ES2267292T3 - Dispositivo de proteccion de sobrevoltaje que incluye oblea de material varistor. - Google Patents
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Abstract
Un dispositivo de protección de sobrevoltaje (100), que comprende: un alojamiento (120) que define una cavidad (121) en el mismo; un miembro electrodo (130) que incluye una segunda superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (132A); y una oblea (110) formada de material varistor y que tiene primera y segunda superficies opuestas de oblea sustancialmente planas (112, 114), estando colocada dicha oblea dentro de dicha cavidad (121); comprendiendo dicho alojamiento (120) una primera superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (122A), y una pared lateral metálica (124) y que tiene una abertura (126) en comunicación con dicha cavidad (121); estando dicha segunda superficie de contacto (132A) de dicho miembro electrodo (130) enfrente de dicha primera superficie de contacto eléctrico (122A) y dispuesta en dicha cavidad (121), una parte (134) de dicho miembro electrodo (130) que se extiende fuera de dicha cavidad (121) y a través de dicha abertura (126); y estando colocada dicha oblea (110) entre dichas primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico con dichas primera y segunda superficies de oblea (112, 114) encajando respectivamente en dichas primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico.
Description
Dispositivo de protección de sobrevoltaje que
incluye oblea de material varistor.
La presente invención se refiere a dispositivos
de protección de subidas repentinas de voltaje y, más
particularmente, a un dispositivo de protección de subidas
repentinas de voltaje que incluye una oblea de material
varistor.
Frecuentemente, se aplica voltaje excesivo a
través de líneas de servicio que suministran energía a residencias
e instalaciones comerciales e institucionales. Tal exceso de voltaje
o picos de voltaje pueden ser el resultado de rayos, por ejemplo.
Las subidas repentinas de voltaje son de particular importancia en
centros de distribución de telecomunicaciones, hospitales y otras
instalaciones donde el daño a los equipos causado por subidas
repentinas de voltaje y el tiempo de inactividad resultante puede
ser muy
costoso.
costoso.
Típicamente, se usan uno o más varistores (es
decir, resistores dependientes del voltaje) para proteger una
instalación de subidas repentinas de voltaje. Generalmente, el
varistor está conectado directamente a través de una entrada de CA
y en paralelo con el circuito protegido. El varistor tiene un
voltaje de enclavamiento característico de manera que, en respuesta
a un aumento de voltaje más allá de un voltaje prescrito, el
varistor forma un trayecto en derivación de baja resistencia para
la corriente de sobrevoltaje que reduce el potencial para que no
dañe los componentes sensibles. Típicamente, puede estar provisto un
fusible de línea en el circuito protector y este fusible de línea
es fundido o debilitado por el cortocircuito esencialmente creado
por el trayecto en derivación.
Se han construido varistores de acuerdo a varios
diseños para diferentes aplicaciones. Para aplicaciones de servicio
pesado (por ejemplo, capacidad de sobreintensidad en el intervalo de
desde aproximadamente 60 a 100kA) como protección de instalaciones
de telecomunicaciones, se emplean comúnmente varistores en bloques.
Un varistor en bloque incluye típicamente un elemento varistor en
forma de disco envuelto en un alojamiento de plástico. El disco
varistor se forma moldeando a presión un material de óxido metálico,
como óxido de cinc, u otro material adecuado como carburo de
silicio. Se metaliza por soplete cobre u otro material conductor
eléctrico sobre las superficies opuestas del disco. Electrodos en
forma de anillo se pegan a las superficies opuestas revestidas y el
disco y el montaje de electrodos se encierran dentro del alojamiento
de plástico. Ejemplos de tales varistores en bloque incluyen el
producto Nº SIOV-B860K250 comercializado por Siemens
Matsushita Components GmbH & Co. KG y el producto Nº V271BA60
comercializado por Harris
Corporation.
Corporation.
Otro diseño de varistor incluye un disco
varistor de alta energía alojado en una caja de diodo de disco. La
caja de diodo tiene placas de electrodos opuestas y el disco
varistor está colocado entre ellas. Uno o los dos electrodos
incluyen un miembro elástico dispuesto entre la placa de electrodo y
el disco varistor para sujetar el disco varistor en su sitio. El
miembro o miembros elásticos sólo proporcionan un área de contacto
relativamente pequeña con el disco varistor.
El documento US5.652.690 desvela un dispositivo
de protección de sobrevoltaje que comprende un alojamiento que
define una cavidad en el mismo; un miembro electrodo que incluye una
segunda superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana; y
una oblea formada de material varistor y que tiene primera y segunda
superficies de oblea opuestas sustancialmente planas, estando
colocada dicha oblea dentro de dicha cavidad; estando dicha segunda
superficie de contacto de dicho miembro electrodo enfrente de dicha
primera superficie plana de la oblea; extendiéndose una parte de
dicho miembro electrodo fuera de dicha cavidad y a través de dicha
abertura.
Las construcciones de varistores descritas
anteriormente a menudo responden inadecuadamente en servicio. A
menudo, los varistores se sobrecalientan y se incendian. El
sobrecalentamiento puede hacer que los electrodos se separen del
disco varistor, causando arco eléctrico y más riesgo de incendio.
Puede haber una tendencia a que se produzca perforación del disco
varistor, que a su vez hace que el varistor responda por fuera de
su intervalo especificado. Durante impulsos de alta corriente, los
discos varistores de la técnica anterior pueden agrietarse debido a
efecto piezoeléctrico, degradando así las características de
funcionamiento. El fallo de tales varistores ha conducido a nuevas
normas gubernamentales para especificaciones mínimas de
funcionamiento. Los fabricantes de varistores han encontrado estas
nuevas normas difíciles de cumplir.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención
es proveer un dispositivo varistor que tenga resistencia mejorada a
sobrecalentamiento e incendio cuando se aplica un sobrevoltaje a
través del dispositivo varistor.
Un objeto más de la presente invención es
proveer un dispositivo varistor tal que presente una baja
inductancia y una baja resistencia cuando se aplica un sobrevoltaje
a través del dispositivo varistor.
Por otra parte, otro objeto de la presente
invención es proveer un dispositivo varistor del tipo que incluya
una oblea de varistor y que permita distribución de corriente
sustancialmente uniforme a través de la oblea y minimice la
aparición de puntos calientes de alta corriente.
