Устройство для замыкания сильноточных электрических цепей
Владельцы патента RU 2589035:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Устройство для замыкания сильноточных электрических цепей включает полый цилиндрический корпус и размещенные в нем неподвижные, установленные с зазором относительно друг друга, контактные элементы, заряд пиротехнических средств (ПТС) и средство его воспламенения, генерирующее термокомпрессионный импульс. Устройство имеет неподвижные контактные элементы, которые установлены соосно и имеют контактные площадки, выполненные в виде компактированных деталей из металлорезины на основе медной проволоки, характеризующиеся пористостью 40-60 объемн. %. Заряд ПТС, выполненный из механической смеси порошкообразных меди, титана и оксида меди, при общем содержании меди не менее 70% масс., установлен в зоне, прилегающей к контактным площадкам контактных элементов и контактирует с электровоспламенителем в качестве средства воспламенения пиротехнического заряда, продукты горения которого представляют собой расплавленную медь и неэлектропроводные соединения титана, Контактные элементы подключены клеммами к электродам внешней электрической цепи, первый из которых выполнен в виде штока за одно целое с круглой плоской шляпкой, а второй из которых представляет собой полый цилиндрический корпус, имеющий две камеры большего и меньшего диаметров, сообщающиеся между собой через сквозное отверстие в основании камеры, характеризующейся меньшим диаметром. В полости камеры меньшего диаметра размещен электровоспламенитель, задействуемый извне от источника электрического импульса. В полости камеры большего диаметра впрессован заряд ПТС. Технический результат: разработка простого устройства для замыкания сильноточных электрических цепей с повышенной надежностью при его срабатывании. 1 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для коммутации силовых электрических цепей, и может использоваться при изготовлении пиротехнических контактных устройств.
Известно устройство коммутирующее пиротехническое (патент РФ №2364827, МПК F42C 11/00, опубл. 20.08.2009 г.), содержащее пиротехнический привод, установленные в цилиндрическом корпусе неподвижный изолятор с двумя парами неподвижных контактных элементов, выполненных в виде штырей, одна из которых соединена между собой разрушаемым проводом, который установлен перпендикулярно направлению движения подвижного изолятора, снабженного по одному из торцов со стороны пиротехнического привода ответными подвижными контактными элементами, выполненными с возможностью упругого схватывания после входа в них штырей первой пары неподвижных контактов при срабатывании пиротехнического привода.
Известно в качестве прототипа заявляемого устройство соединителя с высокой плотностью размещения (патент РФ №2410790, МПК Н01Н 39/00, опубл. 27.01.2011 г.), содержащее полый цилиндрический корпус и размещенные в нем неподвижные, установленные с зазором относительно друг друга, контактные элементы, пиротехнический расплавляемый элемент, средство воспламенения.
К недостаткам аналогов относится сравнительно высокая сложность и, как следствие этого, недостаточно высокая надежность.
Задачей авторов изобретения является разработка простого и надежного устройства для замыкания сильноточных электрических цепей.
Новый технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в упрощении, обеспечении повышения надежности при его срабатывании.
Указанные задача и новый технический результат, обеспечиваемые предлагаемым устройством для замыкания сильноточных электрических цепей, обеспечиваются тем, что в отличие от известного устройства, содержащего полый цилиндрический корпус и размещенные в нем неподвижные, установленные с зазором относительно друг друга, контактные элементы, пиротехнический заряд, средство воспламенения пиротехнического заряда, генерирующее термокомпрессионный импульс, согласно изобретению, неподвижные контактные элементы установлены соосно и имеют контактные площадки выполненные в виде компактированных деталей из металлорезины на основе медной проволоки, характеризующиеся пористостью 40-60 объемн. %, пиротехнический заряд на основе пиротехнического состава (ПТС), выполненный из механической смеси порошкообразных меди, титана и оксида меди, при общем содержании меди не менее 70% масс., установлен в зоне, прилегающей к контактным площадкам контактных элементов и контактирует с электровоспламенителем в качестве средства воспламенения пиротехнического заряда, продукты горения которого представляют собой расплавленную медь и неэлектропроводные соединения титана, контактные элементы подключены клеммами к электродам внешней электрической цепи, первый из которых выполнен в виде штока за одно целое с круглой плоской шляпкой, а второй представляет собой полый цилиндрический корпус, имеющий две камеры большего и меньшего диаметров, сообщающиеся между собой через сквозное отверстие в основании камеры, характеризующейся меньшим диаметром, в полости камеры меньшего диаметра размещен электровоспламенитель, задействуемый извне от источника электрического импульса, в полости камеры большего диаметра установлен заряд ПТС.
