DE2620245A1

DE2620245A1 - Nonlinear resistor element made from ceramic material - used as overvoltage suppressor has surface coating of bonded refractory filler and clay suspension

Info

Publication number: DE2620245A1
Application number: DE19762620245
Authority: DE
Inventors: Howard Franklin Ellis; John Joseph Pitha
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-12
Filing date: 1976-05-07
Publication date: 1976-12-02
Also published as: JPS51140158A

Abstract

Nonlinear resistance element made from a ceramic material with an insulating coating on a part of the surface, used as an overvoltage suppressor is improved in that the insulating coating material is a mixt. of a refractory filler with a suspending clay and an inorganic binder soln. hardening at relatively low temps. The insulating material has a low coefft. of thermal expansion (about 45x10-6 degrees C-1) and hardens at relatively low temps. whereby the insulating collar can be attached to the resistor disc at a relatively low temp. without damage.

Description

Nicht-lineares Widerstandselement Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein nicht-lineare Widerstandselemente und besonders solche Widerstandselemente, die in Geräten für Überspannungsschutz in einem elektrischen System benutzt werden. Nonlinear Resistance Element The present invention relates to generally non-linear resistance elements and especially those resistance elements, used in devices for overvoltage protection in an electrical system.

Materialien, die eine ausgeprägte nicht-lineare Stromspannungscharakteristik haben, werden häufig in Schutzgeräten verwendet.Materials that have a pronounced non-linear voltage characteristic are often used in protective devices.

Ein solches SchutzgeEt ist z. B, ein überspannungs- oder Stoßspannungsableiter, der verwendet wird, eine elektrische Einrichtung gegen Beschädigung der Isolation zu schützen, die von Spannungsstößen herrünren kann, die die normale Betriebsspannung der Einrichtung übersteigen.Such a protection is e.g. B, a surge arrester or surge arrester, which is used, an electrical device against damage to the insulation to protect those from Voltage surges can result that the normal Exceed the operating voltage of the device.

Üblicherweise schließt ein Überspannungsableiter einen Ventil-und einen Spaltabschnitt ein, die in Reihe innerhalb eines zylindrischen isolierenden Gehäuses angeordnet sind. Der Ventilabschnitt besteht aus einem oder mehreren scheibenförmigen, nicht-linearen Widerstandselementen, die Fläche an Fläche übereinandergestapeltsind. Die itauptfunktion des Ventilteiles ist es, die Größe des Folgestromes nach einer Entladung ausreichend zu verringern, um eine Unterbrechung des Stromes durch den Spaltabschnitt zu gestatten. Die Zahl und die Abmessungen der Widerstandsscheiben in einem gegebenen Überspannungsableiter werden durch die Schutzerfordernisse und erstellungserwäguneen bestimmt.Usually a surge arrester closes a valve and a gap portion in series within a cylindrical insulating Housing are arranged. The valve section consists of one or more disc-shaped, non-linear resistive elements stacked face to face. The main function of the valve part is to determine the size of the follow-up flow after a Discharge sufficiently to reduce an interruption of the current through the Allow gap section. The number and dimensions of the resistor disks in a given surge arrester are affected by the protection requirements and Creation considerations determined.

Jede der Widerstandsscheiben eines überspannungsableiters ist im allgemeinen mit einem isolirenden Überzug oder Kragen bzw. Ring um seine Peripherie versehen. Der Kragen verhindert während einer Entladung im Überspannungs ab leiter ein Überspringen zwischen aufeinanderfolgenden Scheiben. Bei der fierstellung der relativ porösen gebrannten Silisiumkarbidscheiben, die für Überspannungs ab leiter in weitem Rahmen verwendet werden, wird ein Keramiscner Kragen gebildet durch Aufbringen einer Aufschlämmung von Keramikteilchen in Wasser auf-die periphere Oberfläche des Siliziumkarbides, bevor man dieses brennt. Während des nachfolgenden Brennens schmelzen die Teilchen in der Aufschlämmung zusammen und bilden einen fest haftenden isolierenden Kragen.Each of the resistance disks of a surge arrester is generally provided with an insulating coating or collar or ring around its periphery. The collar prevents the surge arrester from jumping over during a discharge between successive slices. When the relatively porous Fired silicon carbide disks for surge arresters in a wide range are used, a ceramic core collar is formed by applying a slurry of ceramic particles in water on the peripheral surface of the silicon carbide, before you burn this. During the subsequent firing, the particles melt in the slurry and form a tightly adhering insulating collar.

