СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОГРАФИТОВОГО ТОКООГРАНИЧИТЕЛЯ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ Российский патент 2024 года по МПК H02H9/02 B82B1/00 H10N60/10 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей и систем от аварий и перегрузок. Для ограничения токов в энергетических электросетях требуются токоограничители мощностью 100 кВт и более. Ранее был предложен переключатель-ограничитель тока на эффекте Джозефсона патент РФ № 2420831 «Способ изготовления джозефсоновского переключателя-ограничителя тока и устройство согласно этому способу». Особенность такого ограничителя тока состоит в том, что он имеет точечные контакты, размером ~1 мм и расстояние между контактами 10 мм, при этом поверхностное сопротивление R составляет 1000 Ом, ток переключения 0,1 А при напряжении 100 В. Однако мощность этого устройства не превышает 10 Вт.

Заявленный в качестве изобретения способ направлен на увеличение мощности нанографитового токоограничителя до 100 кВт.

Контактная схема нанографитового токоограничителя, мощностью 100 кВт представлена на фиг. 1, где:

1 - нанографитовая пленка;

2 - медная трубка контура охлаждения;

3 - проводящие контактные площадки 10×1000 мм²;

4 - межконтактный зазор нанографитовой пленки шириной ~1 мм.

Сопротивление тонкой нанографитовой пленки можно представить в виде [1]:

где Rs ~100 Ом - поверхностное сопротивление пленки (), l - расстояние между контактами, d - ширина контактных площадок (фиг. 1).

Из соотношения (1) следует, что при увеличении ширины контактных площадок в 1000 раз, т.е. до 1 м и уменьшении расстояния между контактными площадками в 10 раз сопротивление пленки уменьшится в 10000 раз до ~0,1 Ом, при этом ток переключения по закону Ома также возрастет в 10000 раз - до 1 кА, а выделяемая электрическим током мощность при том же напряжении 100 В возрастет до 100 кВт.

Таким образом, при выбранных размерах контактных площадок и расстоянии между ними мощность составит 100 кВт, но это не предел можно и далее увеличивать ширину контактных площадок, например в 10 раз и получить мощность 1 МВт.

Понятно, что такие тепловыделения можно снять только интенсивным охлаждением, прежде всего, водяным.

Тепловая схема переключателя вместе с контуром водяного охлаждения представлена на фиг. 2, где

1 - нанографитовая пленка;

2 - медная трубка контура охлаждения;

5 - изолирующая подложка из нитрида алюминия;

6 - водяной теплоноситель.

Свойства конструкционных материалов и теплоносителя, необходимые для расчета представлены в Таблице 1.

Тепловой расчет можно провести по схеме тепловых сопротивлений, представленной на фиг. 3. Здесь использованы следующие обозначения Т₀ - температура охлаждающей воды, α - коэффициент теплоотдачи от медной стенки к воде, S - величина теплоотдающей поверхности, λ_w - коэффициент теплопроводности медной стенки, δ_w - толщина медной трубки, λ_AlN - коэффициент теплопроводности подложки из нитрида алюминия, δ_AlN - толщина подложки из нитрида алюминия, λ_NG - коэффициент теплопроводности нанографитовой пленки, δ_NG - толщина нанографитовой пленки, T_NG - температура поверхности нанографитовой пленки.

Согласно конфигурации, представленной на фиг. 3, температуру поверхности пленки можно определить по формуле:

где Р=100 кВт - мощность, выделяемая током в нанографитовой пленке в момент переключения, S=0,03 м² - теплоотдающая поверхность. Вычисление коэффициента теплоотдачи от медной стенки к воде производится по методике применимой для прямых труб [2]:

где - критерий Рейнольдса, υ=10 м/сек - скорость теплоносителя, d_e=0,03 м - эффективный диаметр охлаждающего трубопровода, ν - коэффициент вязкости теплоносителя, Pr=2,5 - коэффициент Прандтля для охлаждающего теплоносителя (вода), α=Nuλ_T/d_e, λ_с - коэффициент теплопроводности теплоносителя. Выполнив расчет с использованием выражений (2) и (3) и данных Таблицы 1, получим результаты, представленные в Таблице 2.

[Бурлаков Р.Б. Трехзондовый метод измерения поверхностного сопротивления электропроводящих слоев // Вестник Омского университета. - 2016. - №. 1 (79); Кириллов, П.Л. (2010). Справочник по тепло-гидравлическим расчетам в ядерной энергетике].

Система включения и охлаждения для нанографитового токоограничителя схематично представлена на фиг. 4, где

1 - нанографитовая пленка;

2 - медная трубка контура охлаждения;

5 - изолирующая подложка из нитрида алюминия;

6 - водяной теплоноситель;

7 - циркуляционный насос;

8 - водяной бак;

9 - теплообменник на мощность 100 кВт;

10 - соединительные трубопроводы.

Способ реализуется следующим образом.

Наносят на нанографитовую пленку (1) напыленную на изолирующую подложку из нитрида алюминия (5) проводящие контактные площадки (3) из меди, серебра, алюминия или другого проводящего материала, между контактными площадками оставлен зазор нанографитовой пленки (4). Обратная сторона подложки монтируется на медной трубке контура охлаждения (2) в которой протекает теплоноситель - вода (6), циркулирующая в контуре охлаждения. Контактные площадки с помощью мощного кабеля включаются в разрыв регулируемой энергетической сети в качестве нагрузочного сопротивления. Если ток в цепи не превышает установленного номинала, срабатывания токоограничителя не происходит - его сопротивление остается низким. В случае превышения током установленного предела происходит срабатывание токоограничителя - его ток скачком за время менее 1 миллисекунды уменьшается до нулевого значения, т.е. происходит разрыв цепи и отключение аварийного участка.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей и систем от аварий и перегрузок. Технический результат - увеличение мощности нанографитового токоограничителя до 100 кВт. Способ получения нанографитового токоограничителя большой мощности заключается в нанесении на нанографитовую пленку, напыленную на изолирующую подложку из нитрида алюминия, проводящих контактных площадок из меди, серебра, алюминия, а обратная сторона подложки монтируется на медной трубке контура охлаждения, в котором протекает теплоноситель - вода, которая перекачивается из водяного бака с помощью циркуляционного насоса, соединительных трубопроводов и тепловыделение снимается теплообменником. 4 ил., 2 табл.

Способ получения нанографитового токоограничителя большой мощности, отличающийся нанесением на нанографитовую пленку, напыленную на изолирующую подложку из нитрида алюминия проводящих контактных площадок из меди, серебра, алюминия, а обратная сторона подложки монтируется на медной трубке контура охлаждения, в котором протекает теплоноситель - вода, которая перекачивается из водяного бака с помощью циркуляционного насоса, соединительных трубопроводов и тепловыделение снимается теплообменником.