ES2273988T3 - Descargador de sobretension y procedimieto para fabricar un descargador de cobretension de esta clase. - Google Patents
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Abstract
Descargador de sobretensión con dos terminales de corriente estacionarios (2, 3) y con una resistencia eléctrica no lineal que contiene dos electrodos (6, 8) distanciados uno de otro en la dirección de un eje y un cuerpo de resistencia (7) constituido por una matriz y un material de relleno de forma de polvo con comportamiento de varistor incrustado en la matriz, caracterizado porque el cuerpo de resistencia (7) está formado por un material compuesto deformable en frío y se encuentra prensado entre los dos electrodos (6, 8), formando así la resistencia eléctrica no lineal.
Description
Descargador de sobretensión y procedimiento para
fabricar un descargador de sobretensión de esta clase.
En la invención se parte de un descargador de
sobretensión según el preámbulo de la reivindicación 1. La invención
concierne también a un procedimiento para fabricar un descargador
de sobretensión de esta clase. El descargador de sobretensión
comprende dos terminales de corriente estacionario y una resistencia
eléctrica no lineal que contiene dos electrodos distanciados uno de
otro en la dirección de un eje y un cuerpo de resistencia
constituido por un material compuesto polímero con una matriz
polímera y un material de relleno en forma de polvo incrustado en
la matriz y dotado de un comportamiento de varistor. El material de
relleno contiene en general un granulado de varistor sinterizado
con partículas de óxido de metal dopado predominantemente de forma
esférica. Las partículas están constituidas por granos cristalinos
separados uno de otro por límites de grano. Dado que se suprimen
procesos adicionales en comparación con descargadores de
sobretensión de acción comparable con resistencias no lineales a
base de una cerámica sinterizada, tales descargadores de
sobretensión pueden fabricarse de manera relativamente sencilla y
en una gran multiplicidad de formas.
Un descargador de sobretensión de la clase antes
citada puede ser derivado, por ejemplo, del documento DE 198 24
104 A1 o de R. Strümpler, P. Kluge-Weiss y F.
Greuter "Smart Varistor Composites", Actas del 8º Congreso
sobre Cerámica Mundial CIMTECH y Fórum sobre Nuevos Materiales,
Simposio VI (Florencia, 29 de Junio - 4 de Julio de 1994). Este
descargador de sobretensión contiene una resistencia eléctrica no
lineal con un cuerpo de resistencia constituido por un material
compuesto que consta de una matriz de polímero y un polvo contenido
en ésta. Como polvo se emplea un granulado que se ha producido por
sinterización de un polvo de varistor secado por rociado a base de
un óxido de zinc dopado con óxidos de Bi, Sb, Mn, Co, Al y/u otros
metales. Este granulado presenta partículas esféricas conformadas a
manera de balón de fútbol con comportamiento de varistor, las
cuales están constituidas por granos cristalinos separados uno de
otro por límites de grano. Los diámetros de estas partículas son de
hasta 300 \mum. Variando los materiales de dopaje y las
condiciones de sinterización se pueden ajustar la propiedades
eléctricas del granulado sinterizado, tal como el coeficiente de no
linealidad \alpha_{B} o la intensidad de campo de perforación
U_{B} [V/mm] a lo largo de un intervalo grande. Para aplicaciones
de potencia en un descargador de sobretensión se incrustan en el
material compuesto de polímero fundido dos electrodos durante la
fabricación del cuerpo de resistencia o bien se aplican dichos
electrodos en forma de una capa metálica sobre la superficie del
cuerpo de resistencia después de la fabricación de este último.
En el documento EP 0 875 087 B1 se ha descrito
un material compuesto a base de una matriz polímera, especialmente
elastómera, y un polvo incrustado en esta matriz. Como polvo se
emplea un granulado que se ha producido también por sinterización
de un polvo de varistor secado por rociado a base de un óxido de
zinc dopado con óxidos de Bi, Sb, Mn, Co, Al y/u otros metales.
Este granulado presenta partículas esféricas conformadas a manera
de un balón de fútbol con comportamiento de varistor, las cuales
están constituidas por granos cristalinos separados uno de otro por
límites de grano. Las partículas tienen diámetros de hasta un máximo
de 125 \mum y presentan una distribución de tamaños que sigue a
una distribución de Gauss. Este material se utiliza en uniones de
cables y cierres de extremos de cables y forma allí capas de control
de la tensión.
