Выключатель для работы конденсатора

Отключение цепей постоянного тока высокого напряжения

Необходимость в выключателях ПТ высокого напряжения возникла в последнее время в связи с быстрым развитием электропередач этого вида с напряжением порядка сотен киловольт. Автоматические быстродействующие выключатели постоянного тока здесь непригодны, так как индуктивность длинных линий ПТ, включая сглаживающие реакторы, весьма велика; соответственно велика и запасенная в них электромагнитная энергия LI 2 /2, в особенности если отключаемый ток велик. Эта энергия должна быть поглощена тем или иным способом в процессе отключения или немедленно после отключения; в противном случае возникают недопустимые перенапряжения.

Метод смещения тока

Отключение цепей ПТ высокого напряжения основано на смещении тока из выключателя в параллельно включенный и предварительно заряженный конденсатор. Соответствующая схема приведена на рис.1.

Рис.1. Схема, поясняющая метод смещения отключаемого
тока из выключателя в конденсатор

При нормальной работе сети выключатель Q замкнут и нагрузка Z_нг обеспечивается питанием от источника энергии высокого напряжения. Индуктивности по обеим сторонам выключателя обозначены через L1 и L2. При КЗ между точками 1 и 2 ток начинает увеличиваться со скоростью, определяемой индуктивностями L1 и L2. При срабатывании релейной защиты размыкаются контакты выключателя и между ними образуется дуга. Замыкается также «ключ» К и предварительно заряженный конденсатор С разряжается через индуктивность L3 и выключатель. Разрядный ток емкости I₂ направлен навстречу току выключателя I₁; он стремится прервать его, создавая при этом благоприятные условия для отключения цепи. В действительности ток в цепи выключателя не прерывается, а смещается из выключателя в конденсатор С, который не пропускает ток постоянного направления. Ток I₁ приходит к нулю и прерывается в колебательном процессе, возникающем в контуре С, L3.

Чтобы привести ток к нулю, достаточно иметь конденсатор небольшой емкости. Допустим, что отключаемый ток равен 5000 А и конденсатор заряжен до 100 кВ. Примем с некоторым запасом, что конденсатор должен обеспечить максимальный разрядный ток 10 кА. Следовательно, волновое сопротивление цепи Z должно составлять
Z=√(L₃/C)=100/10=10 Ом.

Если индуктивность L₃=50 мкГн, достаточно иметь конденсатор с емкостью
С=L₃/Z 2 =50×10 -6 /10 2 =0,5мкФ.

При этих параметрах угловая частота свободных колебаний в контуре L3,
С составит ɷ=1/√(L₃C)=1√(50×10 -6 x0,5×10 -6 )=0,2×10 6 рад/с.

Период Т=2π/ɷ=2π/(0,2×10 6 )≈32мкс. Процесс смещения тока составит меньше одной четверти периода — около 5 мкс.

В течение этого короткого промежутка времени ток I₁ в линии практически не изменяется. Когда ток в выключателе приходит к нулю, конденсатор еще далеко не разряжен. Напряжение на нем составляет 60-70% начального. После нуля тока это напряжение приложено к полюсам выключателя, точнее, к естественной емкости между его контактами, не показанной на схеме. Эта емкость заряжается от конденсатора С через индуктивность L3. Теперь ток I₁, смещенный из выключателя, быстро заряжает конденсатор С и изменяет его полярность. Ток заряда проходит от источника энергии по цепи L1, С, L3, 12 и дальше — к источнику тока. Напряжение на конденсаторе резко увеличивается вследствие поглощения электромагнитной энергии, запасенной в линии. Поясним это следующим расчетом.

Суммарная индуктивность L=L₁+L₂+L₃ составляет около 1 Гн; емкость конденсатора 0,5 мкФ; ток I₁=5000 А. Волновое сопротивление цепи Z =√(L/C)=√(1/(0,5×10 -6 ))=1420 Ом. Напряжение на конденсаторе U=IZ=5000×1420=7000кВ. Причина столь высокого напряжения заключается в том, что емкость конденсатора мала. Она может быть увеличена, однако конструкторы признали это нецелесообразным и предпочли другой метод, а именно: разделить функции отключения тока и поглощения энергии или ограничения перенапряжения. Конденсатор емкостью 0,5 мкФ обеспечивает первую функцию. Вторая функция может быть обеспечена другими средствами.

