RU2755454C1

RU2755454C1 - Explosive disconnector

Info

Publication number: RU2755454C1
Application number: RU2020133574A
Authority: RU
Inventors: Сергей Драстаматович Аванесов; Максим Витальевич Манзук; Сергей Михайлович Волков; Константин Олегович Бестужев; Марина Ивановна Семенова; Дмитрий Игоревич Алексеев
Priority date: 2020-10-12
Filing date: 2020-10-12
Publication date: 2021-09-16

Abstract

FIELD: explosives.

SUBSTANCE: invention relates to explosive disconnector. The disconnector has two current leads, a metal cylinder connected to one current lead, and a metal membrane having an electrical connection to another current lead and a metal cylinder. One explosive charge is placed in a metal cylinder covered from the outside by rings and cooled from the inside by a liquid dielectric, and another explosive charge is placed on the side of the cover of the dielectric cylinder installed with the possibility of moving to the membrane and cutting it. When the charges are simultaneously detonated, the metal cylinder is first torn on the rings, and then the membrane is cut.

EFFECT: increased electrical strength of the breaker, its increased current-carrying capacity and the voltage maintained in the open state

10 cl, 2 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Настоящее изобретение относится к электротехнике, в частности, к коммутирующей аппаратуре, и может применяться в цепях постоянного и переменного тока, например, в системах электропитания или защитных устройствах.The present invention relates to electrical engineering, in particular to switching equipment, and can be used in DC and AC circuits, for example, in power supply systems or protective devices.

Уровень техникиState of the art

В ряде случаев, в основной своей массе связанных с производственными или научно-исследовательскими целями, требуется коммутация электрических цепей, в которых протекают токи величиной в десятки килоампер. Обращение с мощными источниками электроэнергии требует высокого быстродействия коммутирующей аппаратуры для минимизации энергии, выделяемой в электрической дуге и для обеспечения возможности быстрого включения/выключения тока в электрической цепи. Кроме того, к такой коммутирующей аппаратуре предъявляются весьма серьезные требования к переходному сопротивлению контактной группы, надежности, возможности коммутации больших мощностей и ресурсу работы.In a number of cases, for the most part associated with production or research purposes, it is required to switch electrical circuits in which currents of tens of kiloamperes flow. The handling of powerful sources of electricity requires high-speed switching equipment to minimize the energy released in the electric arc and to provide the ability to quickly turn on / off the current in the electric circuit. In addition, very serious requirements are imposed on such switching equipment with respect to the transient resistance of the contact group, reliability, the possibility of switching high powers and the service life.

Из патента RU 2101795 известен взрывной размыкатель тока, обеспечивающий быстрое размыкание электрической цепи и содержащий два токоподвода, один из которых соединен с металлическим цилиндром, охваченным диэлектрическими кольцами, расположенными на расстоянии друг от друга, а другой соединен с металлической мембраной (ее центральной частью), соединенной с металлическим цилиндром (посредством периферийной части). Внутри металлического цилиндра расположен заряд взрывчатого вещества и диэлектрический цилиндр, закрытый с одной из сторон и установленный с возможностью перемещения под воздействием взрыва заряда взрывчатого вещества по направлению к мембране для отделения ее от металлического цилиндра.From the patent RU 2101795, an explosive current breaker is known, which provides a quick opening of an electrical circuit and contains two current leads, one of which is connected to a metal cylinder surrounded by dielectric rings located at a distance from each other, and the other is connected to a metal membrane (its central part), connected to a metal cylinder (through the peripheral part). Inside the metal cylinder there is an explosive charge and a dielectric cylinder, closed on one side and installed with the ability to move under the influence of an explosion of the explosive charge towards the membrane to separate it from the metal cylinder.