Según un primer aspecto de la presente invención
como se define por la reivindicación 1, hay provisto un dispositivo
de protección de sobrevoltaje que
comprende:
comprende:
un alojamiento que define una cavidad en el
mismo;
un miembro electrodo que incluye una segunda
superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana; y
una oblea formada de material varistor y que
tiene primera y segunda superficies opuestas de oblea
sustancialmente planas, estando colocada dicha oblea dentro de
dicha cavidad;
comprendiendo dicho alojamiento una primera
superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana, y una pared
lateral metálica y que tiene una abertura en comunicación con dicha
cavidad;
estando dicha segunda superficie de contacto de
dicho miembro electrodo enfrente de dicha primera superficie de
contacto eléctrico y dispuesta en dicha cavidad, una parte de dicho
miembro electrodo que se extiende fuera de dicha cavidad y a través
de dicha abertura; y
estando colocada dicha oblea entre dichas
primera y segunda superficies de contacto eléctrico con dichas
primera y segunda superficies de oblea que encajan respectivamente
en dichas primera y segunda superficies de contacto eléctrico.
Según un segundo aspecto de la presente
invención como se define por la reivindicación 42 hay provisto un
procedimiento para ensamblar un dispositivo de protección de
sobrevoltaje, que comprende las etapas de:
a) proveer un alojamiento que define una cavidad
en el mismo;
b) proveer un miembro electrodo que tiene una
segunda superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana;
c) proveer un medio de derivación;
d) colocar una oblea formada de material
varistor y que tiene primera y segunda superficies opuestas de oblea
sustancialmente planas en dicha cavidad;
e) derivar el medio de derivación; y
f) mantener la carga durante un caso de
sobrevoltaje;
incluyendo dicho alojamiento una primera
superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana y una pared
lateral metálica y que tiene una abertura en comunicación con la
cavidad;
estando dicha segunda superficie de contacto de
dicho miembro electrodo enfrente de dicha primera superficie de
contacto eléctrico;
colocar dicha oblea entre la primera y segunda
superficies de contacto de manera que la primera y segunda
superficies de oblea encajan respectivamente en la primera y segunda
superficies de contacto eléctrico; y
derivar el medio de derivación para aplicar una
carga entre la primera y segunda superficies de contacto eléctrico
y contra la primera y segunda superficies de oblea.
Las realizaciones de la presente invención
proveen un dispositivo de protección de sobrevoltaje que provee
varias ventajas para manejar sin peligro, de manera duradera y
consistente condiciones de sobrevoltaje extremas y repetidas. El
dispositivo puede incluir una oblea de material varistor y un par de
miembros electrodos, uno de los cuales es preferentemente un
alojamiento que tiene superficies de contacto sustancialmente planas
para encajar en superficies de la oblea sustancialmente planas.
Preferentemente, los electrodos tienen masas
térmicas relativamente grandes comparadas con la masa térmica de la
oblea de varistor para absorber una cantidad significativa de calor
de la oblea de varistor. De esta manera, el dispositivo reduce la
destrucción o degradación inducida por calor de la oblea de varistor
así como cualquier tendencia del varistor a producir chispas o
llama. Las masas térmicas relativamente grandes de los electrodos y
las áreas de contacto sustancial entre los electrodos y la oblea de
varistor también proveen una distribución de temperatura más
uniforme en la oblea de varistor, reduciendo así puntos calientes y
agotamiento localizado resultante del material varistor.
Preferentemente, los electrodos se cargan
mecánicamente contra la oblea de varistor. Preferentemente, se usan
medios de derivación para proveer y mantener la carga. La carga
provee preferentemente una distribución de corriente más uniforme a
través de la oblea de varistor. Como resultado, el dispositivo
responde a condiciones de sobrevoltaje más eficiente y
previsiblemente, y es más probable que se eviten puntos de alta
corriente que pueden causar perforación. También, la tendencia de
la oblea de varistor a alabearse en respuesta a impulsos de alta
corriente se impide o reduce por el refuerzo mecánico provisto por
los electrodos. Además, durante un caso de sobrevoltaje, se
esperaría que el dispositivo proveyera menor inductancia y menor
resistencia debido a la distribución de corriente más uniforme y
eficiente a través de la oblea de varistor.
Preferentemente, el dispositivo incluye un
alojamiento metálico y componentes adicionales configurados para
impedir o minimizar la expulsión de llama, chispas y/o material
varistor tras fallo de sobrevoltaje de la oblea de varistor.
Preferentemente, la oblea se forma cortando en rebanadas la oblea a
partir de una barra del material varistor.
Los dibujos adjuntos que forman una parte de la
memoria descriptiva, ilustran realizaciones clave de la presente
invención. Los dibujos y la descripción juntos, sirven para explicar
totalmente la invención. En los dibujos,
la Figura 1 es una vista en perspectiva en
despiece ordenado de un dispositivo varistor según la presente
invención;
la Figura 2 es una vista en perspectiva desde
arriba del dispositivo varistor de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista de la sección
transversal del dispositivo varistor de la Figura 1 tomada a lo
largo de la línea 3-3 de la Figura 2;
la Figura 4 es una vista en perspectiva de una
oblea de varistor;
la Figura 5 es una vista en perspectiva en
despiece ordenado de un dispositivo varistor según una segunda
realización de la presente invención;
la Figura 6 es una vista en perspectiva desde
arriba del dispositivo varistor de la Figura 5;
la Figura 7 es una vista en perspectiva desde
abajo del dispositivo varistor de la Figura 5;
la Figura 8 es una vista del dispositivo
varistor de la Figura 5, en el que el dispositivo varistor está
montado en una caja de uso general de servicio eléctrico;
la Figura 9 es una vista en perspectiva en
despiece ordenado de un dispositivo varistor según una tercera
realización de la presente invención;
la Figura 10 es una viste en perspectiva desde
arriba del dispositivo varistor de la Figura 9; y
la Figura 11 es una vista de la sección
transversal del dispositivo varistor de la Figura 9 tomada a lo
largo de la línea 11-11 de la Figura 10.