erden solche Widerstandsscheiben aus einem nicht-porösen Material hergestellt, wie einer Zinkoxyd-Verbindung mit einem hohen icht-linearen Widers t andsexponenten, dann findet während des Sinterns eine beträchtliche Verringerung der Größe der Scheibe statt. Es ist daher nicht z-«feckmaßig, den Kragen vor dem Sintern aufzubringen, Tdfie bei üblichen Siliziumkarbidscheiben. Stattdessen muß der Kragen in einer getrennten Heizstufe nach dem Sintern aufgebracht werden. Dies hat ein Problem zur Folge, da das separate Erhitzen bei einer Temperatur unterhalb von 600 OC ausgeführt werden muß, da eine hohere Temperatur die elektrischen Charakteristiken einer solchen gesinterten Scheibe beeinträchtigt. Außerdem muß das Material des Kragens mechanisch mit dem Material der Scheibe verträglich sein, um den thermisch verursachten Belastungen zu widerstehen.ground such resistance disks made of a non-porous material produced like a zinc oxide compound with a high non-linear contradiction t and exponents, then find a considerable reduction during sintering the size of the disc instead. It is therefore not square-shaped to put the collar in front of the Apply sintering, Tdfie with conventional silicon carbide disks. Instead, you have to the collar can be applied in a separate heating stage after sintering. this has resulted in a problem there the separate heating at one temperature must be carried out below 600 OC, since a higher temperature increases the electrical power Characteristics of such a sintered disk are impaired. Also must the material of the collar be mechanically compatible with the material of the disc, to withstand the thermal loads.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Scheibe aus nichtlinearem Widerstandsmaterial mit einem Kragen aus einer keramischen Zusammensetzung versehen, die einen relativ geringen Ausdehnungskoeffizienten hat und auch eine relativ geringe Härtungstemperatur gestattet, um eine Verschlechterung der Scheibe während des Härtens des Kragens zu verhindern. Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.In accordance with the present invention, a disk is made of nonlinear Resistance material provided with a collar made of a ceramic composition, which has a relatively low coefficient of expansion and also a relatively low one Hardening temperature allowed to avoid deterioration of the disc during hardening to prevent the collar. The invention is described below with reference to Drawing explained in more detail.

Im einzelnen zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen Oberspannungsableiter, der nicht-lineare Widerstandsscheiben enthält, die Kragen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweisen, und Figur 2 eine Teilansicht einer der Varistorscheiben des Uberspannungsableiters nach Figur 1.In detail: FIG. 1 shows a section through a surge arrester, the non-linear resistance disks, the collar according to a preferred one Embodiment of the present invention, and Figure 2 is a partial view one of the varistor disks of the surge arrester according to FIG. 1.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Stoßspannungsableiter 10 in Figur 1. Dieser Uberspannungsableiter 10 schließt ein zylindrisches Gehäuse 12 aus Porzellan ein, das zwei abschließende Kappen 14 aus Metall aufweist. Im Inneren des Porzellanzylinders 12 ist eine Anzahl scheibenförmiger Widerstandselemente 16 Fläche an Fläche übereinandergestapelt und in Reihe mit einer Anzahl von Spalteinheiten 17 angeordnet.A preferred embodiment of the present invention is that Surge arrester 10 in Figure 1. This surge arrester 10 includes cylindrical housing 12 made of porcelain, the two final caps 14 from Has metal. Inside the porcelain cylinder 12 are a number of disc-shaped ones Resistance elements 16 stacked face to face and in series with one Number of gap units 17 arranged.

