Быстродействующий предохранитель

 

Изобретение относится к электрическому оборудованию электрофизической и электротехнической аппаратуры, в частности к аппаратам, в которых конструктивно и функционально объединены электрические коммутационные аппараты и защитные устройства типа плавких предохранителей. Технический результат - повышение быстродействия, уменьшение отношения отключаемого аварийного тока к номинальному и обеспечение возможности работы предохранителя как по импульсу управления, так и в автоматическом режиме. Быстродействующий предохранитель содержит сменный элемент, в который наряду с основной токоведущей частью включены соединенные последовательно электровзрывной участок и разрываемые участки. С одной стороны электровзрывного участка сменного элемента в непосредственном контакте с ним расположена газогенерирующая смесь, помещенная в изоляционную камеру. Камера снабжена каналами, соединяющими ее внутренний объем с объемом над поршнем из изоляционного материала, расположенным непосредственно у разрываемых участков сменного элемента. С другой стороны разрываемых участков сменного элемента расположен конус, выполненный из изоляционного материала. 1 ил.

Изобретение относится к электрическому оборудованию систем питания и управления ускорителей заряженных частиц, термоядерных установок и другой электрофизической и электротехнической аппаратуры и, в частности, к аппаратам, в которых конструктивно и функционально объединены электрические коммутационные аппараты и защитные устройства типа плавких предохранителей.

В современных разработках систем питания к таким аппаратам, наряду с номинальными и аварийными характеристиками тока и напряжения и необходимостью работы в автоматическом режиме, предъявляются очень высокие требования в части их быстродействия, в особенности в системах питания, создаваемых на основе современных полупроводниковых приборов.

Известны предохранители, состоящие из изоляционного патрона и сменного элемента, размещенного вдоль оси патрона (Плавкие предохранители серии ПП57. - Каталог Информэлектро 07.04.07-84, 1985 г.).

Такие предохранители обеспечивают срабатывание в автоматическом режиме, но обладают невысоким быстродействием при небольших значениях аварийного тока. В соответствии с время токовой характеристикой при отношении аварийного тока к номинальному I_ав/I_ном=10 и I_ав/I_ном=100 полное время выключения аварийного тока для предохранителей серии ПП57 составляет t₁₀≈1 с и t₁₀₀≈10^-2 с. Такое быстродействие предохранителей не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к защитным устройствам современных систем питания, в частности, созданных на основе полупроводниковых приборов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является быстродействующий предохранитель, содержащий два сменных элемента, выполненных из проводящего материала, один из которых находится в плавком предохранителе, а другой разрушается поршнем, установленным вблизи приемной камеры, имеющей коническую форму и принимающей разрушенную часть сменного элемента, газогенерирующую смесь, представляющую собой взрывчатое вещество, помещенное в другой камере, находящейся в стальном цилиндрическом корпусе привода этого устройства, причем с одной стороны камеры расположен упомянутый поршень, а с противоположной стороны установлен соединитель с устройством срабатывания по импульсу управления (Sehr schnell wirkende sprengsatzsieherung. - Каталог фирмы Ferraz (France), NT PYRO 100-10/91, 1991 г., s.4, Fig.l, s.5 Bild 3, s.6, Bild 4, s.l3 Beispiel 4.3, s.14 oszillogramme 5).

Недостатками такого предохранителя являются: - относительно невысокое быстродействие при выключении аварийного тока; - большая величина отключаемого аварийного тока по отношению к номинальному; - ограниченные функциональные возможности, так как этот предохранитель может работать только в управляемом режиме и не может работать в автоматическом режиме, а для его функционирования дополнительно необходимы измеритель тока, блок управления, разделительный трансформатор; - относительно невысокая надежность, так как коммутационная часть устройства и плавкий предохранитель включены параллельно и после выключения аварийного тока электрическая прочность известного быстродействующего предохранителя определяется ступенью с минимальной электрической прочностью.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи повышения быстродействия, уменьшения величины отключаемого аварийного тока по отношению к номинальному, расширения функциональных возможностей и повышения надежности предохранителя.

Сущность изобретения заключается в быстродействующем предохранителе, содержащем сменный элемент, поршень, конус, камеру, газогенерирующую смесь, устройство срабатывания по импульсу управления, в котором в сменный элемент предохранителя, наряду с его основной токоведущей частью, включены соединенные последовательно электровзрывной участок и разрываемые участки, с одной стороны электровзрывного участка сменного элемента в непосредственном контакте с ним расположена газогенерирующая смесь, помещенная в изоляционную камеру, причем камера снабжена каналами, соединяющими ее внутренний объем с объемом над поршнем, выполненным из изоляционного материала, который расположен непосредственно у разрываемых участков сменного элемента, а с другой стороны разрываемых участков сменного элемента расположен конус, выполненный из изоляционного материала.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является: - существенное (в несколько раз) повышение быстродействия по сравнению с прототипом; - существенное (в несколько раз) уменьшение отношения отключаемого аварийного тока к номинальному; - возможность работы предлагаемого предохранителя как по импульсу управления, так и в автоматическом режиме.