A continuación se describirá más en detalle la
presente invención en lo sucesivo con referencia a los dibujos
adjuntos, en los que se muestran realizaciones de la invención. Sin
embargo, esta invención puede plasmarse de muchas formas diferentes
y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas
en este documento; en cambio, estas realizaciones se proveen de
manera que esta exposición será minuciosa y completa, y transmitirá
totalmente el alcance de la invención a los expertos en la materia.
En los dibujos, números iguales se refieren a elementos iguales a
lo largo de todos ellos.
Con referencia a las Figuras
1-3, en las mismas se muestra y se designa 100 un
dispositivo de protección de sobrevoltaje según una primera
realización de la presente invención. El dispositivo 100 incluye un
alojamiento 120 de forma generalmente cilíndrica. El alojamiento
está formado preferentemente de aluminio. Sin embargo, puede usarse
cualquier metal conductor adecuado. El alojamiento tiene una pared
central 122 (Figura 3), paredes cilíndricas 124 que se extienden en
direcciones opuestas desde la pared central, y una orejeta de
electrodo del alojamiento 129 que se extiende hacia fuera desde las
paredes 124. El alojamiento es preferentemente unitario y simétrico
axialmente, como se muestra. Las paredes cilíndricas 124 y la pared
central 122 forman cavidades 121 en cada lado de la pared central,
comunicando cada cavidad con una abertura respectiva 126.
Un electrodo en forma de pistón 130 está
colocado en cada una de las cavidades 121. Ejes 134 de los
electrodos 130 sobresalen hacia fuera a través de las aberturas
respectivas 126. Los electrodos 130 están formados preferentemente
de aluminio. Sin embargo, puede usarse cualquier metal conductor
adecuado. Además, y como se trata con mayor detalle más adelante,
en cada cavidad 121 están dispuestas una oblea de varistor 110,
arandelas elásticas 140, un anillo aislante 150 y un capacete
160.
En uso, el dispositivo 100 puede conectarse
directamente a través de una entrada de CA o CC, por ejemplo, en
una caja de uso general de servicio eléctrico. Las líneas de
servicio están conectadas directa o indirectamente a los ejes de
electrodos 134 y la orejeta de electrodo del alojamiento 129 de
manera que se provee una vía de circulación eléctrica a través de
los electrodos 130, las obleas de varistor 110, la pared central del
alojamiento 122 y la orejeta de electrodo del alojamiento 129. En
ausencia de una condición de sobrevoltaje, las obleas de varistor
110 proveen altas resistencias de manera que no circula corriente a
través del dispositivo 100 ya que eléctricamente parece como un
circuito abierto. En el caso de una condición de sobrevoltaje (en
relación con el voltaje de diseño del dispositivo), las resistencias
de las obleas de varistor disminuyen rápidamente, permitiendo que
circule corriente a través del dispositivo 100 y crean una
trayectoria en derivación para circulación de corriente para
proteger otros componentes de un sistema eléctrico asociado. El uso
general y aplicación de protectores de sobrevoltaje como varistores
son bien conocidos para los expertos en la materia y, por
consiguiente, no se detallarán más en este documento.
Como se apreciará a partir de las Figuras, el
dispositivo 100 es axialmente simétrico, estando construidas de la
misma manera las mitades superior e inferior del dispositivo 100.
Por consiguiente, el dispositivo 100 se describirá en lo sucesivo
sólo con respecto a la parte superior, entendiéndose que tal
descripción se aplica igualmente a la parte inferior.
Volviendo a la construcción del dispositivo 100
con mayor detalle, el electrodo 130 tiene una cabeza 132 y une eje
formado integralmente 134. Como se ve mejor en la Figura 3, la
cabeza 132 tiene una superficie de contacto sustancialmente plana
132A que está enfrente de una superficie de contacto sustancialmente
plana 122A de la pared central del alojamiento 122. La oblea de
varistor 110 está interpuesta entre las superficies de contacto 122
y 132. Como se describe más detalladamente más adelante, la cabeza
132 y la pared central 122 están cargadas mecánicamente contra la
oblea de varistor 110 para asegurar un encaje firme uniforme entre
las superficies 112 y 132A y entre las superficies 114 y 122A. En el
extremo del eje 134 está formado un taladro roscado 136 para
recibir un perno para fijar una barra colectora u otro conector
eléctrico al electrodo 130.
Con referencia a la Figura 4, la oblea de
varistor 110 tiene una primera superficie de contacto
sustancialmente plana 112 y una segunda superficie de contacto
sustancialmente plana opuesta 114. Tal como se usa en este
documento, el término "oblea" significa un sustrato que tiene
un espesor que es relativamente pequeño comparado con sus
dimensiones de diámetro, longitud o anchura. La oblea de varistor
110 es preferiblemente en forma de disco. Sin embargo, la oblea de
varistor puede estar formada de otras formas. El espesor T y el
diámetro D del varistor 110 dependerán de las características del
varistor deseadas para la aplicación particular. Preferentemente, y
como se muestra, la oblea de varistor 110 incluye una oblea 111 de
material varistor revestida por cada lado de un revestimiento
conductor 112A, 114A, de manera que las superficies expuestas de los
revestimientos 112A y 114A sirven como las superficies de contacto
112 y 114. Preferentemente, los revestimientos 112A, 114A están
formados de aluminio, cobre o soldadura.
El material varistor puede ser cualquier
material adecuado usado convencionalmente para varistores,
concretamente un material que presente una característica de
resistencia no lineal con voltaje aplicado. Preferentemente, la
resistencia se hace muy baja cuando se supera un voltaje prescrito.
El material varistor puede ser un óxido metálico dopado o carburo
de silicio, por ejemplo. Óxidos metálicos adecuados incluyen
compuestos de óxido de cinc.
La oblea de material varistor 111 se forma
preferentemente formando en primer lugar una barra o bloque (no
mostrado) del material varistor y después cortando en rebanadas la
oblea 111 a partir de la barra usando una cuchilla de diamante u
otro dispositivo adecuado. La barra puede formarse extrudiendo o
moldeando una barra del material varistor y después sinterizando la
barra a alta temperatura en un ambiente oxigenado. Este
procedimiento de formación permite la formación de una oblea que
tiene superficies más planas y menos alabeo o fluctuación de perfil
que las que se obtendrían típicamente usando un procedimiento de
moldeo. Los revestimientos 112A, 114A están formados
preferentemente de aluminio o cobre y pueden metalizarse por soplete
sobre los lados opuestos de la oblea 111.