Eines der scheibenförmigen Widerstandselemente 16 ist in Figur 2 in größeren Einzelheiten dargestellt, Die Scheibe 16 besteht aus gesintertem Zinkoxyd, das folgende Additive enthält: 0,5 Mol-p Bi203 0,5 Mol- Cm2O3 0,5 Mol-; Mn02 1,0 Mol-; Sb203 0>5 Mol-% 3 0,1 Mol-% BaC03 0,1 Mol-; B203 1,0 Mol-; NiO 0,1 Mol-Ó Si02 Die Scheibe 1o hat einen Durchmesser von 7,1 cm und ist 2,3 cm dick.One of the disk-shaped resistance elements 16 is shown in FIG shown in greater detail, the disc 16 is made of sintered zinc oxide, which contains the following additives: 0.5 mole-p Bi203 0.5 mole-Cm2O3 0.5 Mol-; Mn02 1.0 mol-; Sb203 0> 5 mole% 3 0.1 mole% BaCO3 0.1 mole-; B203 1.0 mole; NiO 0.1 Mol-Ó Si02 The disk 1o has a diameter of 7.1 cm and is 2.3 cm thick.

Der äußere Umfang der Scheibe 16 weist einen Kragen 20 von etwa 1/4 mm Dicke auf, der aus keramischem, das Überspringen verhinderndem Material besteht. Dieses keramische Material ist das thermische Reaktionsprodukt einer bei tiefer Temperatur härtenden wäßrigen Aufschlämmung. Die Aufschlämmung enthält eine Troc engewichtseinheit einer Füllstofftonmischung, von der 80 % Mullit (100F) und 20 % Floridakaolin (luftgepuffert) sind. Die Füllstofftonmischung wird mit 10 % einer Trockengewichtseinheit anorganischer Binderlösung kombiniert, die aus gleichen Gewichtsmengen von Monoaluminiumphosphat und konzentrierter Phosphorsäure einer besteht. Diese Kombination wird mit etwa 60 %ITrockengewichtseinheit Wasser aufgeschlämmt.The outer periphery of the disc 16 has a collar 20 of approximately 1/4 mm thick, which is made of ceramic material that prevents skipping. This ceramic material is the thermal reaction product of one at deeper Temperature curing aqueous slurry. The slurry contains a troc Unit weight of a filler clay mixture, of which 80% mullite (100F) and 20 % Floridakaolin (air-buffered) are. The filler clay mixture is made with 10% one Dry weight unit of inorganic binder solution combined from equal amounts by weight of monoaluminium phosphate and concentrated phosphoric acid one consists. These The combination is slurried with about 60% I dry weight unit of water.

Das Verfahren zum Herstellen der Widerstandsscheiben 16 ist im allgemeinen das folgende: Die Zi H xydzusammensetzung in pulverisierter Form wird zu einer Scheibe mit einem Durchmesser von etwa 8,6 cm und einer Dicke von etwa 2,5 cm gepreßt. Dieser Preßling wird dann durch Erhitzen in Luft auf eine Temperatur von etwa 1200 °C für etwa 5 Stunden gesintert und danach abgekühlt und zum Aufbringen des Kragens 20 durch Erhitzen auf 120 0C vorbereitet. Nun wird die Füllstoffton/ Binder-Aufschlämmung mit den fein zerteilten Teilchen und der oben angegebenen Zusammensetzung auf die äußere Oberfläche über den Umfang der Scheibe durch Aufsprühen bis zu einer Dicke von etwa 1/4 mm aufgebracht. Danach wird die Scheibe 16 mit der aufgebrachten Aufschlämmung nochmals in Luft auf mindestens 250 OC und vorzugsweise auf 400 OC für etwa 45 Minuten erhitzt, um den Kragen zu härten. Dann werden auf die beiden Flächen der Scheibe 16 Metallelektrodenschicnten durch Flammsprühen aufgebracht.The method of making resistor disks 16 is general the following: The Zi H xyd composition in powdered form becomes a disc pressed with a diameter of about 8.6 cm and a thickness of about 2.5 cm. This The compact is then heated in air to a temperature of about 1200 ° C for sintered for about 5 hours and then cooled and applied to the collar 20 prepared by heating to 120 ° C. Now the filler tone / Binder slurry with the finely divided particles and the composition given above on the outer surface around the periphery of the disc by spraying to a thickness of about 1/4 mm applied. Thereafter, the disc 16 with the slurry applied again in air to at least 250 ° C. and preferably to 400 ° C. for about 45 minutes heated to harden the collar. Then be on the two faces of the washer 16 metal electrode layers applied by flame spraying.