На чертеже, в качестве примера осуществления изобретения, представлен в разрезе общий вид предлагаемого быстродействующего предохранителя. Предохранитель состоит из изоляционного цилиндра 1, сменного элемента 2 и корпуса 3. В изоляционном цилиндре 1 образована камера 4. Сменный элемент 2 помимо основной токоведущей части с выводами включает в себя электровзрывной участок 5 и разрываемые участки 6, все соединенные последовательно. С одной стороны сменного элемента 2 непосредственно у электровзрывного участка 5 расположена газогенерирующая смесь 7, помещенная в камеру 4. В непосредственном контакте с газогенерирующей смесью 7 расположено устройство 8, обеспечивающее срабатывание предохранителя по импульсу управления. С одной стороны разрываемых участков 6 расположен изоляционный поршень-нож 9. С другой стороны этих участков сменного элемента 2 расположен изоляционный конус 10. Изоляционная камера 4 снабжена каналами 11, соединяющими ее внутренний объем с объемом над поршнем-ножом 9. Токоведущие части предохранителя могут быть выполнены из меди, изоляционный цилиндр, изоляционный поршень-нож, корпус - из стеклотекстолита, изоляционный конус - из полиэтилена. Газогенерирующая смесь может быть выполнена на основе порошкового полихлорвинила, а в качестве устройства срабатывания по импульсу управления может быть использована взрывающаяся проволочка. Сечение сменного элемента в зависимости от номинального рабочего тока на электровзрывном участке 5 может составлять от 0,3 мм² до 5 мм², а на разрываемом участке 6 - от 20 мм² до 100 мм².

Быстродействующий предохранитель работает следующим образом.

В нормальном эксплуатационном режиме ток протекает по сменному элементу 2 без существенного нагрева электровзрывной части 5 сменного элемента. В аварийном режиме при нарастании аварийного тока происходит электрический взрыв этой части сменного элемента, и возникает электрическая дуга. Дуга инициирует процесс генерации газа из газогенерирующей смеси 7, при этом в камере 4 и в объеме над поршнем-ножом 9 возрастает давление. При определенной величине давления изоляционный поршень-нож 9 разрушает сменный элемент 2 на разрываемых участках 6, при этом образуются две дополнительные последовательно включенные дуги, которые увлекаются поршнем-ножом 9 к изоляционному конусу 10, где и осуществляется их гашение. При срабатывании предохранителя по импульсу управления процесс генерации газа инициируется устройством срабатывания. При этом начинается процесс газообразования, приводящий к повышению давления в объеме над поршнем-ножом 9. Далее процесс происходит так же, как и при срабатывании предохранителя в автоматическом режиме. Таким образом, предлагаемый предохранитель обеспечивает работу как в автоматическом режиме, так и по импульсу управления.

Время срабатывания является суммой времен: времени до образования дуги в электровзрывном участке 5 сменного элемента, времени нарастания давления до величины, необходимой для разрушения части 6 сменного элемента, и времени движения поршня-ножа 9 до полной его остановки и гашения дуги в изоляционном конусе 10. Время срабатывания предлагаемого предохранителя составляет около 1-2 мс, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Это время существенно меньше времени срабатывания прототипа, которое составляет 3-5 мс и является суммой времен: времени срабатывания системы управления, времени срабатывания коммутационной части устройства, времени до образования дуги в предохранителе и времени гашения дуги. Величина отношения отключаемого аварийного тока к номинальному в прототипе составляет I_ав/I_ном≈10, а в предлагаемом аппарате - I_ав/I_ном= 3-5. Это связано с тем, что размеры электровзрывного участка 5 сменного элемента, начинающего процесс отключения, могут быть выбраны так, чтобы его взрыв происходил при токе, всего в 2-3 раза большем номинального. Это связано с тем, что к участку 5 не предъявляются требования по обеспечению электрической прочности образовавшегося промежутка. При срабатывании предохранителя эту функцию выполняют разрываемые участки 6.

Формула изобретения

Быстродействующий предохранитель, содержащий сменный элемент, поршень, конус, изоляционную камеру, газогенерирующую смесь, устройство срабатывания по импульсу управления, отличающийся тем, что в сменный элемент предохранителя, наряду с его основной токоведущей частью, включены соединенные последовательно электровзрывной участок и разрываемые участки, с одной стороны электровзрывного участка сменного элемента в непосредственном контакте с ним расположена газогенерирующая смесь, помещенная в изоляционную камеру, причем изоляционная камера снабжена каналами, соединяющими ее внутренний объем с объемом над поршнем, выполненным из изоляционного материала, который расположен непосредственно у разрываемых участков сменного элемента, а с другой стороны разрываемых участков сменного элемента расположен конус, выполненный из изоляционного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1