В размыкателе в металлическом цилиндре протекает жидкий диэлектрик, обеспечивающий охлаждение элементов размыкателя и гашение электрической дуги, появляющейся вследствие взрыва заряда взрывчатого вещества. После взрыва металлический цилиндр разрушается и разделяется диэлектрическими кольцами на несколько частей, а диэлектрический цилиндр отделяет мембрану от металлического цилиндра.In the breaker in the metal cylinder, a liquid dielectric flows, providing cooling of the breaker elements and extinguishing the electric arc that appears as a result of the explosion of the explosive charge. After the explosion, the metal cylinder is destroyed and divided by dielectric rings into several parts, and the dielectric cylinder separates the membrane from the metal cylinder.

Необходимо отметить, что при использовании воды в качестве жидкого диэлектрика разрывы цепи достаточно быстро замыкаются, поскольку диэлектрический цилиндр находится в воде. Это снижает рабочие характеристики размыкателя, в частности, величины размыкаемых токов и напряжений, выдерживаемых размыкателем в разомкнутом состоянии.It should be noted that when water is used as a liquid dielectric, the circuit breaks are closed rather quickly, since the dielectric cylinder is in water. This reduces the performance of the breaker, in particular the magnitude of the breaking currents and voltages that the breaker can withstand in the open state.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является повышение коммутируемого напряжения, длительного тока и ресурса работы (количества коммутаций) взрывного размыкателя.The objective of the present invention is to increase the switching voltage, continuous current and service life (number of operations) of the explosive circuit breaker.

Указанная задача решается с помощью взрывного размыкателя, имеющего два токоподвода, металлический цилиндр, кольца, металлическую мембрану, диэлектрический цилиндр и заряд взрывчатого вещества. Металлический цилиндр электрически соединен с одним токоподводом, а мембрана электрически соединена с другим токоподоводом. Металлический цилиндр расположен внутри колец, расположенных на расстоянии друг от друга, и электрически соединен с мембраной. Внутри металлического цилиндра расположен заряд взрывчатого вещества. Диэлектрический цилиндр установлен с возможность перемещения по направлению к мембране и сквозь нее. Размыкатель выполнен с возможностью протекания в металлическом цилиндре жидкого диэлектрика.The specified problem is solved using an explosive switch having two current leads, a metal cylinder, rings, a metal membrane, a dielectric cylinder and an explosive charge. The metal cylinder is electrically connected to one current lead, and the membrane is electrically connected to another current lead. The metal cylinder is located inside the rings, spaced apart from each other, and is electrically connected to the membrane. An explosive charge is located inside the metal cylinder. The dielectric cylinder is installed with the ability to move towards and through the membrane. The breaker is made with the possibility of a liquid dielectric flowing in the metal cylinder.

Отличительными признаками настоящего изобретения является то, что размыкатель содержит дополнительный заряд взрывчатого вещества, установленный с возможностью толкания диэлектрического цилиндра по направлению к металлической мембране вследствие взрыва таким образом, что диэлектрический цилиндр отделяет часть мембраны, имеющую электрическое соединение с токоподводом, от части мембраны, имеющей электрическое соединение с металлическим цилиндром. Благодаря наличию дополнительного заряда взрывчатого вещества удается обеспечить отделение мембраны и диэлектрического цилиндра от жидкого диэлектрика.Distinctive features of the present invention is that the breaker contains an additional explosive charge installed with the possibility of pushing the dielectric cylinder towards the metal membrane due to the explosion in such a way that the dielectric cylinder separates the part of the membrane that is electrically connected to the current lead from the part of the membrane that has an electrical connection. connection with a metal cylinder. Due to the presence of an additional explosive charge, it is possible to ensure the separation of the membrane and the dielectric cylinder from the liquid dielectric.

Жидкий диэлектрик в предпочтительном варианте выполнения представляет собой деминерализованную или дистиллированную воду. Металлическая мембрана и металлический цилиндр преимущественно соединены тоководом. При этом в одном из вариантов исполнения токовод может размещаться (входить) в диэлектрическом цилиндре и соединен с центральной частью металлической мембраны, а мембрана установлена с возможностью отделения центральной части от периферийной части, соединенной с токоподводом, диэлектрическим цилиндром.The dielectric fluid is preferably demineralized or distilled water. The metal diaphragm and the metal cylinder are preferably connected by a current lead. In this case, in one embodiment, the current lead can be placed (entered) in a dielectric cylinder and connected to the central part of the metal membrane, and the membrane is installed with the possibility of separating the central part from the peripheral part connected to the current lead by a dielectric cylinder.

