства этого удивительного газа в связи с проводившимися в его лаборатории работами по созданию высоковольтных электростатических ускорителей заряженных частиц. Им же впервые были высказаны предположения о возможности применения элегаза в качестве изоляционной среды оборудования высокого напряжения не только электрофизического, но и энергетического назначения — конденсаторов, трансформаторов, кабелей. Исследования отечественных ученых по применению элегаза велись по четырем основным направлениям:

получение экспериментальных данных по электрической прочности отдельных видов чисто газовых промежутков, в том числе типовых для изоляционных узлов элегазовых аппаратов (А.Г. Арсон, В.Н. Борин, А.Л. Виленчук, М.И. Сысоев, О.Н. Щербина). На базе экспериментальных данных строились инженерные методы расчета элегазовой изоляции;

изучение электрической прочности вдоль поверхности твердого диэлектрика в элегазе, разработка инженерных методов расчета напряжения поверхностного разряда и конструирование на этой основе изоляторов для элегазового оборудования (В.Н. Борин, В.Н. Вариводов, А.Л. Виленчук, А.Л. Петерсон, О.Н. Щербина);

изучение физики пробоя элегаза, построение физически обоснованного метода расчета элегазовой изоляции (И.М. Бортник, В.П. Вертиков, А.А. Панов);

изучение химических процессов в элегазовой изоляции, в том числе происходящих под действием электрических разрядов, изучение процессов взаимодействия элегаза, примесей в нем и продуктов его разложения в электрическом разряде с проводниковыми и диэлектрическими материалами, разработка на этой основе методов обеспечения стабильных характеристик элегаза и конструкционных материалов (В.Г. Аракелян).

Надо отметить, что по всем четырем перечисленным направлениям отечественные работы по научному уровню не отставали от уровня зарубежных исследований, а иногда и опережали их.

Создание дальних линий передачи напряжением 750 кВ также потребовало разработки новых высоковольтных ЭА, которые были успешно разработаны и внедрены в эксплуатацию.

Важнейшей частью большинства видов ЭА являются контакты. Поэтому создание эффективных ЭА неразрывно связано с разработкой научных основ в этой области. Многочисленные исследования контактных явлений с использованием научных достижений в электродинамике и теплопередаче позволяли развивать теоретические основы проектирования контактов. Основными движущими факторами в этом направлении являлись уменьшение потерь мощности, улучшение массогабаритных характеристик и уменьшение стоимости ЭА. Научные достижения на этих направлениях нашли воплощение в создании теории композиционных жидкометаллических контактов.

Исторически жидкометаллические контакты появились одновременно с первыми электротехническими устройствами, в которых осуществлялась коммутация тока с неподвижной части на подвижную. Однако их развитие замедлилось в связи с тем, что в качестве жидкого металла, как правило, использовалась ртуть, являющаяся сильным токсичным элементом. В то же время преимущества жидкометаллических контактов — малые потери энергии, возможность работы в экстремальных условиях и др. — сделали научно-исследовательские работы в этой области актуальными. В результате в конце 50-х и начале 60-x годов под руководством Н.Е. Лысова начали проводиться широкомасштабные научные исследования по созданию жидкометаллических контактов на основе нетоксичных элементов и их сплавов. Дальнейшее развитие эти работы получили в ряде научных коллективов СССР под руководством В.Г. Дегтяря, B.C. Зарецкаса, Л.Н. Тучинского и др. В результате этих работ были развиты основы теории жидкометаллических контактов и создан широкий класс композиционных контактных элементов с жесткими и эластичными каркасами, переходное сопротивление которых очень мало, является стабильным и не зависит от положения в пространстве и направления силовых воздействий.

С середины 60-х годов во всех развитых государствах мира, включая СССР, начинается массовое производство полупроводниковых приборов, применение которых в электроаппаратостроении оказало существенное влияние на технико-экономические характеристики различных видов ЭА, особенно низкого напряжения. В результате внедрения усилителей, функциональных преобразователей и других полупроводниковых устройств стало возможным повысить быстродействие контакторов и реле за счет форсирования режимов включения и отключения, расширить их функциональные возможности.

В этот период были созданы и внедрены первые гибридные ЭА, сочетающие достоинства электромагнитных и полупроводниковых ЭА. Одновременно были существенно улучшены конструкции электромагнитных ЭА за счет использования новых, высокоэффективных электрических материалов. Это позволило улучшить массогабаритные показатели ЭА.

Промышленное освоение мощных тиристоров стало основой для возрождения и расширения работ по созданию высоковольтных линий электропередачи постоянного тока. Для оснащения этих линий потребовались новые виды выключателей, разъединителей, предохранителей и других видов ЭА. Так, например, для защиты тиристорных преобразователей потребовалось разработать специальные быстродействующие ЭА на основе жидких металлов.

С середины 80-х годов начала интенсивно развиваться силовая электроника. На основе достижений электронных технологий были созданы силовые полупроводниковые приборы, отличающиеся полной управляемостью, низким потреблением энергии на управление и высоким быстродействием. Использование нового поколения силовых электронных приборов в сочетании с достижениями в области микроэлектронных технологий позволило создавать принципиально новые виды бесконтактных ЭА, сочетающих функции регулирования, контроля, диагностики и защиты. В этом смысле в 90-х годах стало возможным говорить о новом поколении «интеллектуальных» ЭА.