Устройство для выключения сильных токов

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и ц725ИО

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 11.01.78 (21) 2568264/24-07 с присоединением заявки № (51) М. Кл.

Н 01Н 39/00 по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 30.03.80. Бюллетень № 12 (45) Дата опубликования описания 30.03.80 (53) УДК 621.316.54 (088.8) (72) Авторы изобретения

Г. В. Карачевцев, А. 3. Маруткин и В. Л. Тальрозе (71) Заявитель

Московский ордена Трудового Красного Знамени физикотехнический институт (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫКЛЮЧЕНИЯ СИЛЬНЫХ

ТОКОВ

ГосУдлрствениый комитет (23) Приори е

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), в котором между массивными проводниками, к которым подводится прерываемый ток, закреплены тонкие проводники в виде набора проволок или фольг, помещенных в диэлектрическую среду; В известных устройствах толщина проводника выбирается из условия, чтобы при рабочих плотностях токов происходил взрыв проводника, и обычно составляет 10 — —

10 †см. В качестве диэлектриков используют инертные материалы — песок (А120з), 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.

Указалное усовершенствование 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.

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

Эта цель осуществляется тем, что npoIp водник выполнен в виде набора разделенных слоями диэлектрика пленок толщиной е = —, где т — время разрыва тока, а v— скорость распространения реакции горения

15 металла. В качестве материалов проводников и диэлектриков могут быть использованы компоненты пиротехнических составов. В качестве материала проводника выбран алюминий, а в качестве материала

20 диэлектрика — сера.

На чертеже изображена схема устройства для выключения 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 реак30 цию с диэлектриком. В этом случае объем, 725110

3 занимаемый проводником, быстро заполняется непроводящими продуктами реакции, препятствующими электрическому пробою. 11ри этом в данном случае электри ческая энергия тратится только для нагрева металла и прилегающего тонкого слоя диэлектрика до температуры инициирования реакции; в дальнейшем реакция поддерживается собственным тепловыделением. 10

Примером реализации устройства может служить коммутатор, в котором листки тонких алюминиевых пленок обжаты окислами железа. Химическая реакция, которая может осуществляться в такой системе, àíà- 15 логична 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 известные системы: (FeqOq, Al), (Мп02, Al), (Сг Оь Al), (Ь, Аl), ($ 102, М), (2г, ВаСг04). 30

Скорость горения этих систем примерно по порядку величины 1 см/с. Поэтому, чтобы за счет химической реакции разрыв тока произошел достаточно быстро, проводник должен находиться в мелкодисперсном состоянии. Например, для обеспечения времени разрыва тока т=10 — — 10 — с, характерный размер проводника должен быть с о б ж = 10 — 100 А. Для создания коммуО 40 татора на большие токи необходимо иметь " относительно малое полное сопротивление проводников, входящих в коммутатор. С целью уменьшения размеров конструкций коммутатор должен состоять из чередую- 45 щихся 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 нагретого 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 большого 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, размеров 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, отл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения теряемой в коммутаторе электрической энергии и предотвращения электрического пробоя по коммутатору в момент выклк чения, проводник выполнен в виде набора разделенных слоями диэлектрика пленок т толщиной б= —, где т — время разрыва тока (10 — 7 — 10 — с) и v — скорость распространения реакции горения металла (1—

10 см/с), а в качестве материалов проводников и диэлектриков используют компоненты пиротехнических составов.

2. Устройство по и. 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, Мо 10, 96, 1966, 725110

Составитель В. Попова

Техред В. Серякова

Корректор 3. Тарасова

Редактор И. Грузова

Заказ 758/б -Изд. № 283 Тираж 857 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2