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Nicht-linearer überspannungsableiter mit Scheibenhulse und Glaszusammensetzung
dafür Die Erfindung bezieht sich allgemein auf nicht-lineare Widerstandselemente
und insbesondere auf solche Widerstandselemente die in Vorrichtungen für den Überspannungsschutz
in einem elektrischen System verwendet werden.
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In Schutzvorrichtungen werden üblicherweise Materialien verwendet,
die eine bestimmte nicht-lineare Strom-Spannungscharakteristik aufweisen. Eine derartige
Schutzvorrichtung ist beispielsweise ein Überspannungs- oder Stoßspannungsableiter,
der zum Schutz von
elektrischen Geräten gegen Isolationsbeschädigungen
verwendet wird die aus Spannungsstößen resultieren, die die normale Betriebsspannung
des Gerätes überschreiten. Überspannungsableiter und inre Funktion sind in einem
gewissen Rahmen in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben: US-Patentschriften
3 671 800, 3 586 315, 2 529 144 und den technischen Veröffentlichungen "Electrical
Transmission and Distribution Reference Book", vierte Ausgabe, Wes tinghouse rlectric
Corp., Pittsburgh, Pennsylvania> 1950, Seiten 621 - 627, und "High-Performance
Ceramic Varistor rlementl' Ichinose, Noboru, in Japan Electronic Engineering, Juli
1972 Seiten 32 - 36.
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Üblicherweise enthält ein Ab leiter einen Ventilabschnitt und einen
Funkenstreckenabschnitt, die in einem zylinderförmigen Isoliergehäuse in Reihe liegen.
Der Ventilabse-hnitt ist aus einem oder menreren scheibenförmigen nicht-linearen
Widerstandselementen aufgebaut, die Stirnseite auf Stirnseite gestapelt sind. Die
nauptfunktion des Ventilabschnittes besteht darin, die Größe des Folgestromes nach
einer Entladung genügend herab zum setzen, um eine Unterbrechung des Stromes durch
den Funkenstrekkenabschnitt zu gestatten. Die Anzahl und die Abmessungen der Widerstandsscheiben
in einem gegebenen Ableiter Werden durch die Schutzerfordernisse und Herstellungsgesichtspunkte
bestimmt.
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rn er Widerstands scheiben eines Ableiters ist im allgemeinen auf
ihrem Umfang mit einer Isolierhülse versehen. Diese Hülse verhindert einen Überschlag
zwischen aufeinanderfolgenden Scheiben während einer Entladung des Ableiters. Bei
der Herstellung Poröser relativ / gebrannter Siliziumcarbidscheiben, die in großem
Umfang für Ab leiter verwendet werden, wird eine Keramikhülse dadurch gebildet,
daß vor dem Brennen ein auf Wasser basierender Brei aus Keramikpartikelchen auf
die Umfangs fläche des Siliziumcarbidmaterials aufgebracht wird. Während des anschließenden
Brennvorganges schmelzen die Glaspartikelchen in dem Brei zusammen, um eine fest
anhaftende Isolierschicht zu bilden. Für weniger poröse
Scheiben
kann eine Glashülse aus einem Brei aus Glaspartikelchen in praktisch der gleichen
Weise aufgebracht werden.
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Gewisse Zinkoxid-Verbindungen sind gegenüber Siliziumcarbid als Widerstandsmaterial
der Scheiben überlegen, da diese eine sogar noch größere nicht-lineare Strom-Spannungscharakteristik
besitzen.
