DE102019125962A1

DE102019125962A1 - Trockener, syntaktischer Schaum als elektrisch isolierendes Material

Info

Publication number: DE102019125962A1
Application number: DE102019125962.2A
Authority: DE
Inventors: Jens Seifert; Diego Machetti; Sven Schumann; Marvin Bendig
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2019-09-26
Filing date: 2019-09-26
Publication date: 2021-04-01
Also published as: CN114521200B; CN114521200A; US20220359105A1; EP4034590A1; WO2021058500A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend (a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist, (b1) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, (b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und (c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend (a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist, (b1) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, (b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und (c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.
Elektrisch isolierende Materialien bzw. Dielektrika können grundsätzlich in drei Gruppen unterteilt werden, nämlich gemäß ihrem Aggregatzustand in Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe. Diese Materialien müssen insbesondere die Voraussetzung erfüllen, dass unter Betriebsbedingungen kein elektrischer Durchschlag stattfindet, d.h. dass die elektrische Belastung, der sie ausgesetzt sind, unter ihrer kritischen elektrischen Durchschlagsfestigkeit liegt. Während feste Dielektrika die höchsten elektrischen Durchschlagsfestigkeiten aufweisen, haben diese aber auch die höchsten Dichten. Dies führt zu großen mechanischen Beanspruchungen und damit zu erhöhten Handhabungskosten. Das Gleiche gilt im Prinzip auch für flüssige Dielektrika, wobei die elektrische Durchschlagsfestigkeit von Flüssigkeiten im Allgemeinen geringer als die von Feststoffen ist. Wenn eine geringe Dichte benötigt wird, werden üblicherweise Gase als elektrisch isolierende Materialien verwendet, wenngleich deren elektrische Durchschlagsfestigkeit noch geringer ist. Die Verwendung von Flüssigkeiten und Gasen hat den zusätzlichen Nachteil, dass diese bei einem Leck auslaufen bzw. entweichen können. Dieses Problem tritt bei festen Dielektrika hingegen nicht auf.
In der Hochspannungstechnik kommen häufig sogenannte Luft-isolierte Hohlkernisolatoren zum Einsatz, beispielsweise in Umspannstationen. Dabei wurden ursprünglich im Wesentlichen Hohlkernisolatoren auf Keramikbasis eingesetzt; mittlerweile werden vermehrt Hohlkern-Verbundisolatoren verwendet.
Die Hohlräume dieser Hohlkernisolatoren sind üblicherweise mit Stickstoff (N₂) oder Schwefelhexafluorid (SF₆) als elektrisch isolierendem Material gefüllt. Die Verwendung dieser gasförmigen Dielektrika erfordert aber ein ausgeklügeltes Überwachungssystem, um etwaige Lecks in dem Hohlkernisolator im Betrieb festzustellen. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass der Isolator dauerhaft gasdicht ist. Ferner gilt die fluorhaltige Verbindung Schwefelhexafluorid als eines der stärksten Treibhausgase und ist aus diesem Grund auch ökologisch äußerst bedenklich. Das dielektrische Füllgas kann allerdings nicht einfach durch ein anderes elektrisch isolierendes Material ersetzt werden, da aufgrund der großen Dimensionen von Hochspannungsisolatoren (mit einer Länge von bis zu 10 m) die Verwendung eines üblichen festen Dielektrikums zu einem extrem hohen Gesamtgewicht des Isolators führen würde, was für die üblichen Anwendungen nicht praktikabel wäre.
Um diesen Widerspruch aufzulösen, wurde die Verwendung von dielektrischen Schäumen vorgeschlagen. In der Dissertation „Einsatz von elastischen syntaktischen Schäumen in der Hochspannungstechnik“ von M. Keßler, RWTH Aachen, 2010, werden syntaktische Schäume beschrieben, die aus einer Silikonmatrix mit eingebrachten gasgefüllten Mikrohohlkugeln bestehen. Diese syntaktischen Schäume auf Basis eines Silikongels bieten den Vorteil von geringeren Dichten (im Bereich von etwa 0.7 bis 1 g/cm³) im Vergleich zu anderen festen Matrixsystemen. EP 2 203 522 A1 beschreibt eine elektrische Isoliervorrichtung, die eine Kammer mit einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei das elektrisch isolierende Material ein Gel auf Silikonbasis als Matrix sowie Mikrohohlkugeln in der Matrix umfasst. Allerdings können bei diesen syntaktischen Schäumen aufgrund einer hohen Mischviskosität nur Füllgrade für die Mikrohohlkugeln von bis zu 50Vol% erreicht werden, so dass noch geringere Dichten nicht erreicht werden konnten. Darüber hinaus liegen die dielektrischen Eigenschaften (insbesondere die Durchschlagsfestigkeit) in der gleichen Größenordnung wie die des reinen Silikongels.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Isoliervorrichtung mit einem elektrisch isolierenden Material bereitzustellen, welches die Vorteile von festen Dielektrika (nämlich das mangelnde Risiko eines Austritts durch ein Leck und die guten dielektrischen Eigenschaften) mit denen von gasförmigen Dielektrika (nämlich das geringe Gewicht) verbindet.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere wird erfindungsgemäß eine elektrische Isoliervorrichtung bereitgestellt, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass trockene, syntaktische Schäume als elektrisch isolierende Materialien mit einer hohen elektrischen Durchschlagsfestigkeit und gleichzeitig verhältnismäßig geringen Dichte verwendet werden können. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung trockener, syntaktischer Schäume als Ultraleichtfüllstoff in Hohlkernisolatoren. Entsprechende trockene, syntaktische Schäume sind zwar im Stand der Technik bekannt; ihre dielektrischen Eigenschaften und somit ihre Eignung als elektrisch isolierende Materialien wurden nun aber erstmalig und überraschend festgestellt.
Die Figuren zeigen das Folgende:

