Устройство для выключения сильных токов Советский патент 1980 года по МПК H01H39/00 

1

Изобретение, относится к коммутаторам сильных токов. Быстрое выключение сильных токов представляет большой интерес для мощных индуктивных накопителей энергии, используемых, например, для питания импульсных ускорителей электронов, лазеров, установок высокотемпературной плазмы.

Прототипом изобретения является устройство 1, Б котором между массивными проводниками, к которым подводится прерываемый ток, закреплены тонкие проводники в виде набора проволок или фолы, помещенных в диэлектрическую среду; В известных устройствах толщина проводника выбирается из условия, чтобы при рабочих плотностях токов происходил взрыв проводника, и обычно составляет 10 см. В качестве диэлектриков используют инертные материалы - песок (АЬОз), полимеры. При этом уменьшается возможность пробоя из-за столкновений электронов с образующимися из диэлектрика молекулами газа и со стенками канала, образующегося при взрыве проводника в диэлектрике.

Указанное усоверщенствование уменьшает вероятность пробоя во время коммутации, но совершенно не снижает, а скорее увеличивает потери энергии в коммутаторе,

так как вместе с взрывом проводника происходят расходование энергии на нагрев, разрушение и испарение части диэлектрика.

Цель изобретения - снизить потерю электрической энергии и повысить пробойное напряжение коммутатора, состоящего из проводника, помещенного в диэлектрик.

Эта цель осуществляется тем, что проводник выполнен в виде набора разделенных слоями диэлектрика пленок толщиной

- , где т - время разрыва тока, аи -

скорость распространения реакции горения металла. В качестве материалов проводников и диэлектриков могут быть использованы компоненты пиротехнических составов. В качестве материала проводника выбран алюминий, а в качестве материала диэлектрика - сера.

На чертеже изображена схема устройства для выключение тока.

Между массивными проводниками 1, к которым подводится прерываемый ток, закреплены проводники 2 в виде набора тонких пленок, разделенных слоями 3 диэлектрика. Параметры и режим подбирают такими, чтобы при нагреве током проводник быстро вступил в химическую реакцию с диэлектриком. В этом случае объем.

занимаемый проводником, быстро заполняется непроводящими продуктами реакции, препятствующими электрическому пробою. При этом в данном случае электрическая энергия тратится только для нагрева металла и прилегающего тонкого слоя диэлектрика до температуры инициирования реакции; в дальнейщем реакция поддерживается собственным тепловыделением,

Примером реализации устройства может служить коммутатор, в котором листки тонких алюминиевых плеиок обжаты окислами железа. Химическая реакция, которая может осуществляться в такой системе, аналогична реакции, происходящей при горении типичных пиротехнических составов - термитов, состоящих из прессованных смесей мелкодисперсных порошков металлов и окислов. Реакция сводится к окислению активного металла кислородом окисла менее активного металла. Условия реакции подбирают такими (избыток окисла), чтобы в результате неполной реакции образовались смеси окислов металлов - плохо проводящие шлаки. Примером возможных для использования в указанных целях пиротехнических смесей могут быть известиые системы: (FezOa, А1), (МпОг, А1), (СггОз, А1), (S, А1), (Si02, М), (Zr, ВаСг04).

Скорость горения этих систем примерно по порядку величины 1 см/с. Поэтому, чтобы за счет химической реакции разрыв тока произощел достаточно быстро, проводник должен находиться в мелкодисперсном состоянии. Например, для обеспечения времени разрыва тока т 10 -10 с, характерный размер проводника должен быть

10-100 А. Для создания комму

татора на большие токи необходимо иметь относительно малое полное сопротивление проводников, входящих в коммутатор. С целью уменьшения размеров конструкций коммутатор должен состоять из. чередующихся пленок проводника (горючего) с толщиной б и диэлектрика (окислителя). Полное сопротивление параллельно включенных слоев проводника выбирается достаточно малым, чтобы при максимальном используемом токе не происходил чисто электрический взрыв проводника. Пленки диэлектрика должны быть примерно такой же величины, как и металл для обеспечения достаточно полного перехода металла в диэлектрик при химической реакции иагретого током металла. Для обеспечения

механической прочности коммутатора толщина пленок окислителя может значительно превосходить толщину пленок металла. При этом, однако, соответственно возрастают поперечные размеры и потери электрической энергии на предварительный нагрев проводника до температуры инициирования быстрой химической реакции из-за больщого теплоотвода от проводника в диэлектрик. Необходимый . композиционный проводник, включающий в себя набор чередующихся тонких проводящих и изолирующих слоев, располагающихся вдоль направления движения тока, может быть изготовлен методом последовательного напыления слоев металла и диэлектрика. При этом маска для напыления металла должна иметь несколько больший продольный размер по сравнению с маской для напыления диэлектрика, чтобы на торцах образовались металлические контакты, обеспечивающие соединения со всеми проводящими слоями.

Таким образом, выбор материалов, раз-меров и расположения элементов проводников и диэлектрика дает возможность создать выключатель сильного электрическогЬ тока с повышенным по сравнению с известными конструкциями пробойным напряжением и с меньшей величиной потери электрической энергии.

Формула изобретения

1.Устройство для выключения сильных токов, состоящее из набора проводников, помещенных в диэлектрическую среду, отличающееся тем, что, с целью уменьщения теряемой в коммутаторе электрической энергии и предотвращения электрического пробоя по коммутатору в момент выключения, проводник выполнен в виде набора разделенных слоями диэлектрика плеиок

толщиной , где т- время разрыва

V

тока (10--IQ-SC) и и - скорость распространения реакции горения металла ( 10 см/с), а в качестве материалов проводников и диэлектриков используют компоненты пиротехнических составов.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала проводника используют алюминий, а в качестве материала диэлектрика - серу.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Мезонье, Линхарт и Гурлен. Приборы для научных исследований, № 10, 96, 196fi.