Струмообмежувальний елемент і пристрій для захисту електричних ланцюгів від підвищеної температури

Винахід відноситься до області основних елементів електроустаткування, а саме, електричних перемикачів, вимикачів, пристроїв для захисту від аварій і, більш конкретно, до термоелектричних перемикачів - захисних вимикачів з електротермічним розмиканням. Відомі різноманітні види і конструкції термореле, термовимикачів з використанням пружинного дроту, біметалів, матеріалів з пам'яттю форми й ін.(див., наприклад, а.с. СРСР: №357772, Н01H 37/00 Вимикач максимального струму з біметалічною пластиною; №1529310, Н01Н 37/32 Пристрій захисту від неприпустимого нагрівання (чутливий елемент із матеріалу з оборотною пам'яттю форми у вигляді пружини); №750606, Н01H 37/40, 37/54 Термовимикач для захисту електричних машин і апаратів від надмірного нагрівання, викликаного, наприклад, великими струмами при перевантаженні чи інших аварійних станах; №729686, H01Η 37/40 Електротеплове реле (пружинний дріт) для захисту електродвигунів від перевантаження; №924771, Н01H 37/40 Тeрмочутливий елемент запобіжника (порожні циліндри з полісульфону, одержувані литтям під тиском з товщиною стінок 1,2мм. висотою 4-5мм, внутрішнім діаметром 1,5мм); №1647687, Н01Н 37/50, 61/06 Термоелектричний вимикач (комутаційний апарат з використанням матеріалу з ефектом пам'яті форми з термочутливим елементом із плівки полііміду чи поліамідоіміду); патент РФ №2040819, Н01Η 37/46, 61/06 Термочутливий вимикач з термочутливим елементом, виготовленим з фольгової стрічки з ефектом пам'яті форми у вигляді замкнутої криволінійної фігури з твердим з'єднанням її кінців). Відомі і знаходять широке застосування в техніці електропровідні полімерні композиційні матеріали (ЕПКМ), одержувані шляхом модифікації полімерних композитів речовинами, що володіють високою електропровідністю. Найбільш відомими електропровідними компонентами є сажа, графіт, вуглецеве волокно, вуглецеві тканини. Певний практичний інтерес у якості електропровідного наповнювача представляє особлива форма графіту - так званий терморозширений графіт (ТРГ), стр уктура якого має специфічні особливості, обумовлені технологією його одержання. Червоподібна форма часток ТРГ, стільникова структура його поверхні, значна пластичність дозволяють одержувати композиційні матеріали із широким спектром електрофізичних і пружньоеластичних властивостей (див. Л.С. Семко и др.. Электрические свойства композиционных материалов на основе полипропилена и ТРГ. Пластические массы, 1996, №6, с.22-24). У роботі Бохан Ю.И. и др. Электрические свойства и применение композиционных материалов полимерпроводник с перколяционным фазовым переходом. Сб. трудов межд. конф. "Поликом - 98", Гомель показано, що полімерні композиційні матеріали з електропровідними наповнювачами можуть використовуватися як струмообмежувальні елементи. У роботах Duggal A.R., Levinson I.M. A novel high current density switching effect in electrically conductive polymer composite materials. J. Appl. Phys.,1997, vol.82, №11, p.5532-5539; Пономаренко А.Т. и др. электродинамические свойства полимерных композитов и функциональных структур на их основе: моделирование и экспериментальные результаты. Сб. трудов межд. конф. "Поликом - 98", Гомель показана можливість розробки нових композиційних матеріалів, що забезпечують нові немеханічні способи зниження струму короткого замикання. Особливий інтерес представляють полімерні композиції із вмістом вуглецевого наповнювача в кількості, близькій до граничній, при якій здійснюється перехід провідник-діелектрик. Унаслідок термічного розширення полімерної матриці в деякій критичній області температур у них реалізується ефект саморегулювання температури нагрівання, що полягає в різкому збільшенні електричного опору (див. Н.А. Коваленко, И.