Aunque el dispositivo 100 como se muestra en la
Figura 1 incluye dos arandelas elásticas 140, pueden usarse más o
menos. Cada arandela elástica 140 incluye un orificio 142 que recibe
el eje 134 del electrodo 130. Cada arandela elástica 140 rodea una
parte del eje 134 inmediatamente adyacente a la cabeza 132 y se
apoya en la cara posterior de la cabeza 132 o la arandela elástica
precedente 140. Cada orificio 142 tiene preferentemente un diámetro
de entre aproximadamente 0,305 y 0,381 mm (0,012 y 0,015 pulgadas)
mayor que el diámetro correspondiente del eje 134. Las arandelas
elásticas 140 están formadas preferentemente de un material
resiliente y, más preferentemente, las arandelas elásticas 140 son
arandelas Belleville formadas de acero para resortes.
El anillo aislante 150 recubre y se apoya en la
arandela elástica más exterior 140. El anillo aislante 150 tiene un
orificio 152 formado en el mismo que recibe el eje 134.
Preferentemente, el diámetro del orificio 152 es entre
aproximadamente 0,127 y 0,178 mm (0,005 y 0,007 pulgadas) mayor que
el diámetro correspondiente del eje 134. El anillo aislador 150
está formado preferentemente de un material aislante eléctrico que
tiene altas temperaturas de fusión y combustión. Más
preferentemente, el anillo aislante 150 está formado de
policarbonato, cerámica o un polímero de alta temperatura.
El capacete 160 recubre y se apoya en el anillo
aislante 150. El capacete 160 tiene un orificio 162 que recibe el
eje 134. Preferentemente, el diámetro del orificio 162 es entre
aproximadamente 12,7 y 12,8 mm (0,500 y 0,505 pulgadas) mayor que
el diámetro correspondiente del eje 134 para proveer un espacio de
separación 165 suficiente (Figura 2) para evitar la formación de
arco eléctrico entre el capacete 160 y el eje del electrodo 134
durante condiciones sin sobrevoltaje. Las roscas 168 en la pared
periférica del capacete 160 encajan en las roscas complementarias
128 formadas en el alojamiento 120. En el capacete están formados
orificios 163 para recibir una herramienta (no mostrada) para girar
el capacete 160 con respecto al alojamiento 120. Pueden proveerse
otros medios para recibir una herramienta, por ejemplo una muesca de
forma hexagonal, en lugar o además de los orificios 163. El
capacete 160 tiene una arista anular 167 que es recibida dentro del
diámetro interior del alojamiento 120. El alojamiento 120 incluye
un reborde 127 para impedir la inserción excesiva del capacete 150.
Preferentemente, el capacete está formado de aluminio.
Como se observó anteriormente y como se muestra
mejor en la Figura 3, la cabeza del electrodo 132 y la pared
central 122 son cargados contra la oblea de varistor 110 para
asegurar el encaje firme y uniforme entre las superficies 112 y
132A y entre las superficies 114 y 122A. Este aspecto del
dispositivo 100 puede apreciarse considerando un procedimiento
según la presente invención para ensamblar el dispositivo 100. La
oblea de varistor 110 está colocada en la cavidad 121 de manera que
la superficie de la oblea 114 encaja en la superficie de contacto
122A. El electrodo 130 está insertado dentro de la cavidad 121 de
manera que la superficie de contacto 132A encaja en la superficie
de la oblea de varistor 112. Las arandelas elásticas 140 se deslizan
por el eje 134 y se colocan sobre la cabeza 132. El anillo aislante
150 se desliza por el eje 134 y sobre la arandela elástica más
exterior 140. El capacete 160 se desliza por el eje 134 y se enrosca
dentro de la abertura 126 encajando las roscas 168 con las roscas
128 y girando.
Una vez que el dispositivo 100 ha sido
ensamblado como se acaba de describir, el capacete 160 es derivado
selectivamente para forzar al anillo aislante 150 hacia abajo para
que flexione parcialmente las arandelas elásticas 140. La carga del
capacete 160 sobre el anillo aislante 150 y desde el anillo aislante
sobre las arandelas elásticas 140 es transferida a su vez a la
cabeza 132. De esta manera, la oblea de varistor 110 es intercalada
(fijada) entre la cabeza 132 y la pared central 122.
Preferentemente, el dispositivo 100 está
diseñado de manera que la carga deseada se logrará cuando las
arandelas elásticas 150 estén sólo parcialmente flexionadas y, más
preferentemente, cuando las arandelas elásticas estén flexionadas
el cincuenta por ciento (50%). De esta manera, puede darse cabida a
las variaciones de tolerancias de fabricación de los otros
componentes del dispositivo 100.
La cantidad de par de apriete aplicado al
capacete 160 dependerá de la cantidad deseada de carga entre la
oblea de varistor 110 y la cabeza 132 y la pared central 122.
Preferentemente, la cantidad de la carga de la cabeza y la pared
central contra la oblea de varistor es al menos 120 kg (264 libras).
Más preferentemente, la carga es entre aproximadamente 240 y 480 kg
(528 y 1056 libras). Preferentemente, los revestimientos 112A y
114A tienen un perfil inicial aproximado y la fuerza compresiva de
la carga deforma los revestimientos para proveer encajes más
continuos entre los revestimientos y las superficies de contacto
122A y 132A.
Alternativamente, o además, la cantidad de carga
deseada puede obtenerse seleccionando un número y/o tamaños
apropiados de arandelas elásticas 140. Cada una de las arandelas
elásticas requiere una cantidad prescrita de carga para flexionar
una cantidad prescrita y la carga total será la suma de las cargas
de deflexión del resorte.
Preferentemente, el área de encaje entre la
superficie de contacto 132A y la superficie de la oblea de varistor
112 es al menos 942 mm^{2} (1,46 pulgadas cuadradas). Asimismo, el
área de encaje entre la superficie de contacto 122A y la superficie
de la oblea de varistor 114 es preferentemente al menos 942 mm^{2}
(1,46 pulgadas cuadradas). Preferentemente, la cabeza del electrodo
132 tiene un espesor H de al menos 12,7 mm (0,50 pulgadas). La
pared central 122 tiene preferentemente un espesor W de al menos
6,35 mm (0,25 pulgadas).