Мембрана преимущественно снабжена проточками или углублениями в местах отделения центральной части от периферийной части. Кроме того металлический цилиндр также преимущественно снабжен проточками или углублениями. В предпочтительном варианте осуществления диэлектрический цилиндр снабжен с одной из сторон крышкой, размещенной с возможностью восприятия механического воздействия дополнительного заряда взрывчатого вещества при его взрыве. Электрическое соединение металлического цилиндра с токоподводом и/или тоководом может обеспечиваться с помощью разрезных прижимных колец.The membrane is preferably provided with grooves or recesses at the points of separation of the central part from the peripheral part. In addition, the metal cylinder is also advantageously provided with grooves or recesses. In a preferred embodiment, the dielectric cylinder is provided with a cover on one of its sides, which is placed with the possibility of receiving the mechanical effect of an additional explosive charge during its explosion. The electrical connection of the metal cylinder to the current lead and / or the current lead can be provided by means of split clamping rings.

Задача настоящего изобретения также решается с помощью электрической цепи, в состав которой входит высоковольтный разъединитель по любому из вышеописанных вариантов. В преимущественном варианте цепь выполнена с возможностью одновременной инициации взрывов заряда взрывчатого вещества и дополнительного заряда взрывчатого вещества размыкателя.The object of the present invention is also achieved by an electrical circuit that includes a high-voltage disconnector according to any of the above-described options. In an advantageous embodiment, the circuit is made with the possibility of simultaneous initiation of explosions of an explosive charge and an additional explosive charge of the breaker.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение в несколько раз напряжения, которое размыкатель выдерживает в разомкнутом состоянии, повышения в несколько раз переносимого тока и ресурса работы (количества коммутаций) взрывного размыкателя.The technical result of the present invention is to increase several times the voltage that the breaker can withstand in the open state, increase several times the carried current and the service life (number of switchings) of the explosive breaker.

Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings

На фиг. 1 показан разрез взрывного размыкателя.FIG. 1 shows a sectional view of an explosive disconnector.

На фиг. 2 показан укрупненный вид разреза размыкателя в области металлического цилиндра.FIG. 2 shows an enlarged sectional view of the breaker in the area of the metal cylinder.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Осуществление настоящего изобретения иллюстрируется с помощью фиг. 1, на которой показан преимущественный вариант выполнения взрывного размыкателя. В показанном преимущественном варианте выполнения элементы разъединителя имеют осевую симметрию и расположены соосно. Кроме того, элементы разъединителя предпочтительно выполнены в виде цилиндров, кругов или секторов. Эти предпочтительные признаки направлены на обеспечение механической прочности, необходимой при обращении с сильными токами и высокими напряжениями. При этом необходимо учитывать, что настоящее изобретение может быть реализовано и в других конфигурациях. В этой связи настоящее описание не является ограничивающим и дано лишь в целях пояснения изобретения. Объем испрашиваемой охраны определяется формулой изобретения.An embodiment of the present invention is illustrated with reference to FIG. 1, which shows an advantageous embodiment of an explosive breaker. In the preferred embodiment shown, the disconnector elements are axially symmetrical and coaxial. In addition, the elements of the disconnector are preferably made in the form of cylinders, circles or sectors. These preferred features are aimed at providing the mechanical strength required when handling high currents and high voltages. It should be borne in mind that the present invention can be implemented in other configurations. In this regard, the present description is not limiting and is given only for the purpose of explaining the invention. The scope of the requested protection is determined by the claims.

