СПОСОБ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01T1/10 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам и устройствам, предназначенным для коммутации электрического тока, использующим свойства фазового перехода вещества, и может быть применено при создании ограничителей тока и напряжения, переключателей, предохранителей от коротких замыканий и т.д.

Известен способ коммутации электрического тока [1]. Этот способ основан на протекании электрического тока по поверхности диэлектрика. То есть в момент повышения напряжения в цепи формируется поверхностный пробой, и дальнейшее протекание электрического тока происходит только по поверхности диэлектрика.

Основными недостатками способа являются искровой характер скользящего разряда, значительно ограничивающий его применение, возникновение неустойчивостей и недостаточная надежность.

Известен взрывной размыкатель тока [2]. Он содержит токоотводящие электроды, соединенные элементом формирования электропроводящего плазменного канала, заряд взрывчатого вещества с инициатором и дугогасительный наполнитель. Элемент формирования электропроводящего канала выполнен в виде полого цилиндра, заряд взрывчатого вещества расположен внутри указанного цилиндра по оси, а в качестве дугогасительного наполнителя выбрана дисперсная инертная среда.

К недостаткам устройства можно отнести сложность конструкции и недостаточную надежность.

Известен способ коммутации электрического тока [3], принятый за прототип. Способ предназначен для гашения сильноточной коммутационной дуги высоковольтного выключателя, возникающей на размыкаемых контактах выключателя. Способ осуществляют путем воздействия на дугу отключения газового дутья, которое обеспечивается за счет создания в межконтактном промежутке выключателя избыточного давления элегаза.

В способе использован дуговой разряд, имеющий вследствие высокой температуры низкую напряженность поля. Продувание элегазом приводит к охлаждению разряда. Недостатком способа является использование дополнительных средств для гашения электрической дуги, что снижает надежность способа и ограничивает область его применения.

Известен коммутатор с гасителем сильноточной дуги [4], принятый за прототип. Он содержит токоподводящие электроды, соединенные полым цилиндрическим разрушаемым токовводом, внутри которого расположен заряд взрывчатого вещества с инициатором на оси, и диэлектрическую втулку, прилегающую к боковой поверхности электродов, в которой выполнен кольцевой канал. Имеется элемент формирования электропроводящего плазменного канала, выполненный в виде полого цилиндра. Элемент формирования плазменного канала расположен между электродами так, что соединяет их, а разрушаемый токоввод расположен внутри элемента формирования плазменного канала. При этом между элементом формирования плазменного канала и разрушаемым токовводом, диэлектрической втулкой и элементом формирования плазменного канала дополнительно размещен дугогасительный наполнитель.

Недостатком устройства является необходимость использования дополнительных элементов и материалов, усложняющих конструкцию, что понижает ее надежность и ограничивает область применения.

Изобретение решает задачу расширения арсенала средств коммутации электрических цепей, преимущественно сильноточных и высоковольтных.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности процесса коммутации за счет применения материалов с малой энергией испарения (сублимации) для контролируемого ведения разряда до момента его выключения, обеспечивающего коммутацию токов и напряжений.

Технический результат достигается за счет того, что в известном способе коммутации электрического тока, включающем размещение электродов с разрядным промежутком определенным образом относительно рабочего вещества и обеспечивающем отключение тока после возникновения разряда между электродами, в соответствии с изобретением, при возникновении электрического разряда между электродами сначала накапливают энергию разряда в части рабочего вещества в нетепловой форме в виде возбужденного метастабильного состояния и затем с помощью этой энергии отключают ток при фазовом переходе возбужденного вещества из проводящего состояния в непроводящее.

Кроме того, в качестве рабочего вещества используют легкоиспаряющийся (сублимирующий) материал, характеризующийся возможностью перехода вещества в возбужденное метастабильное состояние под воздействием разряда.

Кроме того, энергию разряда накапливают в поверхностных слоях рабочего вещества.

Кроме того, отключают ток при фазовом переходе возбужденного вещества из проводящего состояния в непроводящее за счет преобладания скорости связывания высокодисперсной фазой производимых разрядом ионов и электронов над скоростью производства новых зарядов.

Кроме того, в качестве рабочего вещества используют полиметилметакрилат.

