Способ автоматической коммутации электрических цепей и устройство для его реализации

Способ автоматической коммутации электрических цепей включает соединение токоведущих элементов между собой с образованием непрерывной электрической цепи с использованием вспомогательного элемента в виде плавкого электропроводного вещества, а также нагрев сборки до температуры расплавления этого вещества. При этом соединение токоведущих элементов электрических цепей, один из которых представляет собой первый цилиндрический электрод, который введен в полость второго электрода, выполненного как ответная часть первого электрода, в основание которого встроен электровоспламенитель, производят путем помещения в межконтактное пространство соединяемых элементов электрических цепей в качестве вспомогательного элемента терморасплавляемого исходного материала для получения электропроводного вещества (ИМПВ) в виде двух слоев, разделенных слоем диэлектрика, выполненного из слоя оксида никеля (II) валентного, нанесенного на несущий слой из меди. При этом ИМПВ выполнен из пиротехнического состава в виде смеси металла-ингибитора в виде порошкообразной меди, металла-восстановителя - или алюминия, циркония, или титана и оксида меди. Технический результат - обеспечение ускоренного и надежного электрического замыкания цепи за счет получения прочного неразрушаемого соединения и термоустойчивости сборки при температурах эксплуатации свыше 300°C. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергетики, в частности к коммутационным электрическим устройствам, и может быть использовано для автоматического соединения элементов электрических цепей.

Актуальность решаемой проблемы основана на необходимости создания быстродействующих малогабаритных сильноточных замыкателей электрических цепей, способных в автоматическом режиме в заданный момент времени подключить/или отключить приборы или иные потребители электроэнергии на территориально удаленных электрических подстанциях.

Из предшествующего уровня техники известен способ автоматической коммутации электрических цепей из патента РФ №2136093, МПК H01H 37/76, публ. 27.03.19997 г., согласно которому надежное прямое соединение элементов электрических цепей (контактных штырей и гнезд) осуществляется автоматически при срабатывании узла сигнализации посредством соединителя, содержащего вилку и розетку, приводимых во встречное движение за счет срабатывания упругого элемента (разжимания пружины).

Однако данный способ не обеспечивает достаточно быстрое подключение в заданный момент времени источников питания к внешнему дистанционно удаленному потребителю электроэнергии.

Известен из патента РФ №2136091, МПК H01R 13/35, публ. 28.08.1999 г. способ автоматического соединения элементов электрических цепей посредством электросоединителя, в котором имеются элементы фиксации и элементы взаимной ориентации и фиксации, выполненные в виде легкоплавких покрытий на поверхностях сочленяемых штырей электросоединителя, соответствующих им гнезд и электронагревателей.

К недостаткам аналога относится ограниченность использования электросоединенителя традиционного типа для сильноточной коммутации электрических цепей с повышенными требованиями к надежности и качеству соединения элементов со стабильным и минимальным контактным сопротивлением.

В качестве наиболее близкого по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу коммутации электрических цепей является известный из патента РФ №2208279, МПК H01R 12/22, публ. 10.07.2003 г. способ соединения элементов электрических цепей, в котором электрический элемент соединения снабжен плавким электропроводным веществом в виде паяльной пасты, который нагревают до температуры расплавления этого вещества с получением надежного припаивания плавкого электропроводного элемента к заданной части контакта.

К недостаткам аналога относится недостаточно высокая надежность, сложность т ограниченность его использования только для монтажа соединителей с высокой плотностью размещения элементов на подложке.

Задачей авторов изобретения является разработка способа автоматической коммутации электрических цепей для получения надежного автоматического соединения элементов электрических цепей в заданный момент времени эксплуатации.

Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого способа, заключается в обеспечении ускоренного срабатывания в заданный момент времени и надежного замыкания электрической цепи за счет получения прочного неразрушаемого соединения, снижения масс-габаритных показателей сборки, термоустойчивости ее при эксплуатации в диапазоне заданных температур (300-600°C).

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе автоматической коммутации электрических цепей, включающем соединение токоведущих элементов электрических цепей между собой с образованием непрерывной электрической цепи с использованием вспомогательного элемента в виде плавкого материала, нагрев сборки до температуры образования расплавленного состояния плавкого электропроводного вещества с последующим замыканием электрических контактов цепи, согласно изобретению соединение токоведущих медных элементов электрических цепей, один из которых представляет собой первый цилиндрический электрод, который введен в полость второго электрода, выполненного как ответная часть первого электрода, в основание которого встроен электровоспламенитель, производят путем помещения в межконтактное пространство соединяемых электродов в качестве вспомогательного элемента терморасплавляемого исходного материала для плавкого электропроводного вещества (ИМПВ) в виде двух слоев, разделенных слоем диэлектрика, выполненного из слоя оксида никеля, нанесенного на несущий слой из меди, при этом ИМПВ выполнен из пиротехнического состава в виде смеси металла-ингибитора в виде порошкообразной меди, металла-восстановителя - или алюминия, циркония, или титана и оксида меди, на который подают посредством электровоспламенителя воспламенительный импульс для инициирования экзотермической химической реакции в указанной смеси с образованием расплавленных электропроводных металлических продуктов.