La masa térmica combinada del alojamiento 120 y
el electrodo 130 debe ser sustancialmente mayor que la masa térmica
de la oblea de varistor 110. Como se usa en este documento, el
término "masa térmica" significa el producto del calor
específico del material o materiales del objeto (por ejemplo, la
oblea de varistor 110) multiplicado por la masa o masas del
material o materiales del objeto. Es decir, la masa térmica es la
cantidad de energía requerida para aumentar un gramo del material o
materiales del objeto un grado centígrado veces la masa o masas del
material o materiales del objeto. Preferentemente, las masas
térmicas de cada uno de la cabeza del electrodo 132 y la pared
central 122 son sustancialmente mayores que la masa térmica de la
oblea de varistor 110. Preferentemente, las masas térmicas de cada
uno de la cabeza del electrodo 132 y la pared central 122 son al
menos dos (2) veces la masa térmica de la oblea de varistor 110, y,
más preferentemente, al menos diez (10) veces mayor.
El dispositivo de protección de sobrevoltaje 100
provee varias ventajas para manejar sin peligro, de manera duradera
y consistente condiciones de sobrevoltaje extremas y repetidas. Las
masas térmicas relativamente grandes del alojamiento 120 y el
electrodo 130 sirven para absorber una cantidad relativamente grande
de calor procedente de la oblea de varistor 110, reduciendo así la
destrucción o degradación inducida por calor de la oblea de
varistor así como reduciendo cualquier tendencia de la oblea de
varistor a producir chispas o llama. Las masas térmicas
relativamente grandes y las áreas de contacto sustanciales entre el
electrodo y el alojamiento y la oblea de varistor proveen una
distribución de temperatura más uniforme en la oblea de varistor,
minimizando así los puntos calientes y el agotamiento localizado
resultante del material de varistor.
La carga del electrodo y el alojamiento contra
la oblea de varistor así como las áreas de contacto relativamente
grandes proveen una distribución de corriente más uniforme a través
de la oblea de varistor 10. Como resultado, el dispositivo 100
responde a condiciones de sobrevoltaje más eficiente y
previsiblemente, y es más probable que se eviten puntos de alta
corriente que pueden causar perforación. La tendencia de la oblea de
varistor 110 a alabearse en respuesta a impulsos de alta corriente
se reduce por el refuerzo mecánico provisto por la cabeza cargada
132 y la pared central 122. Las arandelas elásticas pueden
flexionarse temporalmente cuando la oblea de varistor se expande y
retornar cuando la oblea de varistor se contrae de nuevo,
manteniendo así la carga a lo largo de todos y entre múltiples
casos de sobrevoltaje. Además, durante un caso de sobrevoltaje, el
dispositivo 100 generalmente proveerá inductancia más baja y
resistencia más baja debido a la distribución de corriente más
uniforme y eficiente a través de la oblea de varistor.
El dispositivo 100 también sirve para impedir o
minimizar la expulsión de llama, chispas y/o material varistor tras
el fallo de sobrevoltaje de la oblea de varistor 110. La resistencia
del alojamiento metálico así como la configuración del electrodo
130, el anillo aislante 150 y el capacete 160 sirven para contener
los productos de un fallo de oblea de varistor. En el caso de que
la destrucción del varistor sea tan grave que separe a la fuerza el
electrodo 130 del varistor y funda el anillo aislante 150, el
electrodo 130 será desplazado y puesto en contacto directo con el
capacete 160, cortocircuitando así el electrodo 130 y el alojamiento
120 y haciendo que salte un fusible instalado en la línea (no
mostrado).
Aunque el alojamiento 120 se ilustra con forma
cilíndrica, el alojamiento puede ser de forma diferente. La mitad
inferior del dispositivo 100 puede suprimirse, de manera que el
dispositivo 100 incluya sólo una pared de alojamiento superior 124
y una sola oblea de varistor, electrodo, arandela elástica o
conjunto de arandelas elásticas, anillo aislante y capacete.
En vista de la descripción precedente, a los
expertos en la materia les resultarán evidentes procedimientos para
formar los varios componentes del dispositivo. Por ejemplo, el
alojamiento 120, el electrodo 130, y el capacete 160 pueden
formarse mediante mecanizado, fundición o moldeo por impacto. Cada
uno de estos elementos puede estar formado de manera unitaria o
formado de múltiples componentes unidos fijamente mediante
soldadura, por ejemplo.
Con referencia a las Figuras
5-8, en ellas se muestra un dispositivo varistor 200
según una segunda realización de la presente invención. El
dispositivo varistor 200 incluye elementos 210, 230, 240 y 260 que
corresponden a elementos 110, 130, 140 y 160, respectivamente, del
dispositivo varistor 100. El dispositivo varistor 200 se diferencia
del dispositivo varistor 100 en que el dispositivo 200 incluye sólo
una única oblea de varistor 210 y componentes correspondientes. El
dispositivo varistor 200 incluye un alojamiento 220 que es el mismo
que el alojamiento 120 excepto lo siguiente. El alojamiento 220
define sólo una única cavidad 221, y tiene sólo una única pared
circundante 224 que se extiende desde la pared central (o final) 222
del mismo. También, el alojamiento 220 tiene un pasador roscado 229
(Figura 7) que se extiende desde la superficie inferior de la pared
central (o final) 222 en lugar de una orejeta de electrodo que se
extiende lateralmente que corresponde a la orejeta de electrodo
129. El pasador 229 está adaptado para encajar en un taladro roscado
de una caja de uso general de servicio eléctrico convencional o
similar.
El dispositivo varistor 200 además se diferencia
del dispositivo varistor 100 en la provisión de un anillo aislante
251. El anillo aislante 251 tiene un anillo del cuerpo principal 252
que corresponde al anillo aislante 150. El anillo 251 incluye
además un casquillo 254 que se extiende hacia arriba desde el anillo
del cuerpo principal 252. El diámetro interior del casquillo 254
está dimensionado para recibir el eje 234 del electrodo 230,
preferentemente en ajuste con separación. El diámetro exterior del
casquillo 254 está dimensionado para pasar por el orificio 262 del
capacete 260 con un espacio de separación prescrito 265 (Figura 6)
que rodea el casquillo 254. El espacio 265 deja separación para
insertar el eje 134 y puede omitirse. El anillo del cuerpo
principal 252 y el casquillo 254 pueden estar unidos o moldeados
integralmente.
