БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ Российский патент 2003 года по МПК H01H39/00 

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.

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.

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.