Известно устройство для реализации предлагаемого способа автоматической коммутации электрических цепей (патент РФ №1577603, МПК Н01Н 29/00, публ. 10.12.1995 г.), содержащее в цепи генератора плавкий (жидкометаллический) контакт, нагрузку и цепь управления в виде логической схемы элементов, выдающей командные сигналы на подключение/отключение, в котором при коротком замыкании в нагрузке происходит разрыв жидкометаллического контакта.

В качестве прототипа заявляемого устройства известно устройство коммутатора (патент РФ №2076374, МПК H01H 37/76, публ. 27.03.1997 г.), содержащее в корпусе первый и второй неподвижные контакты, установленные с постоянным зазором и соединенные внахлест с третьим подпружиненным контактом посредством плавкого вещества с температурой плавления, равной необходимой температуре отключения электронагевательного прибора.

К недостаткам известных аналогов относится отсутствие возможности обеспечения надежной сильноточной коммутации электрических цепей с повышенными требованиями к надежности и качеству сочленения со стабильным и минимальным контактным сопротивлением.

Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка устройства для автоматической сильноточной коммутации электрических цепей с повышенными требованиями к надежности и качеству и минимизации пространства сочленения токоведущих элементов электрических цепей со стабильным и минимальным контактным сопротивлением.

Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым устройством, заключается в обеспечении надежной сильноточной коммутации электрических цепей с повышенными требованиями к надежности и качеству минимизации пространства сочленения со стабильным и минимальным контактным сопротивлением.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном устройстве для автоматической коммутации электрических цепей, содержащем неподвижные контакты, расплавляемый контакный элемент в межконтактной зоне, согласно предлагаемому устройству в межконтактной зоне коммутируемой электрической цепи, контакты которой выполнены из меди, размещены по меньшей мере два расплавляемых контактных элемента из пиротехнического состава, продукты горения которого электропроводны, разделенные слоем диэлектрика, выполненного из оксида никеля (II), нанесенного на слой из меди, один из контактных элементов непосредственно соединен с электровоспламенителем, который размещен в полости одного из электродов, с которым контактирует указанный контактный элемент.

Предлагаемые способ автоматической коммутации электрических цепей и устройство для его реализации поясняются следующим образом.

На фиг. 1 представлен вид устройства для автоматической коммутации электрических цепей, где 1- первый контакт крепления, 2 - гибкий проводник, 3 - центральный электрод, 4 - изолятор, 5 - силовой корпус, 6 - внешний электрод, 7 - пиротехническая смесь, 8 - второй контакт крепления, 9 - изоляция, 10 - электровоспламенитель, 11 - проводник цепи электровоспламенителя.

Устройство для автоматической коммутации электрических цепей (контактор) состоит из двух коммутируемых электродов 3, 6, изолированных друг от друга керамическим изолятором 4, изоляционной прокладкой 9, и пиротехнической смесью 7, изоляционные свойства которой обеспечены технологией изготовления с применением оксида никеля (II). Жесткость конструкции обеспечивается силовой оболочкой корпуса 5. Внешний электрод 6 соединен с контактом крепления 8 путем распрессовки основания электрода 6. В распрессованное основание внешнего электрода впрессован электровоспламенитель 10, а контакт цепи задействования выведен изолированным проводником наружу и заделан на конце в кабельный наконечник 11. Центральный электрод 3 соединен с кабельным наконечником 1 посредством гибкого проводника 2 методом обжатия.

Соединение токоведущих медных элементов электрических цепей, один из которых представляет собой первый цилиндрический электрод 3 с металлическим наконечником, производится введением в полость второго электрода 6, выполненного как ответная часть первого электрода, с встроенным в его основании электровоспламенителем 10 и завершается после расплавления вспомогательного элемента.

В процессе сборки в межконтактное пространство электродов 3 и 6 электродов помещают в качестве вспомогательного элемента 7 пиротехнический состав в виде смеси алюминия, или циркония, или титана и оксидов металлов, расположенных в ряду напряжений правее указанных металлов, при горении которого выделяется большое количество тепла с образованием электропроводящих продуктов реакции (чистых металлов).

Когда для инициирования экзотермической химической реакции на вспомогательный элемент 7 посредством электровоспламенителя 10 подают воспламенительный импульс, в указанной пиротехнической смеси происходит образование расплавленных электропроводных металлических продуктов, посредством которых происходит сплавление электродов и замыкание цепи.

Изготовление терморасплавляемого исходного материала для плавкого электропроводного вещества (ИМПВ) производят в виде двух слоев, разделенных слоем диэлектрика, выполненного из слоя оксида никеля (II) валентного, нанесенного на несущий слой из меди, при этом ИМПВ выполнен из пиротехнического состава в виде смеси металла-ингибитора в виде порошкообразной меди, металла-восстановителя - или алюминия, циркония, или титана и оксида меди.