Der thermische Expansionskoeffizient des keramischen Materials des Kragens 20 liegt in der Größenordnung von 4,5 x 10 6 cm/cm/t Dies ist ausreichend benachbart dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Zinkoxydverbindungr der bei 6,5 - 7 x 10 6cm/cm/0C liegt, um ein Absprengen des Kragens 20 während thermischer Belastung von der Scneibe 16 zu verhindern. Gleichzeitig ist die Härtungstemperatur für das Kragenmaterial von 400 °C gering genug, um eine merkliche Verschlechterung der Stromspannungscharakteristiken der bereits gesinterten Scheibe 16 zu vermeiden.The coefficient of thermal expansion of the ceramic material of the The collar 20 is on the order of 4.5 x 10 6 cm / cm / t. This is sufficient adjacent to the coefficient of thermal expansion of the zinc oxide compound at 6.5 - 7 x 10 6 cm / cm / 0C to prevent the collar 20 from bursting off during thermal To prevent stress from the pulley 16. At the same time is the curing temperature low enough for the collar material of 400 ° C to show a noticeable deterioration the voltage characteristics of the already sintered disk 16.

Darüber hinaus weist der Kragen 20 sehr erwünschte Spannungswiderstandscharakteristiken für die Verwendung in Überspannungsableiten für höhere Spannung auf.In addition, the collar 20 has very desirable voltage resistance characteristics for use in surge arresters for higher voltages.

Während das Material für den Kragen für die Widerstandsscheibe des Überspannungsableiters in der bevorzugten Ausführungsform als hitzebeständigen Füllstoff Mullit enthält, können auch andere hitzebestänuige Füllstoffe, wie Aluminiumoxyd, Zirkondioxyd, Cordierit und Siliziumdioxyd, verwendet werden. Da der thermische Expansionskoeffizient des Kragenmaterials in erster Linie durch die Menge und Art des Füllstoffes in dem keramischen Material bestimmt wird, kann der Prozentgehalt des jeweiligen Füllstoffes in der Aufschlämmung leicht so ausgewählt werden, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kragenmaterials verträglich mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials für die Scheibe ist. In jedem Falle sollte jedoch der Füllstoff 60 bis 90 ß der Füllstotftonmischung ausmachen.While the material for the collar for the drag washer of the Surge arrester in the preferred embodiment as a heat-resistant filler Contains mullite, other heat-resistant fillers such as aluminum oxide, Zirconia, cordierite and silicon dioxide can be used. Since the thermal Expansion coefficient of the collar material primarily due to the amount and type of the filler in the ceramic material is determined, the percentage can of the particular filler in the slurry can easily be selected so that the thermal expansion coefficient of the collar material compatible with the thermal Coefficient of expansion of the material for the disc is. In any case, it should however, the filler makes up 60 to 90 ß of the filler clay mixture.

Es können auch andere schwebende Tone (im Englischen "suspending clays) als Kaolin für die Füllstofftonmischung verwendet werden, doch ist Kaolin gegenüber den plastisc ,Binde-, n bevorzugt. Es ist auch erwunscht, daß der Ton frei von Alkali- und Erdalkali-Verunreinigungen ist, welche die Spannungswiderstands fähigkeit oder den elektrischen Widerstand unter konstanter Spannung bei dem fertigen Kragen beeinträchtigen würden.Other suspending clays can also be used. can be used as kaolin for the filler clay mix, but kaolin is opposite the plastic, connective, n preferred. It is also desirable that the clay be free of alkali and alkaline earth impurities which affect the voltage resistance or affect the electrical resistance under constant voltage in the finished collar would.

Die Menge der eingesetzten Binderlösung kann zwischen 5 und 15 % einer Trockengewichtseinheit variiert werden. Die zur Bildung einer geeigneten Aufschlämmung erforderliche Wassermenge für eine Spray-Aufbringung kann zwischen 50 und 70 % einer Trockengewichtseinheit variiert werden. Eine geringere Menge Wasser oder eines anderen Aufschlämmungsmittels wäre für andere Aufbringungsarten,wie Aufbürsten oder Aufrollen geeignet.The amount of the binder solution used can be between 5 and 15% Dry weight unit can be varied. Those used to form a suitable slurry The amount of water required for a spray application can be between 50 and 70% of a Dry weight unit can be varied. A smaller amount of water or another Slurry would be for other types of applications such as brushing or rolling suitable.