Se conoce por el documento US 5,231,370 A un
descargador de sobretensión con un varistor a base de microesferas
de óxido de zinc dopado que primero se han sinterizado y luego
prensado o que primero se han prensado y luego sinterizado. Dado
que las microesferas como producto de partida para el varistor se
presentan primero en forma de un gel, la fabricación del
descargador de sobretensión es relativamente complicada. Además, no
se puede excluir que, al efectuar la sinterización, queden entre
las distintas microesferas unos espacios intermedios de aire que
reduzcan la rigidez dieléctrica del varistor y, por tanto,
disminuyan también la del descargador de sobretensión. En el
documento citado se menciona también que se pueden emplear
microesferas sinterizadas no sólo como varistores, sino también
como material de relleno para artículos eléctricos de goma.
El documento US 5,955,936 A describe una
resistencia PTC a base de un material compuesto de polímero que
contiene una matriz de polímero y un material de relleno
eléctricamente conductivo empotrado en ésta. Para el contactado de
esta resistencia se utilizan dos electrodos de una espuma metálica
que están unidos de forma eléctricamente conductora con el material
compuesto bien directamente o bien a través de capas
conductivas.
La invención, tal como se manifiesta en las
reivindicaciones, se basa en el problema de indicar un descargador
de sobretensión de la clase citada al principio que, a pesar de una
buena característica de protección, sea sencillo de fabricar, y de
crear al mismo tiempo un procedimiento con el cual se pueda fabricar
de manera económica una multiplicidad de descargadores de tensión
necesaria para resolver tareas de protección muy diferentes.
En el descargador de sobretensión según la
invención el cuerpo de resistencia está formado por un material
compuesto de polímero deformable en frío y este cuerpo ha sido
prensado entre dos electrodos formando una resistencia eléctrica no
lineal. A causa de la deformabilidad en frío, el cuerpo de
resistencia descansa sobre los electrodos con una compresión
superficial constante, de modo que se evitan faltas de homogeneidad
en la superficie límite entre cuerpo de resistencia y electrodos y
se consigue una pequeña resistencia de contacto. Los golpes de
corriente con alta amplitudes de corriente que se presenten durante
el funcionamiento del descargador de sobretensión a consecuencia de
manipulaciones de conmutación o de la caída de un rayo pueden ser
conducidos de forma segura en la resistencia a causa de la
resistencia de transición homogénea y de bajo ohmiaje entre los
electrodos y el cuerpo de resistencia, sin que haya que temer un
sobrecalentamiento local de la resistencia no lineal que conduzca a
un fallo prematuro del descargador de sobretensión.
Se consigue una compresión superficial
especialmente uniforme cuando la matriz está formada por un polímero
a base de un líquido, un gel o un elastómero y contiene
preferiblemente una silicona o una mezcla de siliconas. Otros
polímeros adecuados son poliuretanos flexibles, epóxidos, grasas o
aceites. Son adecuados también otros polímeros reticulados con
malla ancha, así como espumas de poros finos. Debido a la carga de
un polímero líquido, por ejemplo un aceite de silicona, o de un gel
polímero sólo débilmente reticulado con el material de relleno, se
consigue un material compuesto formulado en forma de pasta.
En general, las superficies del cuerpo de
resistencia que contienen material de relleno se aplican a los
electrodos. Debido al contacto directo de las partículas de
material de relleno que presentan una propiedad de varistor con los
electrodos se mantienen así pequeñas la resistencia de transición y,
por tanto, la resistencia óhmica de la resistencia no lineal
durante la descarga de una sobretensión.
Preferiblemente, el descargador de sobretensión
presenta una carcasa que da alojamiento al cuerpo de resistencia.
La resistencia no lineal está alojada así no sólo en forma
protegida, sino que al mismo tiempo es absorbida también por la
carcasa la fuerza necesaria para la compresión superficial. Esta
fuerza puede ser generada de manera especialmente eficaz por un
muelle pretensado o por embutición de un elemento precursor del
cuerpo de resistencia formado por el material compuesto de polímero
deformable en frío entre los electrodos. Dado que, a causa de la
deformabilidad en frío del material compuesto de polímero, el cuerpo
de resistencia está apoyado aquí en general sobre la carcasa con
una superficie envolvente dispuesta entre los dos electrodos, las
dimensiones del elemento precursor pueden desviarse aún muy
considerablemente de las dimensiones definitivas del cuerpo de
resistencia. Un descargador de sobretensión concebido de esta manera
según la invención se puede fabricar así de una manera
extraordinariamente económica.
