ИМПУЛЬСНЫЙ ТОКОНЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 1995 года по МПК H01B1/02 H01F19/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике сильных импульсных магнитных полей, и предназначено преимущественно для использования в обмотке тороидального поля токамака, работающего в импульсном режиме.

Известны импульсные токонесущие элементы, содержащие проводник, которые остывают на воздухе в течение паузы между импульсами тока [1]. При пропускании тока из-за резистивного тепловыделения проводник нагревается. Скорость нагрева зависит от теплоемкости проводника, плотности тока и при заданной длительности импульса тока определяет рост температуры проводника за импульс. Максимальная температура токонесущего элемента при этом ограничена нормами по условиям надежности и безопасности, так как при повышении температуры снижаются, например, механическая прочность проводника и электрическая прочность изоляции. В паузах между импульсами проводник остывает на воздухе, однако недостаточно быстро. За один или несколько импульсов проводник нагревается до максимально допустимой температуры и требуется долговременный перерыв в работе. Продолжительная работа в импульсном режиме возможна только при небольших значениях тока и длительности импульса тока.

Известны импульсные токонесущие элементы, содержащие проводник и каналы, в которых размещен охладитель с возможностью движения, например вода [2] . При пропускании сильного тока резистивное тепловыделение в проводнике превышает теплоотвод к воде и проводник нагревается. В паузах между импульсами проводник охлаждается водой до начальной температуры. При заданном поперечном сечении токонесущего элемента его ток и длительность импульса тока ограничены максимально допустимой температурой.

Целью изобретения является повышение тока и длительности импульса тока.

Цель достигается тем, что импульсный токонесущий элемент электрического аппарата, содержащий проводник с каналом для движения охладителя, снабжен герметичным кожухом, охватывающим проводник с зазором относительно поверхности проводника с образованием полостей, заполненных материалом, аккумулирующим тепло при плавлении, а температура охладителя ниже температуры плавления указанного материала.

В качестве материала в полостях токонесущего элемента может быть использован галлий (Т_пл= 29^оС), а в качестве охладителя-вода. Если в качестве материала в полостях токонесущего элемента использовать лед, то охладителем может быть вода с добавлением антифриза.

Часть тепла, выделяющегося в проводнике токонесущего элемента в течение импульса тока вследствие резистивных потерь, отводится на плавление теплоаккумулирующего материала. Этот материал переходит в твердое состояние (замерзает) в течение паузы в полостях токонесущего элемента при циркуляции охладителя в канале токонесущего элемента. Так как температура проводника и его электрическое сопротивление при плавлении остаются постоянными до тех пор, пока теплоаккумулирующий материал не расплавится, то нагрев проводника в течение импульса тока происходит с задержкой во времени. В заявляемом токонесущем элементе часть объема занята теплоаккумулирующим материалом, поэтому при заданных размерах поперечного сечения и заданном токе возрастают плотность тока и скорость нагрева проводника. Однако с учетом задержки нагрева из-за плавления максимально допустимая температура проводника будет достигнута при более длительном импульсе тока либо при более высоком значении тока, чем в прототипе с теми же наружными размерами поперечного сечения.

На чертеже показан токонесущий элемент, поперечное сечение.

Импульсный токонесущий элемент электрического аппарата представляет собой медную проводящую шину 1 прямоугольного сечения с внутренним каналом охлаждения. В канале размещена вода 2 с возможностью движения. Шина окружена герметичным кожухом 3 из нержавеющей стали, а между ними имеются полости, заполненные галлием 4. Снаружи на кожух нанесена электрическая изоляция 5. В течение паузы при отсутствии тока и охлаждении водой галлий замерзает и переходит в твердое состояние. В течение импульса тока при резистивном тепловыделении галлий плавится. Температура и электрическое сопротивление проводника в течение плавления не возрастают, а допустимый нагрев за импульс соответствует более высоким значениям тока и длительности импульса, чем в прототипе.

При одинаковых наружных размерах поперечного сечения токонесущего элемента 10х10 мм², одинаковых значениях тока 10 кА и максимальной температуре проводника 80^оС для описанного токонесущего элемента, в котором полости с галлием занимают 20% сечения, длительность импульса тока на 6% больше, чем для прототипа. При снижении максимально допустимой температуры эффект существенно возрастает. Если ее значение составляет 60^оС, то импульс тока может быть на 35% длиннее, чем для прототипа.

Использование: в электротехнике, технике сильных импульсных магнитных полей, обмотках тороидального поля токамака. Сущность изобретения: импульсный токонесущий элемент электрического аппарата содержит проводник с внутренним каналом для движения охладителя, герметичный кожух, охватывающий проводник с зазором относительно поверхности проводника с образованием полостей, заполненных материалом, аккумулирующим тепло при плавлении, например галлием, а температура охладителя ниже температуры плавления указанного материала температуры плавления этого материала. Технический результат: при одинаковых размерах поперечного сечения и ограничении максимальной температуры в заявляемом импульсном токонесущем элементе значения электрического тока и длительности импульса тока выше, чем в прототипе. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ТОКОНЕСУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АППАРАТА, содержащий проводник с каналом для движения охладителя, отличающийся тем, что он снабжен герметичным кожухом, охватывающим проводник с зазором относительно поверхности проводника с образованием полостей, заполненных материалом, аккумулирующим тепло при плавлении, а температура охладителя ниже температуры плавления указанного материала. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала, аккумулирующего тепло при плавлении, использован галлий.