Экспериментально показано, что продукты горения пиротехнической смеси (ПС) расплавляются и полностью заполняют межконтактное пространство указанной конфигурации, что подтверждает надежность получаемого соединения. При этом применение ингибитора обеспечивает оптимальное быстродействие процесса замыкания и предотвращает протекание процесса расплавления взрывного характера.

Обеспечению повышения надежности и качества соединения элементов электрических цепей способствуют условия, приводящие к получению при повышенных температурах (порядка 300°C) жидких токопроводящих продуктов реакции, инициируемой воспламенительным импульсом, при этом состав вспомогательного плавкого элемента подобран таким образом, что продукты реакции имеют высокую точку кипения во избежание образования пара, следствием чего роста избыточного давления не происходит.

Выполнение вспомогательного плавкого элемента для соединения электрических цепей в виде 3-слойной системы в исходном состоянии необходимо для исключения проводимости между электрическими контактами из-за электропроводности пиротехнического состава. Эта задача решается за счет разделения слоев пиротехнического состава слоем диэлектрика на основе никеля (II). Слой никеля (II) наносят на несущий слой меди с двух сторон.

Таким образом, при использовании предлагаемых способа автоматической коммутации электрических цепей и устройства для его реализации обеспечиваются возможность ускоренного срабатывания и надежного замыкания цепи за счет получения прочного неразрушаемого соединения, снижения массово-габаритных показателей сборки, повышения термоустойчивости ее при эксплуатации при температурах свыше 300°C.

Возможность промышленной реализации предлагаемого способа порясняется следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1. Предлагаемый способ реализован в лабораторных условиях на примере устройства, изображенного на фиг. 1.

Исходный материал в виде порошкообразной прессованной смеси формируют в виде стакана из трех слоев:

1) Пиротехническая смесь.

2) Диэлектрик.

3) Пиротехническая смесь.

Электровоспламенитель выбран из числа применяемых в промышленности для инициирования термитных смесей (марки ЭВ-ПТ-ГР).

При подаче теплового импульса от электровоспламенителя осуществляется разогрев порошкообразной смеси и инициируется экзотремическая химическая реакция восстановления металла из пиротехнической смеси плавкого элемента, в результате которой происходит образование электропроводных плавких продуктов.

При поджиге формируются зоны проводимости, при этом протекание тока в коммутируемой цепи сопровождается эффектом «дребезги» контактов. Через 0,2-0,06 с процесс формирования контакта между электрическими контактами 3 и 6 завершается.

Проверка надежности соединения элементов электрических цепей производится путем визуального контроля шлифа, получаемого при распиле межконтной зоны, который при правильном развитии процесса имеет вид сплошной области контакта без разрывов и неоднородностей.

Как показал пример при реализации предлагаемых способа и устройства обеспечиваются ускоренное срабатывание в заданный момент времени и надежное замыкание электрической цепи за счет получения прочного неразрушаемого соединения, снижение массово-габаритных показателей сборки, термоустойчивость ее при эксплуатации в диапазоне заданных температур (300-600°C).

1. Способ автоматической коммутации электрических цепей, включающий соединение токоведущих элементов между собой с образованием непрерывной электрической цепи с использованием вспомогательного элемента в виде плавкого материала, нагрев сборки до температуры расплавления этого вещества с последующим замыканием электрических контактов цепи, отличающийся тем, что соединение токоведущих элементов электрических цепей, один из которых представляет собой первый цилиндрический электрод, который введен в полость второго электрода, выполненного как ответная часть первого электрода, в основание которого встроен электровоспламенитель, производят путем помещения в межконтактное пространство соединяемых элементов электрических цепей в качестве вспомогательного элемента терморасплавляемого исходного материала для плавкого электропроводного вещества (ИМПВ) в виде двух слоев, разделенных слоем диэлектрика, выполненного из слоя оксида никеля, нанесенного на несущий слой из меди, при этом ИМПВ выполнен из пиротехнического состава в виде смеси металла-ингибитора в виде порошкообразной меди, металла-восстановителя - или алюминия, циркония, или титана и оксида меди, на который подают посредством электровоспламенителя воспламенительный импульс для инициирования экзотермической химической реакции в указанной смеси с образованием расплавленных электропроводных металлических продуктов.

2. Устройство для реализации способа автоматической коммутации электрических цепей по п. 1, содержащее неподвижные контакты, расплавляемый контактный элемент в межконтактной зоне, отличающееся тем, что в межконтактной зоне коммутируемой электрической цепи, контакты которой выполнены из меди, размещены по меньшей мере два расплавляемых контактных элемента из пиротехнического состава, продукты горения которого электропроводны, разделенные слоем диэлектрика, выполненного из оксида никеля (II), нанесенного на слой из меди, один из контактных элементов непосредственно соединен с электровоспламенителем, который размещен в полости одного из электродов, с которым контактирует указанный контактный элемент.