Para muchas aplicaciones es suficiente que la
carcasa esté concebida en forma elásticamente deformable o
contráctil. La fuerza necesaria para el prensado del cuerpo de
resistencia puede ser generada por tensado o por contracción de la
carcasa.
Para compensar variaciones de volumen de la
resistencia que sean provocadas por calentamiento durante el
funcionamiento del deescargador de sobretensión, es recomendable
construir la carcasa de manera que esté longitudinalmente
rigidizada en la dirección del eje y sea elásticamente deforamable
en dirección periférica. La rigidización longitudinal puede
conseguirse, por ejemplo, por medio de una cuña en cruz de gran
pendiente orientada de manera predominante en dirección axial.
Debido a las rigidizaciones longitudinales se mantienen constantes
las dimensiones del cuerpo de resistencia en dirección axial. Las
variaciones de volumen del cuerpo de resistencia provocadas por
calentamiento se traducen entonces, a causa de la deformabilidad en
frío de este cuero, en variaciones de sus dimensiones radiales.
Estas variaciones son absorbidas por la carcasa elásticamente
deformable en dirección periférica. El decargador de sobretensión
perfeccionado de esta manera puede adaptarse así casi por
"respiración" a las condiciones de funcionamiento
reinantes.
Es recomendable prever el material compuesto en
una parte de la carcasa sellada hacia fuera - por ejemplo, por
medio de anillos de junta. Cuando el material compuesto está
formulado como una pasta y presenta entonces un polímero con una
viscosidad relativamente pequeña, tal como especialmente aceite, el
polímero no se desplaza entonces hacia fuera ni siquiera bajo una
variación de volumen del cuerpo de resistencia o del material
compuesto de polímero.
La variación de volumen del cuerpo de
resistencia puede ser compensada también por una capa intermedia
eléctricamente conductora, deformable en frío y comprensible de
manera reversible, que esté dispuesta entre el material compuesto y
uno de los dos electrodos. Mediante esta capa se mejora al mismo
tiempo también el contacto eléctrico entre el cuerpo de resistencia
y el electrodo.
Particularmente para aplicaciones de baja y
media tensión es ventajoso en el aspecto de la técnica de
fabricación que la carcasa esté construida en varia partes y que la
fuerza necesaria para el prensado del cuerpo de resistencia sea
generada por afianzamiento de dos partes de la carcasa móviles una
con relación a otra.
Un descargador de sobretensión en el que al
menos uno de los dos electrodos es de construcción porosa se
caracteriza por una resistencia de contacto especialmente pequeña.
El material del cuerpo de resistencia se ciñe entonces de manera
especialmente estrecha, durante el prensado, a la superficie porosa
y, por tanto, áspera del cuerpo de resistencia y penetra al mismo
tiempo en los poros. Sin embargo, para impedir una penetración a
través del material del cuerpo de resistencia, especialmente cuando
se emplee una matriz líquida, y para garantizar un cuerpo de
resistencia de construcción uniforme con una conducción de corriente
homogénea, el tamaño de los poros al menos en una dirección con
respecto al eje, por ejemplo perpendicular o paralela a éste, no
deberá ser sensiblemente mayor que el tamaño medio de las partículas
del material de relleno.
Materiales adecuados para un electrodo poroso
son napas metálicas, sobre todo napas a base de acero fino, cobre o
bronce, espumas metálicas, ventajosamente espumas a base de níquel o
aluminio, o cuerpos sinterizados, preferiblemente a base de bronce,
latón, cobre, plata o níquel. Estos materiales no sólo presentan
buenas propiedades eléctricas, sino que se pueden integrar
fijamente en el cuerpo de resistencia formando una pequeña
resistencia de contacto. Se evitan así ampliamente problemas de capa
límite que conduzcan al fallo del descargador de sobretensión. La
capa límite entre el electrodo y la resistencia no se convierte así
en el factor limitador de potencia ni siquiera bajo cargas de alta
intensidad de corriente, con lo que son posibles absorciones de
potencia de hasta 200 J/cm^{2}. Cuando el electrodo poroso está
construido como una napa metálica o como una espuma metálica, éste
puede ser conformado fácilmente por prensado. Se puede generar así
el tamaño de poros deseado de una manera especialmente sencilla.