Рассмотрим условия работы выключателя в схеме рис.7. Чтобы отключить ток, недостаточно привести его к нулю. Выключатель должен противостоять действию переходного восстанавливающегося напряжения. Чем больше скорость ПВН dU/dt и скорость снижения тока при подходе его к нулю dI/dt, тем труднее процесс отключения. В рассматриваемой схеме ток 5000 А снижается до нуля в течение 5 мкс. Следовательно, скорость снижения тока составляет 1000 А/мкс. Это очень большая скорость. В выключателях переменного тока при отключении симметричного тока 40000 А при 60 Гц скорость снижения тока составляет только 12,5 А/мкс.

Скорость ПВН также очень велика. Как показано выше, после нулевого значения тока к выключателю приложено остаточное напряжение конденсатора С, под действием которого естественная емкость между контактами очень быстро заряжается. Соответственно напряжение на контактах выключателя восстанавливается с очень большой скоростью, превышающей максимальные значения, наблюдаемые в выключателях переменного тока, например, при отключении неудаленных КЗ. В этих тяжелых условиях в отношении dU/dt и dI/dt ни один выключатель не способен прервать цепь. Поэтому должны быть приняты меры к уменьшению скорости подхода тока к нулю, а также уменьшению скорости ПВН на полюсе выключателя. Это обеспечивается в схеме рис.2.

Рис.2. Схема включения дополнительных элементов,
уменьшающих скорость подхода тока к нулю и скорость ПВН

Здесь предусмотрен насыщающийся реактор L4, включенный последовательно с выключателем, а также резистор R и конденсатор С1, включенные параллельно с выключателем. В нормальных условиях через реактор L4 проходит рабочий ток. Он насыщен, и индуктивное сопротивление его мало. В процессе смещения тока из выключателя ток вытесняется из реактора и индуктивное сопротивление его резко увеличивается. При этом скорость снижения тока в цепи выключателя заметно уменьшается.

Включение конденсатора С1 приводит к существенному увеличению емкости цепи. Эта емкость заряжается через ненасыщенный реактор L4, что приводит к значительному снижению скорости ПВН.

Рис.3. Изменение тока и напряжения в процессе отключения:
(А) — без дополнительных устройств;
(В) — с дополнительными устройствами;
1 — ток нормального режима;
2 — момент КЗ;
3 — ток через выключатель;
4 -начало смещения;
5 — напряжение на выключателе

Изменение тока и напряжения в процессе отключения выключателя ПТ показано на рис.3. Кривые построены для двух случаев: (А) — при отсутствии реактора L4, резистора R и конденсатора С1, а также (В) при наличии таковых. В первом случае dI/dt велико, ток приходит к нулю в точке (A), скорость ПВН также велика. Во втором случае ток приходит к нулю в точке (В); скорость снижения тока и восстанавливающегося напряжения значительно меньше. В течение 20-30 мкс выключатель находится под малым напряжением; и за это время контакты выключателя должны быть разведены.

Требования к приводу выключателя и «ключу» К

Индуктивность линии постоянного тока высокого напряжения относительно велика. Все же скорость увеличения тока при КЗ может достигать 1000 А/мс. Чтобы облегчить процесс отключения, контакты выключателя должны размыкаться возможно быстрее и процесс смещения тока должен начинаться возможно раньше. Отсюда вытекают требования к быстродействию выключателя и «ключа» К.

Разведение контактов вакуумных камер выключателя до образования достаточного промежутка между ними может быть обеспечено с помощью быстродействующего гидравлического привода в течение 3-4 мс. Чтобы ускорить смещение тока из выключателя в конденсатор, необходимо возможно быстрее замкнуть цепь, в которой установлен «ключ» К. С помощью механического ключа сделать это невозможно. Применение получили тиратроны, в которых проводимость между основными электродами образуется при зажигании дуги между одним из основных электродов и вспомогательным электродом. Здесь используются следующие свойства тиратронов.

При достаточно большом напряжении U₁ промежуток между основными электродами тиратрона пробивается без подачи напряжения на вспомогательный электрод. При некотором меньшем напряжении U₂ промежуток между основными электродами не пробивается, даже если подать напряжение на вспомогательный электрод. Отношение напряжений U₁ и U₂ приблизительно равно 2-3. Это и позволяет определенным образом использовать тиратрон в качестве автоматически действующего ключа.

Тиратроны обладают еще другими, необходимыми для ключа свойствами, а именно: большой перегрузочной способностью по току и самопогасанием при подходе тока к нулю.