Технический результат достигается за счет того, что в известном устройстве для коммутации электрического тока, содержащем электроды, рабочий элемент, разрядный промежуток, в соответствии с изобретением, рабочий элемент выполнен из материала, легко испаряемого и характеризующегося возможностью перехода в возбужденное метастабильное состояние под воздействием разряда, причем разрядный промежуток размещен полностью или частично внутри рабочего элемента, при этом минимальная длина разрядного промежутка удовлетворяет условию возникновения электрического пробоя при заданном напряжении включения, а максимальная длина - условию обеспечения выключения разряда при заданных величинах рабочего напряжения и тока.

Кроме того, разрядный промежуток выполнен в виде щели.

Кроме того, щель выполнена плоской секториальной.

Кроме того, секториальный угол составляет 180^o.

Кроме того, секториальный угол составляет 300^o.

Кроме того, щель выполнена плоской сегментарной.

Кроме того, рабочий элемент выполнен в виде двух дисков, установленных соосно с зазором, в котором радиально или по хорде размещены стержневые электроды, образующие сектор или сегмент с расположенной в нем межэлектродной изолирующей прокладкой.

Кроме того, межэлектродная прокладка в центре дисков имеет головку в виде круга, определяющего форму фронта разряда.

Кроме того, материалом рабочего элемента является, например, полиметилметакрилат.

Кроме того, разрядный промежуток в зонах крепления дисков снабжен ограничительными прокладками.

Сущность изобретения заключается в следующем. Наличие указанных признаков делает невозможным существование стационарного электрического разряда между электродами в заданном диапазоне напряжений и токов. Оно проявляет себя через взаимодействие разряда с рабочим веществом. Поэтому включение тока этого диапазона вызывает развитие переходного процесса в виде импульса самовыключения тока. При этом испаренное рабочее вещество в виде аэрозоля взаимодействует с током разряда и возбуждается. Частичная рекомбинация возбужденного вещества приводит к значительному увеличению испаренного рабочего вещества, смешивающегося с ранее возбужденным. Накопление этой смеси происходит до начала интенсивной рекомбинации, вызывающей быстрое диспергирование накопленного испаренного вещества и испарение нового. Резкое нарастание количества мелкодисперсного аэрозоля приводит к превышению темпа связывания зарядов над темпом поступления новых и гашению разряда. Смена фаз может происходить синхронно во всем объеме разрядного промежутка или в форме волны.

Необходимое взаимодействие разряда с веществом, достигаемое определенным расположением электродов с разрядным промежутком относительно рабочего вещества и использованием вещества легко испаряемого, способного образовывать метастабильное возбужденное состояние, позволяет надежно получать и применять такое состояние для коммутации. В отличие от [3] в изобретении рабочее вещество используется не для уноса производимого дуговым разрядом тепла, а для перевода его в режим с пониженным теплообразованием, что приводит к снижению температуры и повышению напряженности поля почти на порядок по сравнению с дуговым разрядом, а также к накоплению энергии в веществе в форме метастабильного электронно-возбужденного состояния с удельной величиной порядка 7eV/atom и более. Задержка рекомбинации возбужденного состояния, обусловленная его метастабильностью, предоставляет возможность накопления возбужденного вещества и использования его для выключения тока.

Накопление энергии в нетепловой форме определяет неравновесный характер проводимости, а также энергетических трансформаций и фазовых переходов, способных идти с повышенной интенсивностью по сравнению с равновесными, взрывоподобно и волнообразно, действовать избирательно и с задержкой, что повышает надежность коммутации высоких мощностей и расширяет арсенал средств коммутации.

Применение метастабильного возбужденного состояния в форме зарядов, связанных на поверхности рабочего вещества, позволяет посредством перемещения вещества и разряда эффективно отводить энергию из разряда, накапливать ее и концентрированно использовать для выключения тока в необходимой фазе процесса без применения запаса взрывчатого вещества [4], что повышает надежность коммутации больших мощностей.

Выбор метастабильного возбужденного состояния в форме зарядов, связанных на поверхности рабочего вещества, для решения поставленной задачи обусловлен тем, что рекомбинация этого возбужденного состояния вызывает испарение и диспергирование рабочего вещества. До некоторой стадии диспергирования увеличение поверхности приводит к соответствующему усилению способности связывать заряды и повышению темпа связывания, сопровождаемому уменьшением времени жизни возбужденного состояния. Увеличение поверхности при рекомбинации возбужденного состояния тем значительнее, чем ниже энергия испарения (сублимации) рабочего вещества.