На фиг. 1 показан пример взрывного размыкателя в разрезе. Размыкатель имеет два токоподвода 1 и 2 (нижний и верхний, соответственно), металлический цилиндр 3, металлическую мембрану 4, диэлектрический цилиндр 6 и заряд 7 взрывчатого вещества, а также дополнительный заряд 8 взрывчатого вещества, установленный сверху над диэлектрическим цилиндром.FIG. 1 shows an example of an explosive breaker in section. The breaker has two current leads 1 and 2 (lower and upper, respectively), a metal cylinder 3, a metal membrane 4, a dielectric cylinder 6 and an explosive charge 7, as well as an additional explosive charge 8 installed above the dielectric cylinder.

Металлический цилиндр 3 более подробно показан на фиг. 2. На фиг. 2 также показаны нижний токоподвод 1, с которым электрически соединен цилиндр 3. Цилиндр 3, который также может называться контактный цилиндр, прижимается к токоподводу с помощью специальной конусной системы обжима. Она представляет собой систему из двух колец 10 и 11, расположенных снаружи (или внутри цилиндра), одно из которых имеет разрезы и может сжиматься (или растягиваться) под действием перемещения второго кольца. Одно или оба кольца преимущественно имеют конусообразную форму и могут иметь клиновидное поперечное сечение.The metal cylinder 3 is shown in more detail in FIG. 2. In FIG. 2 also shows the lower current lead 1, to which the cylinder 3 is electrically connected. The cylinder 3, which can also be called a contact cylinder, is pressed against the current lead using a special cone crimping system. It is a system of two rings 10 and 11 located outside (or inside the cylinder), one of which has cuts and can be compressed (or stretched) under the action of the movement of the second ring. One or both rings are predominantly tapered and may have a wedge-shaped cross section.

Металлический цилиндр 3 расположен внутри колец 9 (предпочтительно диэлектрических), расположенных на расстоянии друг от друга, и электрически соединен с мембраной. Электрическое соединение цилиндра 3 с мембраной 4 (см. фиг. 1) в показанном на фигурах варианте осуществляется с помощью токовода 5. Прижим цилиндра 3 к тоководу 5 на фиг. 2 осуществляется с помощью прижимных колец 10 и 11 (они могут отличаться по форме от колец, обеспечивающих прижатие цилиндра 3 к токоподводу 1, однако имеют одинаковое функциональное назначение). Внутри металлического цилиндра 3, вдоль его оси, расположен заряд 7 взрывчатого вещества.The metal cylinder 3 is located inside rings 9 (preferably dielectric) spaced apart from each other, and is electrically connected to the membrane. The electrical connection of the cylinder 3 to the membrane 4 (see Fig. 1) in the embodiment shown in the figures is carried out using the current lead 5. The cylinder 3 is pressed against the current lead 5 in Fig. 2 is carried out using clamping rings 10 and 11 (they may differ in shape from the rings that press the cylinder 3 to the current lead 1, but they have the same functional purpose). Inside the metal cylinder 3, along its axis, there is an explosive charge 7.

Мембрана 4 электрически соединена с верхним токоподводом 2 своей периферийной частью, а центральной частью электрически соединена с тоководом 5. Таким образом, в изначально замкнутом состоянии ток проходит через размыкатель через следующие элементы: токоподвод 1, металлический цилиндр 3, токовод 5, мембрана 4 и токоподвод 2.The membrane 4 is electrically connected to the upper current lead 2 by its peripheral part, and the central part is electrically connected to the current lead 5. Thus, in the initially closed state, the current passes through the breaker through the following elements: current lead 1, metal cylinder 3, current lead 5, membrane 4 and current lead 2.

Внутренняя полость металлического (контактного) цилиндра 3 заполнена жидким диэлектриком - деминерализованной водой. На контактном цилиндре 3 выполнены кольцевые проточки, служащие концентраторами напряжений, и обеспечивающие множественный разрыв токоведущего элемента. Вокруг контактного цилиндра установлены диэлектрические кольца 9, конструкция, конфигурация и расположение которых таковы, что при повышении давления разрыв контактного цилиндра 3 по концентраторам напряжений происходит строго между двух соседних колец 9 с последующим обжатием продуктов разрушения вокруг сферических поверхностей их внутренней части.The inner cavity of the metal (contact) cylinder 3 is filled with a liquid dielectric - demineralized water. On the contact cylinder 3 there are annular grooves that serve as stress concentrators and provide a multiple rupture of the current-carrying element. Dielectric rings 9 are installed around the contact cylinder, the design, configuration and arrangement of which are such that when the pressure increases, the contact cylinder 3 breaks through stress concentrators strictly between two adjacent rings 9, followed by compression of the fracture products around the spherical surfaces of their inner part.

