Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока
Изобретение относится к электрическим аппаратам. Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока содержит диэлектрическую втулку из нагревостойкой керамики с каналом, заполненным жидким металлом, поршень, два контактных вывода и термостойкий электрод. Сечение термостойкого электрода меньше сечения канала с жидким металлом, а погонное сопротивление термостойкого электрода меньше, чем погонное сопротивление жидкого металла в канале. Ограничитель обладает повышенной надежностью конструкции и улучшенными коммутационными способностями. Техническим результатом является повышение надежности конструкции и отключающей способности ограничителя тока. 1 ил.
Изобретение относится к электрическим аппаратам и может быть использовано для защиты электроустановок низкого напряжения от коротких замыканий.
Известны ограничители тока, содержащие плавкий элемент из жидкого металла, расположенный во втулке из специальной керамики, и контактные выводы (см. Дегтярь В.Г., Нестеров Г.Г. Контактные коммутирующие устройства электрических аппаратов низкого напряжения. Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. Сер. "Электрические аппараты". 1980, №2, с.98, библ.234.).
Общим недостатком указанных устройств является нестабильность защитной характеристики, которая обусловлена износом канала диэлектрической втулки во время дуговой стадии процесса, что равносильно увеличению диаметра плавкой вставки обычного предохранителя от цикла к циклу.
Устранение этого недостатка возможно за счет расположения в канале диэлектрической втулки специального электрода с несмачивающейся жидким металлом поверхностью, благодаря чему обеспечивается повышенное сопротивление в месте контакта жидкого металла с электродом.
Из теории известно, что при протекании электрического тока наибольшее выделение тепла происходит на том участке цепи, который обладает большим сопротивлением. Этот участок (место контакта электрода и жидкого металла) нагревается до критической температуры (в данном случае - до температуры кипения жидкого металла) быстрее, чем другие участки цепи, при этом происходит разогрев жидкого металла вблизи торцевой части электрода и окисных пленок, испарение жидкого металла, что приводит к разрыву цепи, возникновению электрической дуги с последующим ее гашением. Повышенное переходное сопротивление контакта электрод-жидкий металл будет определять время срабатывания ограничителя тока. Следовательно, время срабатывания не будет зависеть от степени износа канала диэлектрической втулки.
Известен ограничитель тока, содержащий диэлектрический корпус из нагревостойкой керамики, канал, заполненный жидким металлом, поршень и контактные выводы, один из которых выполнен в виде электрода из материала с несмачивающейся жидким металлом поверхностью (см. а.с. №951449, БИ №30, 1982). При этом повышенное выделение тепловой энергии происходит в месте контакта электрода с жидким металлом. Однако при протекании номинального тока возможен “фритинг” и разрушение окисных пленок с последующим их восстановлением или без. Разрушение окисных пленок возможно также при первом срабатывании в результате воздействия на торцевую поверхность электрода электрической дуги. В таком случае сопротивление контакта может обратиться практически в ноль. Ограничитель тока не будет выполнять предназначенные функции при последующих циклах.
Таким образом, недостатком известного устройства является низкая надежность.
Известен ограничитель тока с повышенной стабильностью защитной характеристики, содержащий диэлектрический корпус из нагревостойкой керамики с каналом, заполненным жидким металлом, поршень и два электрода; один из электродов имеет погонное сопротивление больше, чем погонное сопротивление жидкого металла в канале за счет того, что отношение поперечного сечения этого электрода к поперечному сечению канала с жидким металлом меньше отношения удельного сопротивления материала этого электрода к материалу жидкого металла (см. а.с. №905914, БИ №6, 1982, прототип). При таком техническом решении электрод является участком токопроводящей цепи, обладающим повышенным сопротивлением (погонное сопротивление электрода больше погонного сопротивления канала с жидким металлом). Поэтому при протекании аварийного тока в нем выделяется большое количество тепловой энергии. Температура электрода быстрее достигает значения равного температуре кипения жидкого металла, чем температура самого жидкого металла. В результате происходит разогрев до температуры кипения участка жидкого металла, находящегося в непосредственной близости с электродом. Образующаяся паровая пробка приводит к разрыву цепи с последующим возникновением и гашением электрической дуги. Если энергия, выделившаяся в электроде во время преддуговой стадии процесса, а также в процессе гашения электрической дуги не достаточна для нагрева электрода выше температуры его плавления, то аппарат сохраняет работоспособность при последующих циклах. В противном случае разрушается весь электрод или его часть. При расплавлении электрода или его части происходит смешение расплавленного металла электрода и жидкого металла. Это приводит к изменению сопротивления канала с жидким металлом, изменению номинального тока ограничителя и, следовательно, к потере аппаратом функционального назначения.