Предлагаемое устройство поясняется следующим образом.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства для замыкания сильноточных электрических цепей, где 1 - цилиндрический корпус; 2, 3 - контактные площадки из металлорезины; 4 - заряд ПТС; 5 - контактный элемент устройства; 6 - электровоспламенитель; 7 - воздушный зазор между первым и вторым контактными элементами; 8 - диэлектрическая прокладка, разделяющая первый и второй контактные элементы; 9 - изолятор; 10 - второй контактный элемент; 11 - соединяемые элементы внешней электрической цепи.
Предлагаемое устройство для замыкания сильноточных электрических цепей предназначено для автоматической коммутации электрических цепей по сигналу, подаваемому извне, в том числе от дистанционно удаленного источника импульса различного вида (например, электрического импульса, подаваемого от аккумулятора). Предлагаемое устройство содержит размещенные неподвижно в цилиндрическом корпусе 1 первый (5) и второй (10) контактные элементы устройства для замыкания, установленные соосно и имеющие контактные площадки 2, 3. Первый контактный элемент 5 выполнен в виде штока за одно целое с круглой плоской шляпкой. Второй контактный элемент 10 представляет собой полый цилиндрический корпус, имеющий две камеры большего и меньшего диаметров, сообщающиеся между собой через сквозное отверстие в основании камеры, характеризующейся меньшим диаметром. В полости камеры меньшего диаметра размещен электровоспламенитель 6, задействуемый извне от источника электрического импульса. В полости камеры большего диаметра установлен заряд ПТС 4. Заряд ПТС 4 представляет собой монолитную деталь на основе спрессованного ПТС, который примыкает с одной стороны к контактной площадке 2, а с противоположной стороны - к основанию камеры, характеризующейся меньшим диаметром. В предлагаемом устройстве предусмотрена более простая схема прямого задействования от электровоспламенителя 6 заряда ПТС 4, тогда как в прототипе такую функцию выполняет система с микропрерывателем магнитного действия, что существенно усложняет конструкцию замыкателя в целом.
Контактные площадки первого 5 и второго 10 контактных элементов выполнены в виде компактированных плоских деталей из металлорезины на основе медной проволоки, характеризующиеся пористостью 40-60 объемн. %. При этом контактная площадка 3 размещена на плоской шляпке первого контактного элемента 5, а контактная площадка 2 является съемной и размещена в основании второго контактного элемента 10, обращенном к поверхности плоской шляпки первого контактного элемента 5. Между контактными площадками 2 и 3 контактных элементов 2 и 3 выполнен воздушный зазор 7, в котором размещена кольцевая диэлектрическая прокладка 8, выполненная, например, из слюды. Контактные элементы 5 и 10 изолированы от стенок цилиндрического корпуса 1 изолятором 9. Заряд ПТС 4 выполнен из смеси порошкообразных меди, титана и оксида меди. Заряд ПТС установлен в камере с большим диаметром, прилегающей к контактной площадке 2 контактного элемента 10. В качестве средства воспламенения ПТС в контактный элемент 10 установлен электровоспламенитель 6. Продукты горения заряда ПТС представляют собой расплавленную медь и неэлектропроводные соединения титана. Первый (5) и второй (10) контактные элементы соединены посредством клемм с элементами 11 внешней электрической цепи.
Предлагаемое устройство для замыкания сильноточных электрических цепей работает следующим образом.
В начальный момент времени внешняя электрическая цепь предлагаемого устройства разомкнута, т.к. контактные элементы 5 и 10 разделены воздушным зазором 7.