После взрыва заряда 7 внутри контактного цилиндра 3 создается большое давление, которое разрывает его и распределяет продукты разрушения по поверхности диэлектрических колец 9 путем обжатия, что обеспечивает образование необходимых зазоров. Возникающая в процессе разрушения контактного цилиндра 3 электрическая дуга автоматически гасится охлаждающим потоком жидкого диэлектрика, поступающего из внутренней области цилиндра 3 в образовавшиеся зазоры.After the explosion of the charge 7, a large pressure is created inside the contact cylinder 3, which ruptures it and distributes the products of destruction over the surface of the dielectric rings 9 by compression, which ensures the formation of the necessary gaps. The electric arc arising in the process of destruction of the contact cylinder 3 is automatically extinguished by the cooling flow of the liquid dielectric coming from the inner region of the cylinder 3 into the formed gaps.

Для использования размыкателя в цепях с длительно протекающими токами необходимо дополнительно обеспечивать циркуляцию жидкого диэлектрика, выступающего в этом случае еще и в качестве теплоносителя, что позволяет добиться не только надежного гашения электрической дуги во время коммутации, но и хорошего отвода тепла от контактного цилиндра в штатном режиме работы.To use the circuit breaker in circuits with long-term flowing currents, it is necessary to additionally ensure the circulation of a liquid dielectric, which in this case also acts as a coolant, which makes it possible to achieve not only reliable extinguishing of the electric arc during switching, but also good heat removal from the contact cylinder in normal mode. work.

Однако вода не может долго обеспечить требуемую электрическую прочность коммутируемых промежутков и через несколько десятых долей секунды происходит пробой. Для решения этой проблемы последовательно с коммутируемыми промежутками (металлическим или контактным цилиндром 3) установлена мембрана 4, поверх которой установлен диэлектрический цилиндр 6.However, water cannot provide the required dielectric strength of the switched gaps for a long time, and a breakdown occurs after a few tenths of a second. To solve this problem, a membrane 4 is installed in series with the switched gaps (metal or contact cylinder 3), on top of which a dielectric cylinder 6 is installed.

Над крышкой диэлектрического цилиндра 6 размещен дополнительный заряд взрывчатого вещества 8. Заряд 8 инициируется одновременно с зарядом 7. Заряд 8 детонирует одновременно с зарядом 7, но из-за особенностей процесса детонации в замкнутом объеме, заполненном воздухом, отделитель, состоящий из диэлектрического цилиндра и мембраны, срабатывает на несколько миллисекунд позже коммутирующей части, состоящей из металлического цилиндра и диэлектрических колец, что гарантирует разрыв цепи без тока.Above the cover of the dielectric cylinder 6 is an additional explosive charge 8. Charge 8 is initiated simultaneously with charge 7. Charge 8 detonates simultaneously with charge 7, but due to the peculiarities of the detonation process in a closed volume filled with air, a separator consisting of a dielectric cylinder and a membrane , is triggered a few milliseconds later than the switching part, consisting of a metal cylinder and dielectric rings, which guarantees a circuit break without current.

При взрыве заряда 8 давление продуктов детонации воздействует на цилиндр 6 (в частности, на его крышку) и приводит его в движение -цилиндр 6 начинает перемещаться по направлению к мембране и разрезает ее. Далее, опустившись до основания, диэлектрический цилиндр 6 отделяет центральный токовод от верхнего токоподвода и тем самым обеспечивает требуемую электрическую прочность всего устройства после размыкания цепи.When the charge 8 explodes, the pressure of the detonation products acts on the cylinder 6 (in particular, on its cover) and sets it in motion - the cylinder 6 begins to move towards the membrane and cuts it. Further, having descended to the base, the dielectric cylinder 6 separates the central current lead from the upper current lead and thereby provides the required dielectric strength of the entire device after opening the circuit.