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Die Zinkoxid-Verbindungen können in der Weise in die Widerstandsscheiben
geformt werden, daß sie in etwa der gleichen Weise wie die Siliziumcarbidscheiben
gepreßt und gesintert werden. Es treten jedoch mehrere Probleme beim Aufbringen
einer Hülse auf Zinkoxidscheiben auf. Erstens ist die Natur des gepreßten Zinkoxidmaterials
so gewartet, daß ein Brei auf Wasserbasis die Oberfläche vor dem Sintern nicht ausreichend
benetzt; deshalb muß der Brei nach dem Sintern aufgebracht und ein getrennter Erhitzungszyklus
zum Herstellungsverfahren hinzugefügt werden, um die Breipartikelchen miteinander
zu verschmelzen. Zweitens benötigen gegenwärtig verwendete Brei, die während des
Sinterverfahrens schmelzen, eine Brenntemperatur von wenigstens 800 °C, d. h. eine
so hohe Temperatur, daß die Charakteristiken von gesinterten Zinkoxidscheiben durch
die Hinzufügung eines derartigen getrennten Breibrennschrittes zum Herstellungsvorgang
höchstwahrscheinlich verschlechtert werden. Drittens haben zwar gewisse übliche
Bleioxidbreie eine genügend niedrige Schmelztemperatur, um ein Brennen des Zinkoxids
bei einer Temperatur zu gestatten, die eine Glashülse ohne signifikante Verschlechterung
der Zinkoxidscheibe bildet, aber der thermische Ausdehnungskoeffizient derartiger
Gläser ist so hoch im Verhältnis zu demjenigen der Zinkoxidverbindung, daß beim
Abkühlen der Scheiben das geschmolzene Hülsenmaterial bricht, wodurch die Hülse
defekt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine nicht-lineare Widerstandsscheibe
geschaffen mit einer Hülse aus einer neuartigen Glaszusammensetzung, die einen relativ
kleinen Ausdehnungskoeffizienten und ferner eine relativ niedrige Schmelztemperatur
besitzt.
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Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung
eines Ausführungsbeispieles näner erläutert.
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Figur 1 ist eine Schnittansicht von einem Blitzableiter, der mit nicht-linearen
Widerstandsscheiben gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung versehen
ist. Die Scheiben sind mit der Glashülse gemäß der Erfindung verstehen.
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Figur 2 ist teilweise eine Schnittansicht von einer der Varistorscheiben
des Ableiters gemäß Figur 1.
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In Figur 1 ist das Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in einem
Stations-Überspannungsableiter 10 gezeigt. Der Ableiter 10 enthält ein zylinderförmiges
Porzellangehäuse 12 mit zwei metallischen Endkappen 14. Auf der Innenseite des Porzellanzylinders
12 sind eine Reihe von scheibenförmigen Widerstandselementen 16 Stirnfläche gegen
Stirnfläche übereinander gestapelt.
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Eines der scheibenförmigen Widerstandselemente 16 ist in Figur 2 größer
dargestellt. Die Scheibe besteht aus gesinterter Zinkoxidverbindung, die als Verunreinigungen
enthält 0,5 Zoll% Wismutoxid (Bi203), 0,5 Mol-% Kobaltoxid (Co203), 0,5 Zoll% Manganoxid
(mio2), 1,0 Zoll; Antimonoxid (Sb203), 0,5 Mol-% Zinnoxid (Sn02), 0,1 Zoll; Bariumcarbonat
(BaCO3) und 0,1 Mol-% Boroxid (B203).
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Die Scheibe 16 hat einen Durchmesser von etwa 7,1 cm (2,8 Zoll) und
eine Dicke von etwa 2,3 cm (0,9 Zoll). Beide Stirnflächen sind mit einem Überzug
18 aus Silber mit einer Dicke von etwa 50 - 75 /um (2 - 3 mils) verzogen.
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Um den Außenumfang der Scheiben herum befindet sich eine gläserne
Anti-Überschlaghülse 20 mit einer Dicke von etwa 75 - 125 (3 - 5 mils). Das Glas
der Hülse 20 hat eine Zusammensetzung in Gew.-» von etwa: 44 1/2 % Bleioxid (PbO),
24 1/2 % Zinkoxid (ZnO), 20 1/2 % Boroxid (B203), 4 1/2 % Siliziumdioxid (SiO2)
und 6 % Kupferoxid (CuO).
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Die Nennspannung für die einzelnen Scheiben 16 beträgt etwa drei Kilovolt.
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Das Verfahren zur Herstellung der Widerstandsscheiben 16 ist etwa
wie folgt: Die Zinkoxidzusammensetzung wird in Pulverform zu einer Scheibenform
mit dem Durchmesser von etwa 8,6 cm (3,4 Zoll) und einer Dicke von etwas über ?,5
cm (1 Zoll) gepreßt, um einen Rohling zu bilden. Dieser Rohling wird dann durch
Brennen in Luft bei einer Temperatur von etwa 1200 OC für etwa 5 Stunden gesintert.