Por troquelado, estampación, amolado u otros procedimientos de
tratamiento mecánico semejantes se le puede dar al electrodo poroso
una forma geométrica deseada prefijada.
Cuando se aplican napas metálicas, espumas
metálicas o cuerpos sinterizados sobre un terminal de corriente u
otra parte conductora de corriente del descargador de sobretensión,
el electrodo poroso constituido por un material de esta clase puede
presentar entonces eventualmente un espesor de capa muy pequeño, por
ejemplo de 0,1 mm. A pesar del pequeño espesor, el electrodo
presenta una alta resistencia mecánica a causa del cuerpo de
soporte que lo sostiene. Los espesores de capa típicos se mueven
entre 0,1 y 10 mm. La unión entre el electrodo poroso y el cuerpo
de soporte conductor de corriente se logra ventajosamente por medio
de soldadura, pegadura con pegamentos conductivos, sinterización
(electrodos aplicados por sinterización) o soldadura por
ultrasonidos.
El descargador de sobretensión según la
invención se puede fabricar de manera especialmente ventajosa cuando
se separa de un cuerpo de partida formado por el material compuesto
de polímero un elemento precursor deformable en frío y cuando se
dispone el elemento precursor entre dos electrodos formando
superficies de apoyo y se prensa dicho elemento precursor formando
la resistencia eléctrica no lineal. En general, pero especialmente
en aplicaciones de alta tensión, el elemento precursor puede
presentar la forma de un disco o una placa. El cuerpo de partida
está configurado entonces convenientemente a la manera de una
salchicha o de una cinta. Puede ser fabricado entonces
continuamente, por ejemplo por extrusión, y el elemento precursor
puede ser conseguido muy fácilmente por separación del disco o de
la placa. El descargador de sobretensión no sólo puede fabricarse
así de una manera extraordinariamente barata, sino que a través de
un control del peso de los elementos precursores se puede conseguir
al mismo tiempo una calidad constante de los descargadores de
sobretensión dentro de un estrecho intervalo de tolerancia. Debido
a la posibilidad de que, durante la fabricación del descargador de
sobretensión, se le den al cuerpo de resistencia formas diferentes
al prensar el elemento precursor, las propiedades eléctricas del
descargador de tensión pueden ser adaptadas de manera muy sencilla a
requisitos de protección diferentes.
Cuando el material compuesto de polímero está
formulado en forma de gel o de pasta, se tiene entonces que, en un
perfeccionamiento ventajoso del procedimiento según la invención, el
elemento precursor puede ser prensado en una carcasa cerradiza que
contiene dos electrodos estacionarios y la carcasa puede ser cerrada
después de alcanzar un valor de presión prefijado. Mediante estos
pasos del procedimiento se consigue con medios especialmente
sencillos y sin una mecanización adicional un cuerpo de resistencia
adaptado con exactitud a prácticamente cualquier geometría de
carcasa.
Cuando el material compuesto de polímero está
formulado en forma de elastómero, el elemento precursor puede ser
insertado en una carcasa no construida necesariamente en forma
cerradiza, el elemento precursor puede ser contactado seguidamente
con dos electrodos y a continuación dicho elemento puede ser
prensado hasta un valor de presión prefijado por desplazamiento de
uno de los dos electrodos. Se puede fabricar así de manera
especialmente sencilla un descargador de sobretensión
suficientemente bueno para muchas aplicaciones.
Se describen seguidamente con más detalle estas
y otras ventajas de la invención haciendo referencia a unos
dibujos. Muestran en éstos:
La figura 1, una vista en planta de una sección
a través de una primera forma de realización de un descargador de
sobretensión según la invención, y
La figura 2, una vista en planta de una sección
a través de una carcasa de una segunda forma de realización del
descargador de sobretensión según la invención durante el relleno
con un material compuesto de polímero formulado como gel.
El descargador de sobretensión representado en
la figura 1 tiene una carcasa 1 construida como un cilindro hueco,
en la que están embutidas sendas roscas interiores no referenciadas
en los extremos superior e inferior. La rosca interior prevista en
el extremo superior coopera con la rosca exterior de un terminal de
corriente 2 construido como un tornillo, mientras que la rosca
interior prevista en el extremo inferior coopera con la rosca
exterior de un terminal de corriente 3 construido también como un
tornillo. Entre los dos terminales de corriente 2 y 3 y a lo largo
del eje del cilindro no referenciado están dispuestos en fila de
arriba abajo un muelle de compresión 4 y, construidos cada uno como
un disco circular, un cuerpo de presión 5, un electrodo 6, un
cuerpo de resistencia 7 y un electrodo 8.