Предварительный заряд смещающего конденсатора

Предварительный заряд конденсатора С осуществляется от сети по схеме, предложенной Гринвудом (рис.4).

Рис.4. Схема предварительного заряд конденсатора от сети

При отключенном выключателе цепь С, L3, R1 находится под напряжением. Конденсатор С заряжен в направлении, противоположном указанному выше (см.рис.1). При включении выключателя зажигается тиратрон VS. Возникает ток через выключатель. На него накладывается ток от конденсатора, который разряжается колебательно. Первая полуволна увеличивает ток, вторая полуволна уменьшает его и приводит к нулю, как показано на эскизе вверху справа. Конденсатор изменяет полярность, он готов к вытеснению тока из выключателя при отключении цепи.

В процессе включения выключателя ток в тиратроне переходит через нулевое значение. Однако он не способен прервать ток цепи выключателя, так как переход через нуль происходит очень быстро, а реактор L4 насыщен.

Ограничение перенапряжений

Как показано выше, по соображениям экономического порядка, функции отключения цепи и защиты от перенапряжений должны быть разделены. С этой целью предусматривают нелинейный резистор R2, способный поглотить запасенную в линии электромагнитную энергию и ограничить перенапряжения. Этот резистор-ограничитель собирают из оксидно-цинковых дисков и вводят в цепь с помощью тиратрона VS2 с поджигом (рис.5).

Рис.5. Полная схема выключателя постоянного тока высокого напряжения,
включая устройства для поглощения энергии и защиты от перенапряжений

Так как ток, проходящий через ограничитель, не изменяет направление, он не прерывается тиратроном, когда энергия цепей постоянного тока поглощается в сопротивлении ограничителя. Однако сопровождающий ток тиратрона VS2 мал и может быть отключен методом смещения в параллельно включенный конденсатор, как в выключателе. При этом может быть использован общий конденсатор С и тиратрон VS3. Энергия, соответствующая сопровождающему току, мала и может быть поглощена конденсатором, опасные напряжения при этом не возникают. Насыщающийся реактор L5 уменьшает скорость снижения тока при подходе его к нулю.

Таким образом, процесс отключения тока КЗ протекает в следующей последовательности. Сначала ток смещается из выключателя в параллельно включенный конденсатор С; затем, напряжение на контактах выключателя начинает увеличиваться, ток смещается в ограничитель R2, в котором поглощается большая часть запасенной энергии; наконец, ток вытесняется опять в конденсатор С.

Сенсорные выключатели: разновидности, устройство, схемы

Внешне сенсорный выключатель света похож на кристаллическую панель с разметкой. Бытовые модели, используемые в сетях 220 вольт, могут отличаться по цвету, форме, фактуре поверхности. В последнее время сенсорные выключатели все чаще применяют для:

• Подключения бра
• Управления элементами подсветки многоуровневых потолков
• Регулировки основного освещения в квартире

Такой прибор можно купить или сделать своими руками.

Устройства разных типов могут реагировать на:

• Прикосновение пальца к рабочей поверхности
• Приближение руки к сенсору
• Другие изменения условий в комнате (температура, движение, звук, время)

Разновидности

Сенсорный выключатель может быть оснащен дополнительными функциями, его конструкция бывает основана на разных принципах действия. Стоит обозначить 4 популярные модификации:

1. С пультом ДУ. Удобно использовать для управления бра, светодиодной лентой и т. д.
2. Емкостной. Реагирует на легкое прикосновение. Такое устройство можно сделать своими руками, об этом немного ниже.
3. С таймером. Помогает экономить на электричестве, отключая свет, когда в квартире никого нет.
4. Бесконтактный. Реагирует на определенные особенности обстановки: звук, изменения уровня освещенности, перепад температур, движение.

Каждую из разновидностей можно оборудовать диммером. С его помощью регулируется яркость освещения в комнате.

Устройство сенсорного выключателя

Вне зависимости от принципа работы, сенсорные выключатели имеют одинаковое строение: все они состоят из четырех основных частей.

1. Лицевая поверхность. Иногда за ней устанавливают элемент подсветки.
2. Датчик. От его типа зависит принцип действия выключателя.
3. Коммутационная схема, преобразующая получаемый сенсором сигнал в электрический.
4. Корпус. Он может быть накладной (устанавливается снаружи), или с внутренним монтажом (встраивается в стену).

