EP0147607A1 - Zinkoxid-Varistor - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf einen Zinkoxid-Varistor gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Es ist bekannt, dass sich die Eigenschaften von Zinkoxid-Varistoren, wenn sie in sauerstoffloser Umgebung betrieben werden, nach verhältnismässig kurzer Zeit merklich verschlechtern. Insbesondere steigt der Leckstrom und damit die Energieaufnahme, was zur Erwärmung und in der Folge zu weiterer Erhöhung des Leckstroms führt und in letzter Konsequenz zur thermischen Zerstörung des Varistors. Man hat festgestellt, dass die Degradation des Varistormaterials vor allem in einer dünnen seitlichen Randschicht auftritt und vermutet daher, dass sie auf Bildung unterstöchiometrischen Zinkoxids durch Abdiffusion von Sauerstoff aus der Randschicht in die Umgebung des Varistors zurückzuführen ist.
- Aus der DE-31 23 552 Al ist ein Varistor bekannt, welcher zwecks Verhinderung oder Verlangsamung der Sauerstoffabdiffusion auf der zwischen seinen Kontaktflächen umlaufenden Seitenfläche mit einer Beschichtung aus einem organischen Polymer versehen ist, welches gasundurchlässig sein soll.
- Nun ist bei der üblichen Betriebstemperatur von Zinkoxid-Varistoren, nämlich ca. 120-130 °C, die Sauerstoffdurchlässigkeit von organischen Polymeren allgemein ziemlich hoch und es erscheint zweifelhaft, ob eine reine Polymerbeschichtung eine die Degradation des Zinkoxid-Varistors wesentlich verlangsamende Sauerstoffbarriere bilden kann.
- Aus der genannten Schrift, wie auch bereits aus der US-PS 3 959 543, ist es auch bekannt, Zinkoxid-Varistoren seitlich mit einem Glasüberzug zu versehen'. Wie insbesondere aus der zuletzt genannten Schrift deutlich wird, weisen Gläser, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient hinreichend nahe bei demjenigen des Varistormaterials liegt, verhältnismässig hohe Schmelzpunkte auf. Der Varistor muss nach seiner Fertigstellung zum Zweck der Aufbringung des Glasüberzugs noch einmal auf ca. 650 °C erwärmt werden, was sich auf seine elektrischen Eigenschaften ungünstig auswirken kann. Weitere Nachteile liegen in der die Handhabung des Varistors erschwerenden Sprödigkeit des Glasüberzugs sowie unter Umständen in seiner chemischen Korrodierbarkeit durch Flussäure.
- Gemäss JP-PS 957 072 kann die Degradation von Zinkoxid-Varistoren in .SF6 durch Zugabe von 10-30 S Sauerstoff wesentlich verlangsamt werden. Diese Methode hat, abgesehen davon, dass sie nicht anwendbar ist, wenn die Varistoren von einem flüssigen oder festen Medium umgeben sind, den Nachteil, dass sie eine gasdichte Abschottung des die Varistoren enthaltenden Raums gegen andere Anlagenteile erfordert und die Wartung kompliziert. Dazu kommt die Verringerung der dielektrischen Festigkeit.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen gattungsgemässen Zinkoxid-Varistor bezüglich der Sauerstoffundurchlässigkeit der die umlaufende seitliche Fläche bedeckenden Beschichtung zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, gelöst.
- Die Vorteile der Erfindung sind vor allem darin zu sehen, dass die mindestens eine im Ueberzug eines erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistors enthaltene Sauerstoffsperrschicht einer Abdiffusion von Sauerstoff aus der Randschicht des Varistorteils wegen des im wesentlichen sauerstoffundurchlässigen, die Diffusionswege drastisch verlängernden oder selbst Sauerstoff abgebenden anorganischen Füllstoffs wesentlich stärker entgegenwirkt als die Beschichtung bekannter gattungsgemässer Zinkoxid-Varistoren. Dabei ist die Beschichtung eines erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistors kaum schwieriger herzustellen.
- Dadurch, dass die Funktion, die Sauerstoffdiffusion durch die Beschichtung zu sperren oder doch stark zu verringern, im wesentlichen von dem in der Sauerstoffsperrschicht feinverteilten anorganischen Füllstoff übernommen wird, kann zudem das organische Matrixmaterial, das die mechanischen, thermodynamischen und chemischen Eigenschaften besagter Sauerstoffsperrschicht wesentlich bestimmt, bezüglich Hitzebeständigkeit, Elastizität, thermischen Ausdehnungskoeffizienten, Korrosionsbeständigkeit, mechanischer Festigkeit etc. optimiert und insbesondere auch an die durch die jeweiligen Einsatzbedingungen wie z.B. das umgebende Medium gegebenen speziellen Anforderungen im wesentlichen ohne Rücksicht auf seine Sauerstoffdurchlässigkeit angepasst werden.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand von nur Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
- Fig. 1 einen axialen Schnitt durch einen gattungsgemässen Zinkoxid-Varistor,
- Fig. 2 einen Schnitt durch die Randzone eines erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistors gemäss einer ersten Ausführungsform,
- Fig. 3 einen gleichartigen Schnitt bei einem erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistor gemäss einer zweiten Ausführungsform,
- Fig. 4 einen gleichartigen Schnitt bei einem erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistor gemäss einer dritten Ausführungsform, und
- Fig. 5 die relative zeitliche Aenderung der Verlustleistung verschiedener gattungsgemässer Zinkoxid-Varistoren beim Betrieb derselben in SF6-Atmosphäre.