Эти свойства метастабильного вещества предопределяют развитие процесса с нарастанием темпа, лавинообразно, что позволяет условно выделить в нем две стадии: стадию накопления энергии и стадию фазового перехода, сопровождаемого рекомбинацией возбужденного состояния, диспергированием рабочего вещества и выключением тока.

Полиметилметакрилат (оргстекло) обладает способностью эффективно связывать на своей поверхности разноименные заряды, низкой энергией испарения, способностью испаряться мономерами, жесткостью, достаточной для изготовления устройств, светопрозрачностью, позволяющей визуально контролировать ведение разряда, и является весьма подходящим материалом рабочего вещества.

Для рассмотрения примера конкретного осуществления предлагаемого способа можно использовать устройство, изображенное на фиг. 1.

Устройство (коммутатор) содержит рабочий элемент 1-2 в виде двух дисков, разрядный промежуток 3, образованный внутренними поверхностями дисков 1-2, ограничительные прокладки 4, расположенные между дисками 1-2 по наружному краю рабочего элемента, стержневые металлические электроды 5-6, разделенные изолирующей прокладкой 7.

В частных случаях выполнения разрядный промежуток 3 имеет форму плоской щели между электродами 5-6, причем с другой стороны электроды разделены изолирующей прокладкой. Толщина ограничительных и изолирующей прокладок выбирается по заданной толщине щели. Через эти прокладки стягиваются диски рабочего элемента 1-2.

Изолирующая прокладка 7 имеет форму сектора с круглой головкой в центре разрядного промежутка, форма и диаметр которой определяют начальную форму и минимальную длину электрического разряда. Изолирующая и ограничительная прокладки выполняются из листового полиэтилена, материал рабочего элемента, например полиметилметакрилат (оргстекло), достаточно легко сублимирует.

В другом частном случае, с целью уменьшения диаметра рабочего элемента или увеличения максимальной длины разрядного промежутка, разрядный промежуток 3 в рабочем элементе 1-2 может быть выполнен в виде щелевой винтовой поверхности, при этом электроды размещают в плоскостях нижнего и верхнего оснований винтовой поверхности.

Напряжения и токи включения и выключения зависят от диаметра дисков, толщины щели, диаметра головки межэлектродной прокладки.

Устройство работает следующим образом.

При достижении электрическим напряжением величины, превосходящей напряжение включения, происходит электрический пробой вокруг головки межэлектродной прокладки 7, и в разрядном промежутке 3 между дисками 1-2 устанавливается электрический разряд по дуге окружности, приводящий к испарению стенок дисков 1-2 и появлению дисперсной фазы, в которой течет ток разряда и накапливается энергия. При этом дисперсная фаза с происходящим в ней разрядом и частью накопленной энергии выбрасывается в радиальном направлении. Проходящее через разряд испаренное вещество интенсивно возбуждается, нагружает разряд, а затем прилипает к поверхности стенки перед разрядом. Ввиду метастабильного характера такого возбужденного состояния его рекомбинация, вызывающая испарение стенки, а затем и диспергирование испаренного вещества происходит с задержкой. Рекомбинация активизируется перемещающимся разрядом или в конце периода накопления, и благодаря этому на заднем фронте разряда присутствует область повышенного сопротивления и давления, вынуждающая разряд перемещаться в радиальном направлении вплоть до ограничительных прокладок 4 со скоростью от единиц до сотен метров в секунду. Этот процесс имеет вид волны, форма фронта которой задается формой головки изолирующей прокладки 7. Он сопровождается ростом длины разряда, увеличением падения напряжения на разрядном промежутке, а также уменьшением тока до выключения.

Коммутации мощностей, далеких от предельной, сопутствует режим непрерывно бегущего разряда (фиг.2). При высоких мощностях для поддержания непрерывного движения не хватает количества испаряемого вещества и запасаемой энергии. Это приводит к остановке разряда, накоплению испаренного вещества и энергии для его диспергирования, после чего движение возобновляется до выключения тока. Коммутация сопровождается выбросом диспергированного рабочего вещества с остатком энергии из раскрыва щели (фиг.3) и звуком, похожим на выстрел.