Anschließend wird er mit etwa 100 0C pro Stunde abgekühlt.
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Nun wird ein Brei aus fein verteilten Glaspartikelchen, der die oben
beschrieDene Zusammensetzung aufweist und mit Bindeton gemischt ist, um das Glas
in Suspension zu halten, auf die außenseitige Oberfläche um den Umfang der Scheibe
16 herum aufgebracht.
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Die Scheibe 16 mit dem aufgebrachten Brei wird nun wieder in Luft
bei einer Temperatur zwischen 640 und 650 0" für etwa 30 Minuten gebrannt, damit
die Glaspartikelchen in dem Brei miteinander und mit der Scheibe 16 verschmelzen,
um die Hülse 20 zu bilden. Eine vorher auf beide Stirnflächen der Scheibe 16 aufgebrachte
Silberpaste schmilzt ebenfalls während dieses gleichen Erhitzungsschrittes, um Kontaktflächen
auf den Stirnflächen zu bilden.
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Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Glases der Hülse 20 liegt
nur in der Größenordnung von 6,5 x 10 6 bis 7,0 x 10 6.
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Dies liegt genügend nahe an dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
der Zinkoxidverbindung, um ein Reißen der Hülse 20 beim
Abkühlen
der Scheibe 16 zu vernindern. Gleichzeitig ist die Schmelztemperatur des Hülsenglases
genügend niedrig, damit es aus seinem Brei bei etwa 650 °C zu einem zusammenhängenden
Überzug geschmolzen werden kann, d. h. bei einer genügend niedrigen Temperatur um
eine signifikante Verschlechterung der Strom-Spannungscharakteristiken der bereits
geb rannten und gesinterten Scheibe 16 zu verhindern. Darüber hinaus ist die Hülse
20 relativ kratzbeständig und glatt, also beides wünschenswerte Eigenschaften für
Applikationen bei Hochspannungsableitern.
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Die Zusammensetzung des Hülsenglases kann von der vorstehend beschriebenen
Zusammensetzung des bevorzugten Ausführungsbeispiels etwas abweichen und trotzdem
die gewünschten Eigenschaften des niearigen Scnmelzpunktes zusammen mit einem relativ
kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Beispielsweise kann das Glas
enthalten: von etwa 41 bis etwa 48 Gew.-; Bleioxid, von etwa 22 1/2 bis etwa 26
1/2 Gew.-; Zinkoxid, von etwa 18 1/2 bis etwa 22 1/2 Gew.-/ Boroxid, von etwa 2
1/2 bis etwa 6 1/2 Gew.-g Siliziumoxid und von etwa 4 bis etwa 8 Gew.-; Kupferoxid.
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Die bestimmten Prozentverhältnisse können so gewählt sein, daß sie
den bestimmten Verfahrensbedlngungen angepaßt sind, die für das bestimmte, einen
nich>-linearen Widerstand aufweisende Material der Scheibe geeignet sind, auf
die die Hülse aufgebracht wird. Die Prozentverhältnisse, wie sie in dem vorstehenden
bevorzugten Ausführungsbeispiel angegeben sind, sind besonders wünschenswert für
Zinkoxidscheiben. Im allgemeinen wird eine Verkleinerung des prozentualen Anteiles
von Bleioxid in dem Glas zu einer höheren Schmelztemperatur führen, die die nicht-lir:-?szen
Strom-Spannungscharakteristiken des Materials verschlechern könnte, Auf der anderen
Seite führt eine Zunahme von Bleioxid zu einem höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und somit zu einem größeren Risiko der Ausbildung von Rissen beim Abkühlen der Scneibe,
was insbesondere für eine Zinkoxidscheibe gilt.