- In den Figuren 1 - 4 sind Zinkoxid-Varistoren dargestellt, welche in ihrem grundsätzlichen Aufbau jeweils einen zylindrischen Aktivteil 1 aus'einer gesinterten Masse, welche aus Metalloxiden mit einem überwiegenden Anteil an Zinkoxid besteht, enthält sowie auf Grund- und Deckfläche des Aktivteils 1 Kontaktschichten 2a, b aus leitendem Material, z.B. Aluminium, welche einander gegenüberliegende Kontaktflächen 3a, b bilden. Die zwischen den Kontaktflächen 3a, b umlaufende Seitenfläche ist mit einer mindestens teilweise aus einem organischen Polymer bestehenden Beschichtung 4 bedeckt.
- Gemäss einer ersten, in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsform ist erfindungsgemäss die Beschichtung 4 zur Gänze als Sauerstoffsperrschicht 5 ausgebildet. Dabei sind in einem organischen Matrixmaterial 6 Füllstoffpartikel 7 verteilt. Sie sind plättchenförmig und bestehen aus einem der folgenden Materialien: Naturglimmer, Kunstglimmer, Vermiculit, Eisenglimmer, Glas. Als organisches Matrixmaterial 6 eignen sich Epoxidharze, Alkydharze, Polyurethane, Siliconharze, ungesättigte Polyesterharze, Acrylate. Diese Substanzen sind auch als Lacke im Handel. Sie können mit dem Füllstoff vermischt und die Seitenfläche des unbeschichteten Aktivteils mit dieser Mischung mehrere Male gespritzt werden. Wirbelsintern oder elektrostatisches Pulverbeschichten kommen als Verfahren zur Aufbringung der Sauerstoffsperrschicht ebenfalls in Frage. Auch Umgiessen ist möglich, aber für die Serienfertigung weniger geeignet.
- Die degradationshemmende Wirkung der Sauerstoffsperrschicht 5 dürfte darauf beruhen, dass sich die für Sauerstoff praktisch undurchlässigen Füllstoffpartikel 7 im wesentlichen parallel zur Seitenfläche des Aktivteils 1 orientieren und dadurch ein dichtes Gefüge bilden, in welchem ausschliesslich im organischen Matrixmaterial 6 verlaufende Diffusionswege durch die Sauerstoffsperrschicht 5 verglichen mit der.Dicke derselben sehr lang sind. Von der Randschicht des Aktivteils 1 abdiffundierter Sauerstoff wird dadurch in der Umgebung derselben zurückgehalten, wodurch sich der Sauerstoffpartialdruck dort erhöht und weitere Abdiffusion von Sauerstoff aus dem Aktivteil 1 verhindert wird.
- Erfindungsgemässe Zinkoxid-Varistoren gemäss der ersten Ausführungsform wurden etwa in den folgenden Varianten hergestellt:
- Bei einer ersten Variante (Typ I) wurde die Seitenfläche des Aktivteils 1 drei Mal mit Wacotop0 (eingetragene Marke der Firma Heinrich Wagner & Co., Zürich, Schweiz), einem Eisenglimmer enthaltenden Epoxidharzlack gespritzt. Die Dicke der Sauerstoffsperrschicht 5 betrug 0,5 mm.
- Bei einer zweiten Variante (T p II) wurde die Seitenfläche des Aktivteils l mit Synodur ® (eingetragene Marke der Firma Dold AG, Wallisellen, Schweiz), einem Glimmer enthaltenden Epoxidharzlack drei Mal gespritzt. Die Dicke der Sauerstoffsperrschicht 5 betrug wiederum 0,5 mm.
- Gemäss einer zweiten, in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsform werden erfindungsgemäss eine oder mehrere Sauerstoffsperrschichten 5 durch die Beschichtung eines Glimmerbandes mit einem Träger 8 aus Papier, Kunststoff oder Glasgewebe gebildet, welches in einer oder mehreren Lagen um den Aktivteil 1 gewickelt ist. Die Beschichtung ist dabei dem Aktivteil 1 zugewandt, der Träger 8 liegt aussen. Die Beschichtung besteht wiederum aus einem organischen Matrixmaterial 6 mit eingebetteten Füllstoffpartikeln 7. Als Füllstoff eignet sich vorzugsweise Glimmer, jedoch ist auch die Verwendung anderer im Zusammenhang mit den bereits geschilderten oder der nachfolgend beschriebenen Ausführungsform aufgeführter Substanzen möglich.