La carcasa 1 está formada por un material
aislante de alta calidad mecánica y eléctrica. Un material aislante
adecuado es, por ejemplo, una cerámica, tal como, por ejemplo,
porcelana, o un plástico a base de un polímero, tal como, por
ejemplo, un durómero preferiblemente reforzado con fibras,
especialmente un epóxido, o un termoplasto, por ejemplo un
acrilato, tal como, por ejemplo, PMMA. Para su empleo al aire libre,
la carcasa puede estar provista de nervios o pantallas que
prolonguen los caminos de reptación de la corriente y puede
consistir en un material apto para uso al aire libre. La carcasa
asume sobre todo funciones de soporte y de apoyo.
Los terminales de corriente 2 y 3, la placa de
presión 5 y los electrodos 6 y 8 están formados cada uno de ellos
por un metal buen conductor de la electricidad. Tales metales son
típicamente cobre, níquel, aluminio, acero fino y aleaciones a base
de cobre, tal como, por ejemplo, bronce o latón, y/o aluminio.
Como electrodos se emplean cuerpos sinterizados,
sobre todo de bronce, latón, cobre, níquel o plata, espuma
metálica, tal como, por ejemplo, espuma de níquel de poros finos o
espuma de aluminio uniaxialmente compactada de poros grandes, napa
o tela metálica, grafito compresible en forma de capa o de lámina,
capas metálicas porosas sinterizadas sobre substratos macizos, por
ejemplo de bronce, o cuerpos metálicos chorreados con arena, por
ejemplo de aluminio o cobre. Las capas metálicas porosas pueden
estar sinterizadas en forma de uno o más estratos y pueden
presentar espesores de más de aproximadamente 0,1 mm y hasta algunos
centímetros. Mediante un tratamiento mecánico, por ejemplo
troquelado, estampación, amolado y/o torneado, se puede dar a los
electrodos 6, 8 una forma bien definida, debiendo cuidarse sobre
todo durante la conformación de que los electrodos presenten cantos
redondeados en su superficie de apoyo en el cuerpo de resistencia
7.
El muelle de compresión puede estar formado por
una aleación metálica buena conductora de la corriente, por ejemplo
a base de acero o bronce, pero puede estar constituido también por
un material moderadamente conductor de la corriente o no conductor
de la corriente, por ejemplo plástico. En general, el muelle de
compresión está puenteado por varios elementos conductores de
corriente que actúan como cinta de contacto. Estos elementos, no
referenciados en la figura 1, unen el terminal de corriente 2 y la
placa de presión 5 uno con otra de una manera eléctricamente
conductora.
El cuerpo de resistencia está formado por un
material compuesto de polímero deformable en frío a base de una
matriz polímera y un material de relleno de forma de polvo con
comportamiento de varistor incrustado en la matriz. El polímero que
forma la matriz es en general un gel o un elastómero,
preferiblemente en cada caso a base de silicona, pero puede ser
también un líquido, tal como preferiblemente un aceite, por ejemplo
a base de aceite mineral o aceite de silicona. El material de
relleno contiene partículas de varistor a base de óxido metálico
dopado con estructura predominantemente de forma esférica, estando
constituidas las partículas por granos cristalinos separados uno de
otro por límites de grano. La fabricación y las propiedades del
material de relleno están descritas en el estado de la técnica
citado. Para mejorar el contacto eléctrico entre las distintas
partículas de varistor y, por tanto, la absorción de energía del
descargador de sobretensión, el material de relleno puede contener
algún porcentaje en peso de polvo metálico.
Para mejorar el contacto entre el cuerpo de
resistencia 7 constituido por un material compuesto de polímero y
los electrodos 6, 8 pueden estar previstas adicionalmente - como se
representa en la figura 1 - dos capas intermedias 12, 13
eléctricamente conductivas, deformables en frío y elásticamente
compresibles en forma reversible. Estas capas intermedias están
constituidas en general por un material compuesto de polímero
compresible buen conductor de la electricidad, preferiblemente un
gel polímero relleno de polvo conductivo, tal como, por ejemplo,
níquel o boruro de titanio, y especialmente microesferas huecas
polímeras (por ejemplo como las que se comercializan bajo el nombre
comercial Expancel), pero también pueden estar formuladas como
espuma eléctricamente conductora o como otro cuerpo compresible
eléctricamente conductor con acción de muelle (napa, tela). Las
capas intermedias 12, 13 no sólo mejoran el contacto eléctrico,
sino que pueden compensar al mismo tiempo también las variaciones
de volumen del cuerpo de resistencia 7. Impiden así de manera
extraordinariamente eficaz una dilatación excesiva de una carcasa
de construcción rígida.