Während in dem überspannungs ab leiter in seiner bevorzugten Ausführungsform Ventilscheiben aus Zinkoxyd verwendet werden, sind auch andere Varistormaterialien einsetzbar, wie z. B. Siliziumkarbid, Borkarbid und Aluminiumkarbid, die ebenfalls mit einem Kragen gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung überzogen werden können. Der erfindungsgemäße Kragen hat jedoch besondere Vorteile für Zinkoxyd-Varistormaterial wegen seiner Spannungswiderstandsfähigkeit, seines geringen mit Zinkoxyd verträglichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und wegen seiner Fähigkeit, bei geringer Temperatur gehärtet zu werden.While in the surge arrester in its preferred embodiment Zinc oxide valve disks are used as other varistor materials can be used, such as B. silicon carbide, boron carbide and aluminum carbide, which also be covered with a collar according to the preferred embodiment of the invention can. However, the collar according to the invention has particular advantages for zinc oxide varistor material because of its voltage resistance, its low compatibility with zinc oxide thermal expansion coefficient and because of its ability at low temperature to be hardened.

Während sich die bevorzugte Ausführungsform auf einen Uberspannungsableiter für hohe Spannung bezieht, ist der hier beschriebene Kragen auch für lenere Varistoren geeignet zur Anwendung in Überspannungs ab leitern für Zähler oder andere Niederspannungskreise. Nicht-lineare Widerstandsgeräte aus Zinkoxyd werden auch in Schaltungen der Verbraucherelektronik eingesetzt, um Halbleiterelemente gegen zerstörerische Übersp&nnungen zu schützen.While the preferred embodiment relies on a surge arrester for high voltage, the collar described here is also suitable for lenere varistors suitable for use in surge arresters for meters or other low-voltage circuits. Zinc oxide nonlinear resistance devices are also used in consumer electronics circuits used to protect semiconductor elements against destructive overvoltages.

Das erfindungsgemäße Kragenmaterial kann wegen seiner thermischen Vertraglichkeit mit Zinkoxyd auch als isolierender Schutzüberzug auf solchen Geräten verwendet werden.The collar material according to the invention can because of its thermal Compatibility with zinc oxide also as an insulating protective coating on such devices be used.

Claims

1. Non-linear electrical resistance device with a ceramic Resistance element and an insulating coating material on part of the surface of the element that is not indicated that the coating material is the reaction product of a mixture consisting essentially of a mixture a heat-resistant filler with a floating concrete and one at low temperature hardening inorganic binder solution.

2. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the resistance element is a zinc oxide ceramic.

3. Apparatus according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the mixture consists essentially of 60 to 90%, based on the dry weight, consists of the waste material and 10 to 40% of the clay and that the solution is a Weight from 5 to 15% of the weight of the mixture constitutes and essentially consists of consists of equal amounts by weight of monoaluminium phosphate and concentrated phosphoric acid.

4. Apparatus according to claim 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the filler is selected from aluminum oxide, zirconium dioxide, cordierite and silicon dioxide.

5. Apparatus according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the coating material has a coefficient of thermal expansion of about 4.5 x 10 6 cm / cm / ° C.

6. Apparatus according to claim 5> d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the mixture as a heat-resistant filler 80 wt.; Contains mullite.

7. Apparatus according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the coating has a thickness of at least about 1/4 mm.

8. Apparatus according to claim 7, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the filler clay mixture contains as clay about 20% florida kaolin.

9. Method of applying an insulating collar to a ceramic non-linear resistance valve disc of an electrical surge arrester, NOTICE OF THE FOLLOWING STAGES: applying a layer of slurry, which essentially consist of heat-resistant filler, a floating concrete, a low temperature curing inorganic binder and a slurrying agent insists on the circumference of the disc and heating the coated disc to a Temperature less than 600 oC until the slurry layer by chemical Reaction with the formation of a hard ceramic insulation layer is completely hardened Has.

10. The method according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c That is, the disc just prior to applying the slurry layer heated to around 100 oC.

11. The method according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c It should be noted that the heating is carried out at about 400 ° C for at least 45 minutes.