- Die Wirkungsweise der Sauerstoffsperrschicht oder -schichten 5 ist natürlich gleich wie bei den übrigen Ausführungsformen. Der Träger 8 ermöglicht jedoch, Sauerstoffsperrschichten 5 sehr einfach und rasch durch maschinelles Wickeln aufzubringen.
- Ein erfindungsgemässer Varistor gemäss der zweiten Ausführungsform wurde folgendermassen hergestellt (Typ III):
- Das zylindrische Aktivteil 1 wurde mit einer Lage Glimmer-Glasgewebeband Samicatherm® (eingetragene Marke der Firma Isola, Breitenbach, Schweiz) bedeckt, verklebt und 16 h bei 130 °C ausgehärtet. Die Dicke des Bandes betrug 0,2 mm.
- Gemäss einer dritten, in Fig. 4 veranschaulichten Ausführungsform ist erfindungsgemäss die Beschichtung 4 wiederum zur Gänze als Sauerstoffsperrschieht 5 ausgebildet. Dabei sind in einem organischen Matrixmaterial 6 Füllstoffpartikel 7 verteilt, welche aus einem der folgenden Metalloxide bestehen : Iridiumoxid (IrO2), Osmiumoxid (OsO2), Telluroxid (TeO2), Kupferoxid (Cu2O), Wismuthoxid (Bi2O3), Bleioxid (PbO), Antimonoxid (Sb2O3), Kobaltoxid (CoO), Nickeloxid (Ni0), Manganoxid (MnO2, Mn2O3), Kadmiumoxid (CdO), Molybdänoxid (MoO3), Zinnoxid (SnO2), Wolframoxid (WO3), Eisenoxid (Fe3O4), Vanadiumoxid (V2O5), Zinkoxid (Zn0). Auch pulverisiertes Aktivteilmaterial kommt in Frage. Als organische Matrixmaterialien eignen sich die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform aufgeführten Stoffe.
- Die degradationsverzögernde Wirkung der Beschichtung dürfte darauf zurückgehen, dass die Füllstoffpartikel 7 Sauerstoff abgeben und den Umgebungssauerstoffpartialdruck in der unmittelbaren Umgebung der Randschicht des Aktivteils 1 auf einem Niveau halten, bei welchem das Aktivteilmaterial nicht oder nur geringfügig Sauerstoff abgibt. Dabei dürfte auch die physikalische Wirkung des meist wenig sauerstoffdurchlässigen Füllstoffs als Diffusionsbarriere eine Rolle spielen.
- Ein erfindungsgemässer Zinkoxid-Varistor gemäss der dritten Ausführungsführungsform wurde in folgender Form realisiert (Typ IV):
- Epoxidformstoff Araldit® (eingetragene Marke der Firma Ciba Geigy, Basel, Schweiz) Cy 227 wurde mit dem entsprechenden Härter Cy 227 und auf 160° erhitztem Zinkoxid (Zn0) der Qualität Weissiegel vermischt. Das Mischungsverhältnis Lack : Härter : Zinkoxid betrug in Gewichtsprozenten 25 : 25 : 50. Mit dieser Mischung wurde das Aktivteil 1 in einer Silikongiessform umgossen. Anschliessend wurde 16 h bei 130 °C ausgehärtet. Die Dicke der Sauerstoffsperrschicht 5 nach dem Aushärten betrug 2 mm.
- Die Herstellung einer ähnlichen Beschichtung durch Spritzen der Seitenfläche des Aktivteils 1 mit einem zinkoxidhaltigen Epoxidharzlack wurde ebenfalls mit befriedigendem Resultat erprobt.
-
- Die zeitliche Entwicklung der Verlustleistung im Vergleich zur Anfangsverlustleistung Pv(t)/Pv(0) beim Betrieb in SF6-Atmosphäre bei 1 bar, 115 °C und bei 0,34-facher Restspannung wurde gemessen und ist in Fig. 5 dargestellt für unbeschichtete Aktivteile (punktierte Kurve), bekannte gattungsgemässe Zinkoxid-Varistoren mit Polyimidbeschichtung (durchgezogene Kurve), wie oben beschrieben realisierte erfindungsgemässe Zinkoxid-Varistoren vom Typ I (kurzgestrichelte Kurve), vom Typ II (langgestrichelte Kurve) und vom Typ IV (strichpunktierte Kurve). Wie aus der Darstellung ersichtlich, kann die Degradation von gattungsgemässen Zinkoxid-Varistoren durch die erfindungsgemässen Massnahmen wesentlich verlangsamt werden. Die besten Resultate wurden dabei mit erfindungsgemässen Zinkoxid-Varistoren vom Typ 11 erzielt.
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