Con referencia a la Figura 8, el dispositivo
varistor 200 se muestra en ella montado en una caja de uso general
de servicio eléctrico 10. El dispositivo varistor 200 está montado
en una plataforma metálica 12 conectada eléctricamente a tierra. El
pasador de electrodo 229 encaja y se extiende a través de un taladro
roscado 12A en la plataforma 12. Una barra colectora 16, conectada
eléctricamente a un primer extremo de un fusible 14, está fijada al
eje del electrodo 234 por un perno roscado 18 insertado en el
taladro roscado 236 del electrodo 230. Un segundo extremo del
fusible puede estar conectado a una línea de servicio eléctrico o
similar. Como se muestra en la Figura 8, una pluralidad de
dispositivos varistores 200 pueden estar conectados en paralelo en
una caja de uso general 10.
Con referencia a las Figuras
9-11, en ellas se muestra un dispositivo varistor
300 según una tercera realización de la presente invención. El
dispositivo varistor 300 incluye elementos 310, 330, 340 y 351 que
corresponden a elementos 210, 230, 240 y 251, respectivamente. El
dispositivo varistor 300 también incluye una arandela metálica
plana 345 interpuesta entre la arandela elástica más superior 340 y
el anillo aislante 351, extendiéndose el eje 334 a través de un
orificio 346 formado en la arandela 345. La arandela 345, que puede
estar incorporada dentro de los dispositivos 100, 200, sirve para
distribuir la carga mecánica de la arandela elástica más superior
340 para impedir que la arandela elástica se intercale en el anillo
aislante 351. El alojamiento 320 es el mismo que el alojamiento 220
excepto lo siguiente.
El alojamiento 320 del dispositivo 300 no tiene
un reborde que corresponda al reborde 127 o roscas que correspondan
a las roscas 128. Además, el alojamiento 320 tiene una ranura anular
interna 323 formada en la pared lateral circundante 324 y que se
extiende adyacente a la abertura 326 de la misma.
El dispositivo varistor 300 también se
diferencia de los dispositivos varistores 100, 200 en la manera en
que el electrodo 330 y la pared central 322 son cargados contra la
oblea de varistor 310. En lugar de los capacetes 160, 260, el
dispositivo varistor 300 tiene un capacete 360 y una abrazadera
resiliente 370. La abrazadera 370 es recibida en parte en la ranura
323 y se extiende en parte radialmente hacia dentro desde la pared
interior del alojamiento 320 para limitar el desplazamiento hacia
fuera del capacete 360. La abrazadera 370 está formada
preferentemente de acero para resortes. El capacete 360 está formado
preferentemente de aluminio.
El dispositivo varistor 300 puede ser ensamblado
de la misma manera que los dispositivos varistores 100, 200 excepto
lo siguiente. El capacete 360 se coloca sobre el eje 334 y el
casquillo 354, cada uno de los cuales es recibido en un orificio
362. La arandela 345 se coloca sobre el eje 334 antes de colocar el
anillo aislante 351. Se usa una plantilla para posicionar (no
mostrada) u otro dispositivo adecuado para forzar hacia abajo el
capacete 360, que a su vez flexiona las arandelas elásticas 340.
Mientras el capacete 360 está todavía bajo la carga de la plantilla
para posicionar, se comprime la abrazadera 370, preferentemente
enganchando las aberturas 372 con alicates u otra herramienta
adecuada, y se inserta dentro de la ranura 323. Después se suelta
la abrazadera 370 y se le permite volver a su diámetro original, con
lo cual rellena en parte la ranura y se extiende en parte
radialmente hacia dentro en la cavidad 321 desde la ranura 323. La
abrazadera 370 y la ranura 323 sirven así para mantener la carga
sobre el capacete 360.
Pueden usarse medios distintos a los descritos
anteriormente para cargar el electrodo y el alojamiento contra la
oblea de varistor. Por ejemplo, el electrodo y el capacete pueden
ser ensamblados y cargados, y después fijados en su sitio usando
una junta
superpuesta.
superpuesta.
En cada uno de los dispositivos anteriormente
descritos 100, 200, 300, pueden apilarse e intercalarse múltiples
obleas de varistor (no mostradas) entre la cabeza del electrodo y la
pared central. Las superficies exteriores de las obleas de varistor
más superior y más inferior servirían de superficies de contacto de
oblea. Sin embargo, las propiedades de la oblea de varistor se
modifican preferentemente cambiando el espesor de una sola oblea de
varistor en lugar de apilando una pluralidad obleas de varistor.
Como se analizó anteriormente, las arandelas
elásticas 140 son preferentemente arandelas Belleville. Pueden
usarse arandelas Belleville para aplicar carga relativamente alta
sin requerir sustancial espacio axial. Sin embargo, pueden usarse
otros medios de derivación además o en lugar de la arandela o
arandelas Belleville. Medios de derivación alternativos adecuados
incluyen uno o más muelles helicoidales, arandelas onduladas o
arandelas espirales.
Lo anterior es ilustrativo de la presente
invención y no ha de interpretarse como limitador de la misma.
Aunque se han descrito unas pocas realizaciones ejemplares de esta
invención, los expertos en la materia apreciarán fácilmente que son
posibles muchas modificaciones en las realizaciones ejemplares sin
apartarse materialmente de las enseñanzas y ventajas novedosas de
esta invención. Por consiguiente, se pretende que todas esas
modificaciones estén incluidas dentro del alcance de esta invención
como se define en las Reivindicaciones. En las Reivindicaciones, se
pretende que las cláusulas de medios más función abarquen las
estructuras descritas en este documento realizando la función
enumerada y no sólo equivalentes estructurales sino también
estructuras equivalentes. Por lo tanto, debe entenderse que lo
anterior es ilustrativo de la presente invención y no debe
interpretarse como limitado a las realizaciones específicas
desveladas, y que se pretende que las modificaciones a las
realizaciones desveladas, así como otras realizaciones, estén
incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. La
invención está definida por las siguientes Reivindicaciones.