Un cuerpo de resistencia típico para el
descargador de sobretensión según la invención presentó la receta
siguiente en partes en peso (GT);
| SYLGARD 527 A | 100 GT |
| SILGARD 527 B | 100 GT |
| Material de relleno | 1000 GT |
SYLGARD es una resina de silicona comercializada
por la firma Dow Corning bajo este nombre comercial. El material de
relleno correspondía al material de relleno descrito en el estado de
la técnica según el documento DE 198 24 104 A1.
El material compuesto de polímero se fabricó
mezclando los componentes de partida antes citados. A este fin, se
mezclaron los componentes a temperatura ambiente y se purgaron de
aire después a una depresión de típicamente 50 a 100 milibares.
Como alternativa, se sometió previamente a vacío el material de
relleno a una presión de aproximadamente 1 milibar en otro
procedimiento de fabricación y luego, a una presión de
aproximadamente 100 milibares, se infiltró dicho material con la
silicona formada por mezclado de los dos componentes de resina
antes citados. Para lograr un buen grado de relleno se centrifugaron
las muestras infiltradas en una centrífuga. Como alternativa, se
puede conseguir un alto grado de relleno por exprimido de resina de
silicona sobrante. Después de un tiempo de endurecimiento de
aproximadamente 24 horas a temperatura ambiente se formó un material
compuesto de polímero a manera de goma deformable en frío.
En la forma de realización según la figura 1 se
fabricó el material compuesto de polímero en forma de un cuerpo de
partida a manera de salchicha y se separó de éste como elemento
precursor para el cuerpo de resistencia 7 un disco de material de
configuración sustancialmente circular. Se colocó este elemento
precursor dentro de la carcasa 1 que contenía ya el terminal de
corriente 3 y el electrodo 8. Seguidamente, se colocaron
sucesivamente el electrodo 6, el cuerpo de presión 5 y el muelle de
compresión 4 dentro de la carcasa 1 y a continuación se atornilló
la pila así formada con ayuda del terminal de corriente 2. Mediante
el atornillamiento de los dos terminales de corriente 2 y 3 uno con
relación a otro se comprime el muelle de compresión 4. La placa de
presión 5 solicitada con fuerza de compresión presiona ahora los
electrodos 6 y 8 desde arriba y desde abajo, respectivamente,
contra el elemento precursor. A causa de su buena deformabilidad en
frío, este elemento es prensado ya formando el cuerpo de
resistencia 7 a una presión relativamente pequeña de pocos bares,
por ejemplo 1 a 2 bares. Este cuerpo de resistencia 7 presenta,
por un lado, dos superficies frontales aplicadas sin rendija a los
electrodos 6 y 8, así como una superficie envolvente aplicada sin
rendija al lado interior de la carcasa. Mediante el prensado se
forma así una resistencia eléctrica no lineal inserta sin rendija en
la carcasa. Mediante el prensado se consigue al mismo tiempo entre
las partículas de material de relleno y los electrodos una presión
de contacto suficientemente alta y uniformemente distribuida por las
superficies frontales. Por tanto, se puede prescindir de una
metalización de la superficie frontal del cuerpo de resis-
tencia 7.
tencia 7.
En dos formas de realización 1 y 2 del
descargador de sobretensión según la invención fabricadas de esta
manera con un cuerpo de resistencia 7 de configuración cilíndrica
de aproximadamente 40 mm de diámetro y una altura de
aproximadamente 15 mm se obtuvieron la intensidad de campo de
perforación U_{B} [V/mm], el coeficiente de no linealidad
\alpha_{B} y la potencia máxima absorbida P [J/cm^{3}]. Los
valores obtenidos están registrados en la Tabla siguiente. En la
forma de realización 1 se emplearon electrodos de bronce sinterizado
7 y en la forma de realización 2 se emplearon electrodos de
aluminio chorreado con arena. En el ejemplo comparativo 3 se
incrustaron los electrodos en el material compuesto de polímero
fundido.