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Die Zusammensetzung der Glashülse gemäß der Erfindung unterscheidet
sich von derjenigen allgemein bekannter Niedertemperatur-Gläser dadurch, daß sie
einen wesentlich kleineren Prozentsatz an Bleioxid enthält. Die meisten Bleioxidgläser
für Applikationen mit niedriger Schmelztemperatur enthalten in der Größenordnung
von 60 % oder mehr Bleioxid, wogegen das Glas gemäß der Erfindung wesentlich weniger
als 50 % Bleioxid enthält, während es beträchtlich mehr Zinkoxid und Kupferoxid
enthält. Eine Veränderung des Gehaltes des Blei-I1-Oxid-ion-"Modifizierers" in derartigen
Gläsern ist gewöhnlich von einer entsprechenden Erhöhung im Gehalt von ttGlasbildnern"
begleitet, wie beispielsweise Boroxid und Siliziumoxid. Bei dem Hülsenglas gemäß
der Erfindung ist jedoch die Verkleinerung im Bleioxidgehalt stattdessen von einer
entsprechenden «erhöhung im Gehalt der zweiwertigen Ionenmodifizierer Zinkoxid und
Kupferoxid begleitet.
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Kommerziell verfügbare Niedertemperatur-Gläser besitzen im allgemeinen
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von wenigstens 8
x 10-6. Gewöhnliches zur Verfügung stehendes Bleiglas besitzt beispielsweise einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von etwa 9 bis 10 x 10
6.
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Der Hülsenglasüberzug gemäß der Erfindung hat einen Ausdehnungskoeffizienten
von nur etwa 7 x 1 -6, d. h. sehr nahe bei dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von Zinkoxid, der in der Größenordnung von 6 1/2 bis 7 x 10 6 liegt. Die Erweichungstemperatur
des Glases liegt bei etwa 465 00.
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Zwar beschreibt das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Anti-Überschlaghülse
auf einem Hochspannungsableiter, aber es wird deutlich, daß das Glas gemäß der Erfindung
auch für isolierende Oberflächenbereiche von Zinkoxid in anderen Applikationen verwendet
werden kann, wie beispielsweise für kleinere Überspannungsableiter, die beispielsweise
für Wattstundenzähler oder in anderen Niederspannungsschältungen verwendet werden
könnten. Nicht-lineare Zinkoxid-Widerstandsvorrichtungen werden auch in Schaltungen
der Verbraucherelektronik verwendet, um Halbleitervorrichtungen gegenüber zerstörenden
Überspannungen zu schUtzen. Das Glas gemäß der Erfindung
kann wegen
seiner thermischen Kompatibilität mit Zinkoxid in ähnlicher Weise als ein isolierender
Schutzüberzug auf derartigen Vorrichtungen verwendet werden.
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Es sei ferner darauf hingewiesen, daß das Glas gemäß der Erfindung
auch besonders nützlich zum Überziehen irgendeines anderen Materials für irgendwelche
verschiedenen Zwecke verwendet werden kann, wo der Ausdehnungskoeffizient des zu
über ziehenden Materials im wesentlichen der gleiche ist wie derjenige des Glases.
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Dem Glas gemäß der Erfindung können gewisse relativ inerte Füllstoffe
zugesetzt werden, ohne daß die erwünschten Eigenschaften in bezug auf den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten und die Schmelztemperatur in signifikanter Weise beeinflußt
werden. Beispielsweise können sogar 55 % Aluminiumoxid dem Brei vor dem Aufbringen
auf das Zinkoxid zugesetzt werden. Es ist ebenfalls nützlich, 2 bis 5 % suspendierenden
Ton oder Bindeton zuzusetzen, um die Glaspartikelchen in dem Brei in Suspension
zu halten. Der Zusatz eines Aluminiumoxid-Füllstoffes führt jedoch zu einem relativ
rauhen glanzlosen Oberflächenbild, das aus einer Anzahl von Gründen nicht erstrebenswert
ist für Antiüberschlaghülsen, das aber für andere Niederspannungszwecke wüns chenswert
sein kann.
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Die hier für die Glashülse gemäß der Erfindung angegebenen Prozentsätze
der Zusammensetzung geben nur die relativen Mengen der Bestanateile des Glases an
und schließen nicht in ihrer Gesamtmenge irgendwelche Füllmaterialien ein, die dem
Brei zugesetzt werden. Mit 11Füllstoff11 ist jedes fein verteilte Material gemeint,
das eine wesentlich höhere Schmelztemperatur als das Glas hat und deshalb bei der
Schmelztemperatur des Breies nicht selbst schmilzt, sondern stattdessen durch das
geschmolzene Glas gebunden wird, und das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
in der gleichen Größenordnung besitzt wie das Glas.