Claims (43)
1. Un dispositivo de protección de
sobrevoltaje (100), que comprende:
- un alojamiento (120) que define una cavidad (121) en el mismo;
- un miembro electrodo (130) que incluye una segunda superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (132A); y
- una oblea (110) formada de material varistor y que tiene primera y segunda superficies opuestas de oblea sustancialmente planas (112, 114), estando colocada dicha oblea dentro de dicha cavidad (121);
- comprendiendo dicho alojamiento (120) una primera superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (122A), y una pared lateral metálica (124) y que tiene una abertura (126) en comunicación con dicha cavidad (121);
- estando dicha segunda superficie de contacto (132A) de dicho miembro electrodo (130) enfrente de dicha primera superficie de contacto eléctrico (122A) y dispuesta en dicha cavidad (121), una parte (134) de dicho miembro electrodo (130) que se extiende fuera de dicha cavidad (121) y a través de dicha abertura (126); y
- estando colocada dicha oblea (110) entre dichas primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico con dichas primera y segunda superficies de oblea (112, 114) encajando respectivamente en dichas primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico.
2. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que dichas primera y segunda superficies de contacto eléctrico
aplican una carga a dichas primera y segunda superficies de
oblea.
3. El dispositivo de la Reivindicación 2 en
el que dicha carga es al menos 120 kg (264 libras).
4. El dispositivo de la Reivindicación 2 en
el que dicha carga es entre aproximadamente 240 kg (528 libras) y
480 kg (1056 libras).
5. El dispositivo de la Reivindicación 2 que
incluye medios ajustables (128, 168) que mantienen dicha carga de
manera que la cantidad de dicha carga puede ajustarse
selectivamente.
6. El dispositivo de la Reivindicación 2 que
incluye un medio de derivación (140) para mantener dicha carga.
7. El dispositivo de la Reivindicación 6 en
el que dicho medio de derivación incluye un miembro elástico que
deriva al menos una de dichas primera y segunda superficies de
contacto eléctrico contra dicha oblea.
8. El dispositivo de la Reivindicación 7 que
incluye una pluralidad de miembros elásticos que deriva al menos
uno de dichos primer y segundo miembros electrodos contra dicha
oblea.
9. El dispositivo de la Reivindicación 7 en
el que dicho miembro elástico incluye una arandela
elástica.
elástica.
10. El dispositivo de la Reivindicación 7 en
el que dicho miembro elástico incluye una arandela Belleville.
11. El dispositivo de la Reivindicación 2 que
incluye un capacete (160) colocado en dicha abertura, manteniendo
dicho capacete dicha carga.
12. El dispositivo de la Reivindicación 11 que
incluye una abrazadera (370) efectiva para limitar el desplazamiento
entre dicho capacete y dicho alojamiento para mantener dicha
carga.
13. El dispositivo de la Reivindicación 12 en
el que dicho alojamiento incluye una ranura (323) formada en el
mismo dicha abrazadera encaja en dicha ranura.
14. El dispositivo de la Reivindicación 11 en
el que dicho alojamiento incluye una parte roscada (128) y dicho
capacete incluye una parte roscada (168) que encaja en dicha parte
roscada del alojamiento por lo que dicho capacete se puede accionar
para ajustar selectivamente y mantener dicha carga.
15. El dispositivo de la Reivindicación 11 que
incluye un miembro elástico (140) interpuesto entre dicho capacete
y dicha oblea.
16. El dispositivo de la Reivindicación 11 que
incluye un miembro eléctricamente aislante interpuesto entre dicha
segunda superficie de contacto eléctrico y dicha abertura.
17. El dispositivo de la Reivindicación 1 que
incluye un capacete colocado en dicha abertura y que tiene un
orificio formado en el mismo, en el que dicho miembro electrodo
incluye una cabeza (132) colocada en dicha cavidad entre dicho
capacete y dicha primera superficie de contacto eléctrico y un eje
(134) que se extiende fuera de dicha cavidad y a través de dicho
orificio del capacete, incluyendo dicha cabeza la segunda superficie
de contacto.
18. El dispositivo de la Reivindicación 17 que
incluye un miembro anillo eléctricamente aislante (150) que tiene
un orificio (152) formado en el mismo, dicho miembro anillo aislante
interpuesto entre dicha cabeza y dicho capacete, en el que dicho
eje se extiende a través de dicho orificio del miembro anillo
aislante.
19. El dispositivo de la Reivindicación 18 en
el que dicho miembro anillo aislante (251) incluye una parte de
anillo del cuerpo principal (252) y un casquillo saliente (254),
rodeando dicho casquillo saliente a dicho eje y extendiéndose a
través de dicho orificio del capacete.
20. El dispositivo de la Reivindicación 17 que
incluye una arandela elástica (140) que tiene un orificio formado
en la misma, dicha arandela elástica interpuesta entre dicha cabeza
y dicho capacete, en el que dicho eje se extiende a través de dicho
orificio de la arandela elástica.
21. El dispositivo de la Reivindicación 17 que
incluye un miembro anillo eléctricamente aislante (150) y una
arandela elástica (140), teniendo dicho miembro anillo
eléctricamente aislante un orificio (152) formado en el mismo e
interpuesto entre dicha cabeza y dicho capacete, teniendo dicha
arandela elástica un orificio (142) formado en la misma e
interpuesto entre la cabeza y dicho miembro anillo eléctricamente
aislante, en el que dicho eje se extiende a través de cada uno de
dicho orificio del miembro anillo eléctricamente aislante y dicho
orificio de la arandela
elástica.
elástica.
22. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que dicho alojamiento y dicho miembro electrodo tienen una masa
térmica combinada que es mayor que una masa térmica de dicha
oblea.
23. El dispositivo de la Reivindicación 22 en
el que dicho alojamiento incluye una pared de electrodo (122) y
dicho miembro electrodo incluye una cabeza (132), cada una de dicha
pared de electrodo y dicha cabeza estando en contacto con una de
dichas superficies de oblea y teniendo una masa térmica que es mayor
que dicha masa térmica de la oblea.
24. El dispositivo de la Reivindicación 23 en
el que dichas masas térmicas de dicha pared de electrodo y dicha
cabeza son cada una al menos el doble que dicha masa térmica de la
oblea.