К. Сыроватская. Влияние механической деформации на электропроводность углеродосодержащих композиций. Пластические массы, 2000, №10, с.7-9 ). Дане рішення обране як прототип. Недоліком наявних на сьогоднішній день подібних ЕПКМ є той факт, що для інтервалу граничних концентрацій спостерігається дуже великий розкид значень електроопору, викликаний негомогенністю розподілу часток наповнювача по об'єму матриці, що ускладнює одержання необхідних струмообмежувачів. Крім того, необхідне збільшення електричного опору відбувається в досить широкому діапазоні температур, що теж небажано. Загальною ознакою по призначенню винаходу, що заявляється, і прототипу є електропровідний полімерний композит з використанням у якості наповнювача вуглецевого матеріалу, з якого виготовлений струмообмежувач. Як найближчий аналог пристрою для захисту електричних ланцюгів від підвищеної температури прийнята конструктивна схема з опису до а.с. СРСР №641530, Н01Н 37/48, бюл. №1, 5.01.1979. Загальними ознаками по призначенню пристрою, що заявляється, і прототипу є: - розташоване в корпусі тіло, що розширюється, зв'язане одним торцем з торцевою стінкою корпуса і встановлене рухливо з зазором стосовно іншого торця корпуса; - установлена на вільному торці тіла, що розширюється, ізоляційна шайба з електричними контактами, зв'язаними з відповідними їм електричними контактами на корпусі. В основу винаходу поставлена задача удосконалення відомих струмообмежувальних елементів на основі ЕПКМ, у яких за рахунок вибору відповідного матеріалу, що володіє ефектом пам'яті форми, забезпечується різкий стрибок електричного опору в значно більш вузькому температурному інтервалі, завдяки чому досягається підвищення надійності спрацьовування захисту шляхом розриву електричного ланцюга. Поставлена задача вирішується двома взаємозалежними винаходами. У частині струмообмежувального елемента - шляхом використання виробів з ЕПКМ, що містять у якості наповнювача ТРГ, нагрівання яких приводить до відновлення форми з одночасним збільшенням об'єму. Підставою для такого підходу є те, що збільшення відстаней, яке відбувається при цьому, між контактуючими частками наповнювача, що беруть участь у провідності струму, істотно більше, ніж тільки при термічному розширенні полімерної матриці. Як такий матеріал може бути узятий матеріал, описаний у патенті України №43593А, бюл. №11, 17.12.2001. В.О. Білошенко та ін. Полімерний композиційний матеріал і спосіб виготовлення з нього виробів з пам'яттю форми. Конкретна відзнака струмообмежувального елемента полягає в тому, що як матеріал використовують стрижень на основі епоксидного компаунда ангідридного ствердіння з 5¸8 мас.% ТРГ, заготовка якого деформована одноосьовим тиском у прес-формі зі ступенем деформації 20-45%, що володіє ефектом відновлення вихідної довжини при нагріванні в інтервалі температур 50-80°С . Іншою відзнакою є те, що як матеріал струмообмежувального елемента використовують модифікований добавкою 5-8мас. % ТРГ епоксидний компаунд ангідридного ствердіння з температурою склування (відновлення форми) у діапазоні 70-100°С ( див. опис до патенту РФ №2141600, бюл. №32, 20.11.1999). Рішення поставленої задачі в частині пристрою для захисту електричних ланцюгів від підвищеної температури, що включає розташоване в корпусі тіло, яке розширюється, зв'язане одним торцем з торцевою стінкою корпуса і встановлене рухливо з осьовим зазором стосовно іншого торця корпуса, установлену на вільному торці тіла, що розширюється, ізоляційну шайбу з електричними контактами, зв'язаними з відповідними їм електричними контактами на корпусі, досягається тим, що, відповідно до винаходу, корпус виконаний циліндричним з електроізоляційного матеріалу зі знімними торцевими кришками, тіло, що розширюється, встановлене між двома електропровідними ковпачками, зв'язаними проводами з джерелом струму, і являє