El ejemplo 4 se refiere a una forma de
realización del descargador de sobretensión según la invención, en
la que el material compuesto de polímero está formulado como una
pasta con aproximadamente 85 partes en volumen de material de
relleno y aproximadamente 15 partes en volumen de aceite de
silicona. Los electrodos estaban formados aquí por bronce
sinterizado.
Como se representa en la figura 1, se pueden
emplear alternativamente también otros electrodos. Así, por ejemplo,
como se representa, el electrodo 6 puede consistir en espuma de
níquel y el electrodo 8 en un bronce sinterizado y, como se
representa también, ambos electrodos 6 y 8 pueden estar fijamente
unidos con la placa de presión 5 y el terminal de corriente 3,
respectivamente, por pegadura, soldadura de aporte, sinterización o
soldadura autógena. Como alternativa, ambos electrodos pueden
consistir también en el mismo material, por ejemplo bronce
sinterizado, y únicamente uno de los dos electrodos o ninguno de
ellos puede estar unido con el cuerpo de soporte eléctricamente
conductivo asociado.
Para la determinación de U_{B} y de
\alpha_{B} se obtuvieron las curvas características de
intensidad-tensión en corriente continua de las
tres muestras y se obtuvieron a partir de ellas la intensidad de
campo de perforación U_{B} de la resistencia asociada a una
densidad de corriente de 1 x 10^{-4} [A/cm^{2}]. Para cada uno
de los tres descargadores de sobretensión, \alpha^{B} se derivó
de la pendiente de la tangente a la curva característica de
intensidad-tensión asociada representada en forma
logarítmica doble en el punto determinado por la intensidad del
campo de perforación U_{B}.
Se obtuvo P a partir de ensayos de impulsos de
corriente en los que las resistencias se expusieron en un
dispositivo de prueba a varios impulsos de corriente de 8/20 \mus
con amplitudes de densidad de corriente de hasta 1 [kA/cm^{2}]
bajo intensidades de campo eléctrico de hasta 800 [V/mm].
| Muestra | U_{B} [V/mm] | \alpha_{B} | P [J/cm^{3}] |
| 1 | 229 | 41 | 62 |
| 2 | 233 | 44 | 80 |
| 3 | 220 | 30 | 77 |
| 4 | 159 | 55 | 201 |
Se desprende de esto que los descargadores de
tensión según la invención, aun cuando se han fabricado de manera
sensiblemente más sencilla y barata, presentan propiedades
eléctricas que coinciden ampliamente con las propiedades
correspondientes de un descargador de sobretensión fabricado según
el estado de la técnica. El descargador de sobretensión construido
según la muestra 4 con un material compuesto de polímero pastoso
puede absorber potencias especialmente grandes. Este descargador de
sobretensión puede aplicarse en todos los sitios en que se requiera
del descargador un alto poder de absorción de energía.
Como puede apreciarse en la figura 2, cuando se
emplea un material compuesto de polímero formulado como pasta
(polímero líquido que está cargado en alto grado con material de
relleno) o un gel relleno débilmente reticulado, el elemento
precursor identificado con flechas puede ser prensado a través de
una abertura 9 hacia dentro de una carcasa 10 de construcción
cerradiza. Los dos electrodos 6 y 8 están dispuestos en posición
estacionaria en la carcasa. Dado que se extienden a través de la
pared de la carcasa, dichos electrodos pueden ser utilizados al
mismo tiempo como terminal de corriente. Mediante la fuerza de
prensado se forma en el interior de la carcasa el cuerpo de
resistencia, el cual se encuentra apretado sin rendija contra el
lado interior de la carcasa, especialmente contra los dos
electrodos 6 y 8. Cerrando la abertura 9, por ejemplo aplastando un
apéndice 11 de la carcasa, se puede terminar así la fabricación del
descargador de sobretensión.
- 1
- Carcasa
- 2,3
- Terminales de corriente
- 4
- Muelle de compresión
- 5
- Cuerpo de presión
- 6,8
- Electrodos
- 7
- Cuerpo de resistencia
- 9
- Abertura
- 10
- Carcasa
- 11
- Apéndice de la carcasa
- 12,13
- Capas intermedias
Claims (20)
1. Descargador de sobretensión con dos
terminales de corriente estacionarios (2, 3) y con una resistencia
eléctrica no lineal que contiene dos electrodos (6, 8) distanciados
uno de otro en la dirección de un eje y un cuerpo de resistencia
(7) constituido por una matriz y un material de relleno de forma de
polvo con comportamiento de varistor incrustado en la matriz,
caracterizado porque el cuerpo de resistencia (7) está
formado por un material compuesto deformable en frío y se encuentra
prensado entre los dos electrodos (6, 8), formando así la
resistencia eléctrica no
lineal.
lineal.