Модели с плавной регулировкой интенсивности освещения

Если требуется устройство, позволяющее изменять уровень яркости постепенно, стоит обратить внимание на сенсорные выключатели с диммерами.

Некоторые такие приспособления могут регулироваться с помощью пульта ДУ. Не вставая с кресла можно настраивать яркость бра или светодиодной подсветки.
Сенсорный выключатель с этим устройством продлевает срок эксплуатации ламп накаливания, устраняя эффект резкой подачи напряжения.
Схемы подключения некоторых приборов требуют обязательного наличия блока питания или диммера. Такое устройство выключателя как нельзя лучше подходит для управления контуром светодиодной ленты.

Модели для монтажа светодиодной подсветки

Сенсорные выключатели для светодиодных лент, профилей также называют «диммерами». Они применяются и с другими устройствами, рассчитанными на питание от 12 В.
Диммеры позволяют не только включать или выключать отрезок светодиодной ленты, но и настраивать яркость.
Электронные устройства чаще всего бывают с сенсорным управлением. Их иногда включают в схемы устройства интерьерного LED-освещения для:

• Обустройства подъездов, лестничных пролетов
• Подчеркивания стиля дизайна квартиры
• Оборудования системы «Умный дом»

Многие из них не рассчитаны на 220 вольт, поэтому для бра и люстр нужно подключить отдельные устройства.

Емкостной датчик

Емкостные выключатели света являются более чувствительными. Принцип работы основан на существовании электростатического поля. Оно заполняет также пространство вокруг датчика. Когда емкость в этом поле изменяется (человек подносит руку к выключателю), сенсор срабатывает и включает бра или люстру.
В основе датчика лежит простой конденсатор. Два электрода на поверхности выключателя являются его обкладками. Когда к ним приближается физический объект, емкость конденсатора меняется. Это становится сигналом для включения света.
Каждой модели свойственны индивидуальные особенности. Чувствительность некоторых из них можно настроить в процессе установки.

Как подключить устройство

Каких-либо технических особенностей установки сенсорных выключателей в сети 220 вольт не существует. Могут меняться требования к выбору места.
Например:

• Если устройство поддерживает функцию управления пультом ДУ, то он должен быть виден с зоны отдыха
• Модели, реагирующие на изменение температуры, не следует располагать возле радиатора отопления

Отличаться может схема подключения выключателя для светодиодной ленты.
Важно помнить правила безопасности при работе с электричеством, отключать счетчик. Необходимо закрывать все оголенные провода с помощью изоляционной ленты.
Если прибор накладной, для его установки не придется делать углубление в стене. Процесс подключения такого устройства довольно прост. Каждый может сделать это своими руками.

Как сделать сенсорный датчик

Имея опыт работы с паяльником, и раздобыв некоторые детали, можно создать своими руками простой сенсорный выключатель, рассчитанный на работу в сети 220 вольт. Самая простая схема выглядит так:

Конденсатор C3 использовать не обязательно.

Итак, для создания сенсорного выключателя своими руками понадобятся такие детали:

• Сопротивление на 30 Ом
• Транзисторы КТ315 (два)
• Электролитический конденсатор (100 мкф, 16 В)
• Простой конденсатор (0,22мкф)
• Полупроводник Д226
• Мощная батарейка или блок питания (выходное напряжение 9 В)

Все это нужно спаять согласно схеме. В подходящем по размеру корпусе (можно использовать старый накладной выключатель) делается отверстие на лицевой части. В него выводится провод. Для работы сенсорного выключателя света схему нужно подключить к блоку питания, а проводок присоединить к металлической пластинке, которая будет закреплена на передней плоскости самодельного устройства.

Скорее всего, создание накладного сенсорного выключателя своими руками обойдется дешевле, чем покупка настоящего. Получившийся прибор вполне можно использовать для подключения подсветки в доме.

Емкостной выключатель своими руками

Емкостной выключатель света, сделанный своими руками, вполне может быть использован для устройства подсветки из светодиодной ленты или управления лампами люстры. Он также может быть накладной или встроенный в стену. Схема является не настолько простой, как предыдущая.

Датчик WA1 реагирует на приближение ладони. Емкость вносится в колебательный контур на транзисторе VT 1 и меняет его частоту.

Сопротивления R6 и R7 нужны для стабильной работы устройства при скачках напряжения от 4 до 10 вольт.