25. El dispositivo de la Reivindicación 23 en
el que dichas masas térmicas de dicha pared de electrodo y dicha
cabeza son cada una al menos diez veces dicha masa térmica de la
oblea.
26. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que dicho alojamiento está formado unitariamente de
metal.
metal.
27. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que dicha oblea se forma cortando en rebanadas una barra de
material varistor.
28. El dispositivo de la Reivindicación 27 en
el que dicha barra está formada por al menos uno de extrusión y
moldeo.
29. El dispositivo de la Reivindicación 27 en
el que dicho material varistor se selecciona del grupo que consta
de un compuesto de óxido metálico y carburo de silicio.
30. El dispositivo de la Reivindicación 27 en
el que dicha oblea incluye un revestimiento (112A, 114A) de metal
conductor sobre al menos una de dichas primera y segunda superficies
de oblea.
31. El dispositivo de la Reivindicación 27 en
el que dicha oblea tiene un borde periférico sustancialmente
circular y cada una de dichas primera y segunda superficies del
disco tienen sustancialmente la misma extensión que dicho borde
periférico circular.
32. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que cada una de dichas primera y segunda superficies de contacto
es continua y sustancialmente sin huecos.
33. El dispositivo de protección de
sobrevoltaje de la Reivindicación 1 en el que:
- a)
- el alojamiento incluye una pared de electrodo (122) que tiene una masa térmica y que incluye la primera superficie de contacto sustancialmente plana;
- b)
- el miembro electrodo incluye una cabeza (132) colocada en dicha cavidad y un eje (134) que se extiende fuera de dicha cavidad y a través de dicha abertura, teniendo dicha cabeza una masa térmica e incluyendo la segunda superficie de contacto;
- c)
- dicha oblea tiene una masa térmica;
- d)
- el dispositivo incluye además un capacete (160) colocado en dicha abertura, teniendo dicho capacete un orificio (162) a través del que se extiende dicho eje;
- e)
- el dispositivo incluye además un miembro elástico (140) interpuesto entre dicho capacete y dicha cabeza, y derivando dicho miembro elástico al menos una de dicha pared de electrodo y dicha cabeza contra dicha oblea para aplicar una carga a dichas primera y segunda superficies de oblea; y
- f)
- cada una de dicha masa térmica de la cabeza y dicha masa térmica de la pared de electrodo es mayor que dicha masa térmica de dicha oblea.
34. El dispositivo de la Reivindicación 33 en
el que dicha carga es al menos 120 kg (264 libras).
35. El dispositivo de la Reivindicación 33 en
el que dichas masas térmicas de dicha pared de electrodo y dicha
cabeza son cada una al menos diez veces dicha masa térmica de la
oblea.
36. El dispositivo de la Reivindicación 33 en
el que dicha oblea se forma cortando en rebanadas una barra de
dicho material varistor.
37. El dispositivo de la Reivindicación 33 que
incluye una abrazadera (370) y en el que dicho alojamiento incluye
una ranura (323) formada en el mismo, dicha abrazadera cooperativa
con dicha ranura para limitar el desplazamiento de dicho capacete
en relación con dicho alojamiento y para mantener dicha carga.
38. El dispositivo de la Reivindicación 33 en
el que dicho alojamiento incluye una parte roscada (128) y dicho
capacete incluye una parte roscada (168) que encaja en dicha parte
roscada del alojamiento por lo que dicho capacete se puede accionar
para ajustar selectivamente y mantener dicha carga.
39. El dispositivo de la Reivindicación 33 que
incluye un miembro anillo eléctricamente aislante (150), teniendo
dicho miembro anillo aislante un orificio (152) formado en el mismo
e interpuesto entre dicha cabeza y dicho capacete, teniendo dicho
miembro elástico un orificio (142) formado en el mismo e interpuesto
entre la cabeza y dicho miembro anillo aislante, por lo que dicho
miembro elástico deriva dicha cabeza contra dicha oblea, en el que
dicho eje se extiende a través de cada uno de dicho orificio del
miembro anillo aislante y dicho orificio del miembro elástico.
40. El dispositivo de la Reivindicación 39 en
el que dicho miembro anillo aislante (251) incluye una parte de
anillo del cuerpo principal (252) y un casquillo saliente (254),
rodeando dicho casquillo saliente a dicho eje y extendiéndose a
través de dicho orifico del capacete.
41. El dispositivo de la Reivindicación 1 en
el que:
- a)
- el miembro electrodo es unitario e incluye una cabeza (132) colocada en dicha cavidad y un eje (134) que se extiende fuera de dicha cavidad a través de dicha abertura, incluyendo la cabeza la segunda superficie de contacto; y
- b)
- el dispositivo incluye además un miembro elástico que deriva dicha cabeza contra dicha oblea para aplicar una carga a dichas primera y segunda superficies de oblea.
42. Un procedimiento para ensamblar un
dispositivo de protección de sobrevoltaje (100), que comprende las
etapas de:
- a)
- proveer un alojamiento (120) que define una cavidad (121) en el mismo, incluyendo dicho alojamiento (120) una primera superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (122A) y una pared lateral metálica (124) y que tiene una abertura (126) en comunicación con la cavidad;
- b)
- proveer un miembro electrodo (130) que tiene una segunda superficie de contacto eléctrico sustancialmente plana (132A), estando dicha segunda superficie de contacto de dicho miembro electrodo (130) enfrente de dicha primera superficie de contacto eléctrico (122A);
- c)
- proveer un medio de derivación (140);
- d)
- colocar una oblea (110) formada de material varistor y que tiene primera y segunda superficies opuestas de oblea sustancialmente planas (112, 114) en dicha cavidad (121) y colocar dicha oblea (110) entre la primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto de manera que la primera y segunda superficies de oblea (112, 114) encajan respectivamente en la primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico; y
- e)
- derivar el medio de derivación (140) para aplicar una carga entre la primera (122A) y segunda (132A) superficies de contacto eléctrico y contra la primera y segunda superficies de oblea (112, 114) para que se mantenga la carga durante un caso de sobrevoltaje.
43. El procedimiento de la Reivindicación 42
en el que el medio de derivación incluye un miembro elástico y
dicha etapa de derivar incluye flexionar el miembro elástico.
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