собою стрижень зі струмопровідного полімерного композита з ефектом пам'яті форми, а по твірній корпусу виконаний проріз для підведення провідників струму. Зазначені особливості реалізації не є обов'язковими, а найбільш кращими з погляду заявника і не виключають можливості іншого виконання термочутливого елемента і пристрою в межах сутності винаходу, що заявляється. Причинно-наслідковий зв'язок оптимальних ознак і технічного результату, що досягається, полягає в реалізації ефекту пам'яті форми в НПКМ за рахунок оптимальної добавки ТРГ і насипного деформування заготовки в пластичному стані в циліндричній прес-формі одноосьовим тиском, що забезпечують максимально можливе наступне відновлення довжини стрижня при нагріванні в околу температури склування матеріалу. Деформування ЕПКМ, що містить ТРГ і має високу вихідну пористість, при температурах ви ще температури склування полімеру і наступне охолодження під навантаженням приводить до одержання ЕПКМ із більшою в порівнянні з вихідною об'ємною часткою наповнювача, а виходячи з цього і з більшою величиною електропровідності, при цьому величина об'ємної частки наповнювача визначається величиною максимальної деформації зразка. Повторне нагрівання ЕПКМ вище температури склування полімеру відновлює вихідний об'ємний вміст ТРГ у ЕПКМ (величину електропровідності), що й обумовлює необхідний стрибок електропровідності ЕПКМ. При цьому слід зазначити, що стрибок електропровідності ЕПКМ відбувається у вузькому інтервалі температур (температура переходу зразказ області провідності в непровідну область відповідає температурі склування полімеру). Як полімерний матеріал використовували модифіковану епоксидну композицію на основі складного дигліциділового ефіру фталевої чи гідрофталевої кислоти і блоколігомеру з аліфатичної епоксидної смоли і кислого олігоефіру, що затвердівається ізометілтетрагідрофталевим ангідридом (В.А.Белошенко и др. Способ муфтоклеевого соединения труб, эпоксидная композиция для изготовления соединительных элементов и способ их изготовления . Патент РФ №2141600, бюл. №32, 20.11.1999). Температура склування зазначеної композиції складала близько 70°С. ТРГ одержували (див. О.П. Ярошенко й ін. Спосіб одержання графіту, що терморозширюється. Патент України №18065А, бюл. №5, 31.10.1997) при взаємодії графіту ливарного із сірчаною кислотою в присутності хромової кислоти з наступним відмиванням до рН водяної витяжки, рівної 6,5-7, і сушінням при 105°С до постійної ваги. Висушений окислений графіт піддавали термоудару при температурі 1000°С протягом 3 хвилин, що досить для видалення води з міжплощинного простору. Насипна густина ТРГ складала 0,02г/см 3 вміст вуглецю - 95,2% Зразки для дослідження виготовляли змішуванням компонентів епоксидної композиції з порошком ТРГ у необхідному співвідношенні з наступним ствердінням полімерної заготовки в циліндричній формі при 120°С протягом 4 годин. З метою гомогенізації структури ствердіння проводили при обертанні форми з частотою 1оберт/с. Надалі затверділі заготовки деформували у високоеластичному стані з наступним охолодженням під навантаженням до температури нижче Тс для «заморожування» досягнутого нерівноважного стану. Деформацію здійснювали одноосьовим стисненням у циліндричній прес-формі. У результаті одержували вироби у вигляді прутків діаметром 8мм і довжиною 8мм. Ступінь деформації ε розраховували за формулою: I -I e = i 100% Ii де Ii, I - відповідно початкова і кінцева довжина зразка. Об'ємний вміст ТРГ у досліджуваних зразках визначали, використовуючи метод гідростатичного зважування. Електричний опір високопровідних зразків композитів вимірювали двухзондовим потенціометричним методом при постійному стр умі за допомогою цифрового універсального приладу 31/2DIGIT D MM. Електроопір високоомних зразків - за допомогою тераометра Е6-13А. Швидкість