Благодаря наличию дополнительного заряда взрывчатого вещества мембрана и изолирующий диэлектрический цилиндр, который ее разрывает, вынесены за пределы металлического цилиндра, что позволило сделать диэлектрический цилиндр достаточно длинным и, также как и мембрану, сухим, то есть не контактирующим с жидким диэлектриком (т.е. отделенными от него). Главный результат - существенное повышение электрической прочности аппарата.Due to the presence of an additional explosive charge, the membrane and the insulating dielectric cylinder that breaks it are moved outside the metal cylinder, which made it possible to make the dielectric cylinder sufficiently long and, like the membrane, dry, that is, not in contact with the liquid dielectric (i.e. separated from it). The main result is a significant increase in the electrical strength of the apparatus.

Токовод 5 имеет такие поперечные размеры, что он может размещаться в диэлектрическом цилиндре 6 при надвижении цилиндра 6 на токовод 5, т.е. диаметр токовода 5 меньше внутреннего диаметра диэлектрического цилиндра 6. Мембрана для упрощения разрезания диэлектрическим цилиндром преимущественно снабжена проточкой или углублением (или несколькими) в месте отделения центральной части от периферийной части.The current lead 5 has such transverse dimensions that it can be placed in the dielectric cylinder 6 when the cylinder 6 is pushed onto the current lead 5, i.e. the diameter of the current lead 5 is less than the inner diameter of the dielectric cylinder 6. To facilitate cutting with the dielectric cylinder, the membrane is preferably provided with a groove or recess (or several) at the point of separation of the central part from the peripheral part.

Claims

1. An explosive switch having two current leads, a metal cylinder, rings, a metal membrane, a dielectric cylinder and an explosive charge, the metal cylinder being electrically connected to one current lead, and the membrane is electrically connected to another current lead, and the metal cylinder is located inside the rings, located at a distance from each other, and has an electrical connection with the membrane, moreover, an explosive charge is located inside the metal cylinder, and the dielectric cylinder is installed with the ability to move towards the membrane, and the breaker is configured to flow in the metal cylinder of a liquid dielectric, characterized in that which contains an additional explosive charge, installed with the ability to push the dielectric cylinder towards the metal membrane due to the explosion in such a way that the dielectric cylinder separates the part of the membrane that has an electr a physical connection with a current lead, from a part of the membrane electrically connected to the metal cylinder, the membrane and the dielectric cylinder being separated from the liquid dielectric.

2. A breaker according to claim 1, characterized in that the dielectric liquid is distilled water.

3. The disconnector according to claim 1, characterized in that the metal membrane and the metal cylinder are connected by a current lead.

4. The disconnector according to claim 3, characterized in that the current lead is arranged to be placed in a dielectric cylinder, and the current lead is connected to the central part of the metal membrane, and the membrane is installed to separate the central part from the peripheral part connected to the current lead by a dielectric cylinder.

5. The disconnector according to claim 3, characterized in that the electrical connection of the metal cylinder to the current lead is provided by means of a split and clamping rings.

6. A breaker according to claim 1, characterized in that the metal membrane and / or the metal cylinder are provided with grooves or recesses.

7. The disconnector according to claim 1, characterized in that the dielectric cylinder is equipped on one of its sides with a cover placed with the possibility of perceiving the mechanical effect of an additional explosive charge during its explosion.

8. The disconnector according to claim 1 or 3, characterized in that the electrical connection of the metal cylinder to the current lead is provided by means of a split and clamping rings.

9. An electrical circuit, which includes an explosive switch according to any one of paragraphs. 1-8.

10. The circuit according to claim 9, characterized in that it is made with the possibility of simultaneous initiation of explosions of an explosive charge and an additional explosive charge of the breaker.