При подаче от внешнего источника тока электрического импульса на электровоспламенитель 6 происходит горение материала заряда ПТС 4, генерирующего термокомпрессионный импульс. В результате горения ПТС, представляющего собой смесь порошкообразных меди, титана (горючее) и оксида меди, образуются продукты горения, представляющие собой расплавленную медь и неэлектропроводные соединения титана. Электропроводность полученных продуктов достаточно высока, что критично для обеспечения надежной коммутации. Выполнение контактных площадок 2 и 3 в виде компактированных деталей из металлорезины на основе медной проволоки, характеризующиеся пористостью 40-60 объемн. %, обеспечивает в условиях высоких температур, развившихся в ходе горения ПТС, возможность заполнения расплавленной медью из продуктов горения ПТС пор контактных площадок 2, 3, воздушного зазора 7 и обеспечивает замыкание элементов 11 внешней электрической цепи. Экспериментально было показано, что продукты горения ПТС, взаимодействующие с предложенными материалами контактных площадок, характеризующиеся заявленной величиной пористости, обеспечивают надежное срабатывание предлагаемого устройства, при этом достигнутое время замыкания цепи составило ≈ 0,1 сек в температурном диапазоне ±50°С.
Во всех поставленных опытах воспроизводимость заявленного технического результата составило 99,9%. Показания электрических приборов во внешней электрической цепи всегда регистрировали возникновение заданной величины тока в цепи.
Таким образом, как это подтвердили экспериментальные исследования, при использовании предлагаемого устройства для замыкания сильноточных электрических цепей обеспечивается более высокий по сравнению с прототипом технический результат, заключающийся в упрощении устройства, обеспечении повышения надежности при его срабатывании.
Возможность промышленной реализации предлагаемого устройства подтверждается следующим примером конкретного исполнения.
Пример 1. В лабораторных условиях заявленное устройство было испытано на макете пиротехнического контактора, представленного на фиг. 1.
Контактные элементы 5 и 10 для замыкания элементов 11 внешней электрической цепи выполнены из меди марки М0к по ГОСТ 859-2001.
Контактные площадки 2 и 3 выполнены из металлорезины на основе медной проволоки ММ-0200 по ТУ 16-705.492-2005, ⌀=0,2 мм.
Заряд ПТС выполнен из механической смеси порошкообразных материалов следующего состава, % масс.:
- 41,7 CuO марки «чда» (ТУ 6-09-4126-88);
- 13,9 Ti марки «Б» (ТУ 1715-036-07623615-2004);
- 44,4 Cu марки «ПМ» (ГОСТ 4960-75).
ПТС получали путем смешивания компонентов в малом шаровом смесителе.
Задействование контактора производили импульсом постоянного тока амплитудой 5А и длительностью 10 мс. В качестве источника тока использовали свинцовый аккумулятор (V=12 В, ε=60 А·ч, пусковой ток 480 А). Параметры срабатывания контактора регистрировали при помощи цифрового запоминающего осциллографа TDS 3014 В.
Результаты контрольных измерений сведены в таблицу 1.
Как показали эксперименты, при использовании предлагаемого устройства для замыкания сильноточных электрических цепей был достигнут технический результат, заключающийся в упрощении устройства, обеспечении повышения надежности при его срабатывании.
Устройство для замыкания сильноточных электрических цепей, включающее полый цилиндрический корпус и размещенные в нем неподвижные, установленные с зазором относительно друг друга, контактные элементы, пиротехнический заряд, средство воспламенения пиротехнического заряда, генерирующее термокомпрессионный импульс, отличающееся тем, что неподвижные контактные элементы установлены соосно и имеют контактные площадки, выполненные в виде компактированных деталей из металлорезины на основе медной проволоки, характеризующиеся пористостью 40-60 объемн. %, заряд ПТС, выполненный из механической смеси порошкообразных меди, титана и оксида меди, при общем содержании меди не менее 70% масс., установлен в зоне, прилегающей к контактным площадкам контактных элементов и контактирует с электровоспламенителем в качестве средства воспламенения пиротехнического заряда, продукты горения которого представляют собой расплавленную медь и неэлектропроводные соединения титана, контактные элементы подключены клеммами к электродам внешней электрической цепи, первый из которых выполнен в виде штока за одно целое с круглой плоской шляпкой, а второй представляет собой полый цилиндрический корпус, имеющий две камеры большего и меньшего диаметров, сообщающиеся между собой через сквозное отверстие в основании камеры, характеризующейся меньшим диаметром, в полости камеры меньшего диаметра размещен электровоспламенитель, задействуемый извне от источника электрического импульса, в полости камеры большего диаметра установлен заряд ПТС.