Рекомендуем прочитать:

1. Светодиодные лампы для растений и рассады: правила выбора
2. Как выбрать лампы для подсветки растений
3. Звуковой выключатель в обычный дом: нужно ли?
4. Установка выключателя своими руками

One thought on “ Сенсорные выключатели: разновидности, устройство, схемы ”

Спасибо за отличные статьи, все прекрасно объяснено и расписано. Доходчиво просто понятно…

Емкocтный дaтчик

Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический. Различают емкостные датчики, действие которых основано на изменении зазора между пластинами или площади их взаимного перекрытия, деформации диэлектрика, изменении его положения, состава или диэлектрической проницаемости. Наиболее часто емкостные датчики применяют для измерений меняющихся давления или уровня, точных измерений механических перемещений и т. п.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Устройство емкостного датчика

Емкocтный бecконтакный датчик функционирует следующим образом:

1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.
2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.
3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.
4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.
5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.
6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.
7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки «развернутого» конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определени реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn

Конструкция, принцип действия и основные технические характеристики

Устройство и работа выключателя

Выключатель состоит из трех дугогасительных полюсов, закрепленных на корпусе, который является основной несущей и изоляционной деталью. Каждый полюс содержит вакуумную дугогасительную камеру (КДВ), механизм дополнительного поджатия контактов КДВ и тоководы, конструктивно расположенные в корпусе.

Электромагнитный привод через систему рычагов замыкает и размыкает контакты КДВ.

Электрическая схема блока питания и управления собрана на панели, закрепленной на корпусах дугогасительных блоков.

Выключатель имеет в своем составе микропроцессорный блок защиты и встроенные (на верхних тоководах) блоки трансформаторов, отслеживающих токи и напряжения главной цепи.

Включение выключателя

Для включения выключателя необходимо подать напряжения управления на разъем РП управление выключателем производится через контакты разъема РП При этом электромагнит включения включается и своим штоком приводит в движение рычажную систему. Она через вал привода, шпильку, изолятор замыкает контакты камеры, затем, перемещаясь дальше обеспечивает контактное поджатие через пружину. Рычажная система встает на защелку, и контакты размыкаются, и питание электромагнита снимается. Выключатель включен.

Отключение выключателя

Отключение выключателя производится электромагнитом отключения кнопкой отключения или расцепителями в аварийных ситуациях.

При отключении подается команда на один из выше перечисленных объектов, вал механизма защелки поворачивается, фиксатор освобождает рычаг рычажной системы. Рычажная система под действием пружин и возвращается в отключенное положение и через шпильку размыкает контакты камер. После отключения рычажная система под действием пружин самовзводится, выключатель готов к работе.

Аварийное отключение производится микроблоком защиты, который отслеживает сигналы с блоков трансформаторов. При обнаружении аварийной ситуации (ток перегрузки, ток короткого замыкания, пониженное напряжение) блок защиты отключает выключатель, подавая напряжение заряженного конденсатора на оперативный электромагнит отключения. Блок защиты питается от оперативного напряжения управления, а при его отсутствии от блоков трансформаторов, установленных в главной цепи.

ОСНОВНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Автоматическая защита

Выключатель поставляться как с блоком электронной токовой защиты, так и без блока (для применения в горнорудной и др. отраслях, где токовая защита применяется своя). Электронная токовая защита обеспечивает следующие виды защит (одну или несколько в зависимости от типоисполнения выключателя или без защит):

— максимальная токовая защита каждой из фаз по перегрузу с выдержкой времени, зависимой от тока;

— максимальная токовая защита каждой из фаз по перегрузу с выдержкой времени, независимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий с выдержкой времени, зависимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий с выдержкой времени, независимой от тока;

— токовая отсечка в зоне коротких замыканий без выдержки времени;

— токовая защита по току утечки на землю с выдержкой времени, независимой от тока;

— минимальная защита каждой из фаз по напряжению, с выдержкой времени;

— нулевая защита каждой из фаз по напряжению, с выдержкой времени.

Устройство обеспечивает оперативную установку
пороговых уровней защиты

* При поставке уставки по току отсечки и току перегрузки с выдержкой времени зависимой от тока программируются неутключаемые уставки.

Примечание:
1) Выделенные уставки устанавливаются заводом-изготовителем, уставки могут перенастраиваться в процессе эксплуатации.
2) При отдельном заказе программируются другие значения уставок по требованию потребителя.