нагрівання зразків складала 2град/хв. На фіг.1 як приклад приведені температурні залежності електричного опору R композиції епоксидний полімер-ТРГ при вмісті наповнювача 6мас. %, отримані при нагріванні зразків, деформованих з ε=20(1), 30(2) і 40%(3). Процес відновлення форми у таких зразків відбувається шляхом збільшення довжини при збереженні діаметра. Ступінь відновлення визначається як величиною ε, так і концентрацією ТРГ. Оскільки коректне графічне відображення всієї динаміки зміни питомого об'ємного електричного опору представляє певні труднощі, у таблиці дані значення початкового r п і кінцевого r к питомого електроопору досліджених зразків, а також відношення їхніх питомих електроопорів rк /r п. Таблиця ТРГ, мас% 6 6 6 6 10 є,% 20 20 25 30 40 25 рп, Ом м 64000 138 109 91 69 38 рк 10-3 ,Ом м 502 60 60 60 60 10 r к /r п 11 435 550 659 870 263 Для всіх досліджених концентрацій ТРГ залежності R(T) мають подібний характер: в області температур відновлення форми спостерігається різке збільшення електричного опору. Величина цього стрибка корелює зі ступенем відновлення. Найбільші значення r к /r п мають місце при концентрації ТРГ, рівної 6мас%, і збільшуються з ростом ε. Спостерігаються і деякі закономірності в розташуванні і величині температурного інтервалу, у якому R змінюється стрибкоподібно. Чим менше ε, тим раніш починається підвищення R і тим вужче відповідний йому температурний інтервал. Відомо, що відновлення розмірів і форми деформованого полімерного скла відбувається в області температури склування, причому значна частина вимушено-еластичної деформації релаксує нижче Тс. Відзначені вище закономірності поведінки R(T) при зміні ε збігаються з такими для традиційних характеристик полімерів, що описують цей процес - величиною залишкової деформації, температурою початку і шириною температурного інтервалу релаксації деформації (див. М.С. Аржаков и др. О природе термостимулированной низкотемпературной релаксации деформации полимерных стекол. Докл. АН, 1999, т.369, с.629-631). На фіг.2 представлена схема пристрою для захисту електричних ланцюгів від підвищеної температури. Тут 1 - рознімний корпус, виконаний з діелектричного матеріалу; 2 - електропровідні ковпачки, одягнені з торців на тіло, що розширюється, 3 і зв'язані з електричними проводами 4; 5 - ізоляційна шайба у вигляді стрижня з укріпленим на ній рухли вим електричним контактом 6; 7 - нерухомі електричні контакти, закріплені на корпусі; 8 - електричні проводи. Пристрій працює в такий спосіб. При підвищенні температури в його корпусі до величини, близької до Тс ЕПКМ, з якого виготовлене тіло, що розширюється. 3, чи при проходженні струму перевантаження, що викликає нагрівання тіла, яке розширюється, до Т>Тс, відбувається подовження тіла 3 (фіг.3). Воно переміщає стрижень 5, у результаті чого розмикаються електричні контакти 6 і 7 і розривається електричний ланцюг, зв'язаний з проводами 8. Одночасно за рахунок різкого збільшення електричного опору тіла, що розширюється, 3 відбувається розрив електричного ланцюга, зв'язаного з проводами 4. Таким чином, запропонований пристрій забезпечує захист від перегріву (критичного струму) одночасно двом незалежним електричним ланцюгам. Більш простий варіант пристрою може бути реалізований для захисту одного електричного ланцюга (фіг.4). У цьому випадку немає необхідності в ізоляційній шайбі 5, рухливому 6 і нерухомих 7 електричних контактах. Крім того, можливий і варіант використання пристрою, зображеного на фіг.2, для захисту тільки електричного ланцюга, зв'язаного з проводами 8. Струмообмежувальний елемент, що спрацював (тіло, що розширюється), у принципі, може бути відновлений шляхом повторного його деформування в прес-формі одноосьовим тиском, тому що матеріал дозволяє здійснювати багаторазове циклування за схемою: деформація-відновлення форми.