При величине секториального угла 180^o электроды расположены на одной прямой и создают минимальную индуктивность.

При величине секториального угла 300^o расстояние между выводами электродов является минимально необходимым для отсутствия внешнего пробоя, а максимальная длина разрядного промежутка является наибольшей из допустимых.

Испытания коммутатора весом 500 г с рабочим элементом, выполненным из оргстекла, и плоским разрядным промежутком диаметром 100 мм показали, что он надежно срабатывает при напряжении 25 кВ, а время срабатывания сравнимо со временем пробоя. Надежное выключение тока активной нагрузки при высоте щели 1 мм имеет место до 10 кВ/100 A ( 100 Ом, 1 MВт), при высоте щели 1,2 мм до 8 кВ/360 A (22 Ом, 2,9 MВт), при высоте щели 1,75 мм до 5 кВ/2000 A (2,5 Ом, 10 MВт). Длительность импульса выключения тока изменяется с ростом тока от 700 мкс до 200 мкс.

Примеры временных зависимостей напряжения на коммутаторе и тока нагрузки при выключении тока приведены на фиг. 4 для высоты щели 1 мм и сопротивления нагрузки 44 Ом, на фиг. 5 для высоты щели 1,75 мм и сопротивления нагрузки 3 Ом.

Предложенные способ и устройство способствуют повышению надежности процесса коммутации и расширению арсенала средств коммутации электрических цепей.

Список литературы
1. Дашук П.Н., Челноков Л.Л., Дарышева М.Д. Характеристики скользящего разряда по поверхности твердых диэлектриков применительно к высоковольтным коммутаторам. Электронная техника. Серия 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы, 1975 г., N 6. С. 9.

2. RU, авторское свидетельство N 1314851, H 01 H 39/00, 31.07.84.

3. RU, авторское свидетельство N 1634042, H 01 H 33/00, 23.02.89 (прототип).

4. RU, авторское свидетельство N 1447187, H 01 H 39/00, 01.07.87 (прототип).

Изобретение может быть применено при создании ограничителей тока и напряжения, переключателей, предохранителей от коротких замыканий и т.д. Технический результат - повышение надежности процесса коммутации и расширение арсенала средств коммутации электрических цепей, преимущественно сильноточных и высоковольтных. Для обеспечения коммутации электрического тока размещают электроды с разрядным промежутком полностью или частично внутри рабочего вещества, способного испаряться в виде аэрозоля. При возникновении разряда накапливают энергию разряда в части рабочего вещества в нетепловой форме в виде возбужденного метастабильного состояния и затем с помощью этой энергии отключают ток при фазовом переходе возбужденного вещества из проводящего состояния в непроводящее. 2 с.п. и 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ коммутации электрического тока, включающий размещение электродов с разрядным промежутком полностью или частично внутри рабочего вещества и отключение тока после возникновения разряда между электродами, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют способный испаряться материал, характеризующийся возможностью перехода испаренного в виде аэрозоля вещества в возбужденное метастабильное состояние под воздействием разряда, при этом при возникновении разряда между электродами сначала накапливают энергию разряда в части рабочего вещества в нетепловой форме в виде возбужденного местабильного состояния, и затем с помощью этой энергии отключают ток при фазовом переходе возбужденного вещества из проводящего состояния в непроводящее. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего вещества используют полиметилметакрилат. 3. Устройство для коммутации электрического тока, содержащее электроды, рабочий элемент, разрядный промежуток, размещенный полностью или частично внутри рабочего элемента, отличающееся тем, что рабочий элемент выполнен из способного испаряться материала, характеризующегося возможностью перехода испаренной в виде аэрозоля фазы в возбужденное метастабильное состояние под воздействием разряда, причем рабочий элемент выполнен в виде двух дисков, установленных соосно с зазором, в котором радиально размещены стержневые электроды, образующие сектор с расположенной в нем межэлектродной изолирующей прокладкой, которая в центре дисков имеет головку в виде круга, определяющего форму фронта разряда. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что секториальный угол составляет 180^o. 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что секториальный угол составляет 300^o. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что материалом рабочего элемента является полиметилметакрилат. 7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что разрядный промежуток в зонах крепления дисков снабжен ограничительными прокладками.