У прототипа, согласно формуле, сечение электрода может быть больше или меньше сечения канала с жидким металлом. При срабатывании ограничителя тока происходит износ канала с жидким металлом и увеличение его диаметра. В том случае, когда сечение электрода больше сечения канала с жидким металлом, увеличение диаметра канала приводит к нарушению стабильности защитной характеристики. Происходит уменьшение погонного сопротивления канала с жидким металлом, следовательно, увеличивается разница между погонными сопротивлениями электрода и канала с жидким металлом, что повышает вероятность разрушения электрода.
Недостатком указанного устройства являются низкие надежность и отключающая способность ограничителя тока, связанная с разрушением электрода под действием тока короткого замыкания.
Повышенное сопротивление в месте контакта электрод - жидкий металл может быть получено за счет сужения силовых линий тока, что обеспечивается при сечении электрода меньшем сечения канала, причем, чем больше разница, тем сильнее проявляется эффект сужения силовых линий тока.
Эта идея реализована в предлагаемом устройстве.
Технический результат - повышение надежности конструкции и отключающей способности ограничителя тока.
Указанный технический результат достигается тем, что в ограничителе тока, содержащем диэлектрический корпус из нагревостойкой керамики с каналом, заполненным жидким металлом, поршень, два контактных вывода и электрод, сечение электрода меньше, чем сечение канала с жидким металлом, а погонное сопротивление электрода может быть меньше, чем погонное сопротивление жидкого металла в канале.
За счет уменьшения сечения электрода образуется повышенное переходное сопротивление вследствие увеличения плотности силовых линий на участке контакта жидкого металла и электрода. При такой форме электрода образуется участок повышенного сопротивления жидкого металла вблизи торцевой части электрода, что приводит к испарению жидкого металла в месте контакта электрода с жидким металлом при протекании аварийного тока.
Электрод при этом не испытывает повышенного теплового воздействия, не нагревается за время преддуговой стадии процесса до температуры кипения жидкого металла и не разрушается при срабатывании.
На чертеже изображено предлагаемое устройство.
Устройство состоит из диэлектрической втулки 1, укрепленной внешним кожухом 2. Диэлектрическая втулка 1 выполнена из нагревостойкой керамики. Канал диэлектрической втулки 1 заполнен жидким металлом 3, давление которого задается поршнем 4, расположенным в нижнем контактном выводе 5. Этот контактный вывод 5 выполнен в форме стакана. Поршень 4 подпружинен сжатым газом. Газ находится в цилиндре 6. Верхний контактный вывод 7 соединен с плавким элементом из жидкого металла 3 посредством термостойкого электрода 8, имеющего расширение в месте контакта с контактным выводом 7.
Сечение электрода меньше сечения канала с жидким металлом в месте их контакта.
За счет такого сечения электрода образуется повышенное переходное сопротивление участка жидкометаллического канала вблизи торцевой части электрода вследствие увеличения плотности силовых линий.
Ограничитель тока работает следующим образом.
При возникновении сверхтока происходит нагрев как термостойкого электрода 8, так и жидкого металла 3. Наибольшее выделение тепла происходит в жидком металле 3 в месте контакта с термостойким электродом 8 из-за большого переходного сопротивления. Часть жидкого металла 3 вблизи термостойкого электрода 8 испаряется, обеспечивая разрыв цепи с последующим возникновением дуги между торцевой частью термостойкого электрода 8 и еще не испарившегося жидкого металла 3. Под действием протекания тока длина дуги увеличивается и при достижении критической гасится.
Из-за испарения жидкого металла 3 при срабатывании происходит увеличение давления, что приводит к отбрасыванию вниз подпружиненного поршня 4. После конденсации паров металла давление падает и поршень 4 возвращает жидкий металл 3 в канал, обеспечивая готовность к повторному действию.
Данное устройство отличается от известного прототипа повышенной надежностью и улучшенной коммутационной способностью, т.к. в данной конструкции сечение электрода меньше сечения канала с жидким металлом, а погонное сопротивление электрода меньше, чем погонное сопротивление жидкого металла в канале, в то время как у прототипа сечение электрода может быть больше или меньше сечения канала с жидким металлом, а погонное сопротивление электрода больше погонного сопротивления канала с жидким металлом. В отличие от прототипа, износ канала с жидким металлом не приводит к разрушению электрода. Время срабатывания ограничителя тока определяется сечением электрода, следовательно, оно будет стабильным.
Формула изобретения
Жидкометаллический самовосстанавливающийся ограничитель тока, содержащий диэлектрическую втулку из нагревостойкой керамики с каналом, заполненным жидким металлом, поршень, два контактных вывода и термостойкий электрод, отличающийся тем, что сечение термостойкого электрода меньше сечения канала с жидким металлом, а погонное сопротивление термостойкого электрода меньше, чем погонное сопротивление жидкого металла в канале.
РИСУНКИ