2. Descargador de sobretensión según la
reivindicación 1, caracterizado porque la matriz está formada
por un polímero a base de un líquido, un gel o un elastómero,
preferiblemente a base de silicona.
3. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque unas superficies
del cuerpo de resistencia (7) que contienen material de relleno se
aplican a los electrodos (6, 8).
4. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el cuerpo de
resistencia (7) está dispuesto en una carcasa (1, 10) que absorbe la
fuerza necesaria para prensar el cuerpo de resistencia (7).
5. Descargador de sobretensión según la
reivindicación 4, caracterizado porque el cuerpo de
resistencia (7) está apoyado sobre la carcasa (1, 10) con una
superficie envolvente dispuesta entre los dos electrodos (6, 8).
6. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la fuerza es
generada por un muelle (4).
7. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque los electrodos
están sujetos en posición estacionaria en la carcasa y porque la
fuerza es generada al introducir a presión entre los electrodos un
elemento precursor del cuerpo de resistencia formado por el material
compuesto deformable en frío.
8. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la carcasa (1,
10) es de construcción elásticamente deformable o contráctil y
porque la fuerza es generada por destensado de la carcasa
pretensada o por contracción de dicha carcasa.
9. Descargador de sobretensión según la
reivindicación 8, caracterizado porque la carcasa (1, 10)
está rigidizada longitudinalmente en la dirección del eje y es de
construcción elásticamente deformable en dirección periférica.
10. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado porque la carcasa está
construida en varias partes y porque la fuerza es generada por
afianzamiento de dos partes de la carcasa que se pueden mover una
con relación a otra.
11. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque al menos uno
de los dos electrodos (6, 8) es de construcción porosa.
12. Descargador de sobretensión según la
reivindicación 11, caracterizado porque el tamaño de los
poros en una dirección prefijada con respecto al eje no es mayor
que el tamaño medio de las partículas de material de relleno.
13. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 11 ó 12, caracterizado porque el al menos
un electrodo (6, 8) está construido como una napa metálica, una
espuma metálica o un cuerpo sinterizado.
14. Descargador de sobretensión según la
reivindicación 13, caracterizado porque la napa metálica, la
espuma metálica o el cuerpo sinterizado están aplicados sobre un
cuerpo de soporte del descargador de sobretensión construido como
terminal de corriente (3) o como placa de presión (5).
15. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque entre el
material compuesto y uno de los dos electrodos (6, 8) está
dispuesta una capa intermedia (12, 13) eléctricamente conductora,
deformable en frío y reversiblemente compresible.
16. Descargador de sobretensión según una de las
reivindicaciones 4 a 15, caracterizado porque el material
compuesto está previsto en una parte de la carcasa (1) sellada hacia
fuera.
17. Procedimiento para fabricar un descargador
de sobretesión según la reivindicación 1, caracterizado
porque se separa de un cuerpo de partida formado por un material
compuesto de polímero un elemento precursor deformable en frío y
porque se dispone el elemento precursor entre dos electrodos (6, 8),
formando así superficies de apoyo, y se prensa dicho elemento
precursor para formar con ello la resistencia eléctrica no
lineal.
18. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque, en caso de que el material compuesto de
polímero esté formulado como un gel o una pasta, se introduce el
elemento precursor a presión en una carcasa cerradiza (10) que
contiene dos electrodos estacionarios (6, 8), y porque se cierra la
carcasa (10) después de alcanzado un valor de presión
prefijado.
19. Procedimiento según la reivindicación 17,
caracterizado porque, en caso de que el material compuesto de
polímero esté formulado como un elastómero, se inserta el elemento
precursor en una carcasa (1), se contacta dicho elemento con dos
electrodos (6, 8) y a continuación se le prensa hasta un valor de
presión prefijado por desplazamiento de uno (6) de los dos
electrodos (6, 8).
20. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 17 a 19, caracterizado porque el elemento
precursor en forma de un disco o una placa es separado de un cuerpo
de partida configurado en forma de salchicha o de cinta.
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| EP02405318 | 2002-04-18 | ||
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