1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Verbundisolators.
2 zeigt eine Schaltung für Durchschlagsspannungsmessungen zur Bestimmung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit.
3 zeigt eine fotografische Abbildung (Aufsicht) eines ungefüllten sowie eines mit einem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllten Rings aus glasfaserverstärktem Kunststoff.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Isoliervorrichtung. Diese kann jede geeignete Form und Ausgestaltung haben. Vorzugsweise handelt es sich erfindungsgemäß um eine Isoliervorrichtung für Hochspannungsanwendungen. Die Isoliervorrichtung kann beispielsweise ein Hohlkernisolator (zum Beispiel für Anwendungen in Umspannwerken) oder ein Isolator für Hochspannungsmasten sein. Geeignete Hohlkernisolatoren schließen insbesondere Verbundisolatoren, Porzellanisolatoren und Hybridisolatoren ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Verbundisolators oder in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts vor.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung umfasst einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist. Bei dem Isolatorkörper handelt es sich somit um einen Hohlkörper.
Dieser kann aus jedwedem, für die vorgesehene Anwendung als Isoliervorrichtung geeigneten Material bestehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Isolatorkörper aus einem Material, ausgewählt aus Verbundwerkstoffen, Porzellan und Kombinationen davon. Bei dem Verbundwerkstoff handelt es sich besonders bevorzugt um einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK). Der Isolatorkörper kann jedwede für die jeweilige Anwendung geeignete Form aufweisen. Vorzugsweise liegt der Isolatorkörpers in der Form eines Hohlrohres oder in der Form eines hohlen Stabes vor. Das Rohr oder der Stab kann jedweden geeigneten Querschnitt aufweisen. Der Isolatorkörper kann beispielsweise ein konisches, im Durchmesser über die Länge abgesetztes bzw. rotationssymmetrisches oder nicht-rotationssymmetrisches Hohlrohr sein. Der Isolatorkörper kann aber auch einen einfachen runden Querschnitt aufweisen (also in der Form eines Zylinders vorliegen) oder aber einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Isolatorkörper ein Rohr aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan. Besonders bevorzugt ist der Isolatorkörper ein Rohr aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff. Dieses Rohr kann in geeigneter Weise durch dem Fachmann bekannte Verfahren hergestellt werden, beispielsweise indem Glasfasern in ein entsprechendes Harz getaucht und dann zu einem Hohlrohr aufgewickelt werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung kann neben dem Isolatorkörper gegebenenfalls noch weitere Komponenten umfassen, beispielsweise Flansche und/oder metallische Armaturen an den jeweiligen Enden der Isoliervorrichtung bzw. des Isolatorkörpers. Diese Flansche und Armaturen sind vorzugsweise korrosionsfest und können zum Beispiel aus Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die Flansche oder Armaturen können gegebenenfalls Belüftungsöffnungen umfassen, die optional verschließbar sind. Durch diese kann Luft während des Expansionsprozesses der wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweichen, falls diese Expansion direkt in dem Isolatorkörper durchgeführt wird. Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung kann ferner ein Gehäuse oder eine Ummantelung umfassen, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Silikon, um die elektrische Isoliervorrichtung zu schützen. Entsprechende Gehäuse sind im Stand der Technik bekannt. Ein etwaiger Spalt zwischen Endarmatur und dem Gehäuse bzw. der Ummantelung kann gegebenenfalls mit einem geeigneten Dichtungsmittel abgedichtet werden, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu dem Isolatorkörper zu verhindern, um so eine hohe Lebensdauer der elektrischen Isoliervorrichtung zu gewährleisten. Geeignete Dichtungsmittel umfassen beispielsweise kriechstromfestes Polyurethan. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die elektrische Isoliervorrichtung zusätzlich Flansche an den beiden Enden des Isolatorkörpers, wobei mindestens ein Flansch eine verschließbare Belüftungsöffnung aufweist, sowie ein Silikongehäuse, welches um den Isolatorkörper angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße elektrische Isoliervorrichtung umfasst ferner ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer des Isolatorkörpers. In anderen Worten ist der Isolatorkörper mit einem elektrisch isolierenden Material gefüllt. Dieses elektrisch isolierende Material umfasst einen trockenen, syntaktischen Schaum. Das elektrisch isolierende Material kann neben dem trockenen syntaktischen Schaum gegebenenfalls noch weitere elektrisch isolierende Materialien umfassen, wie beispielsweise Stickstoff (N₂) oder Schwefelhexafluorid (SF₆). Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das elektrisch isolierende Material aus dem trockenen, syntaktischen Schaum, d.h. neben dem trockenen, syntaktischen Schaum sind keine weiteren elektrisch isolierenden Materialien enthalten. Die Kammer des Isolatorkörpers kann jedweden geeigneten Füllgrad aufweisen. Beispielsweise sind mindestens 70 Vol% der Kammer mit dem elektrisch isolierenden Material gefüllt, vorzugsweise mindestens 90 Vol%. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kammer des Isolatorkörpers im Wesentlichen vollständig mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllt, d.h. der Füllgrad der Kammer beträgt mindestens 95 Vol%.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einem trockenen, syntaktischen Schaum (im Stand der Technik auch als „dry syntactic foam“ (DSF) bezeichnet) ein Material verstanden, welches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis, die durch Erwärmen zumindest teilweise expandiert worden sind, besteht. Die wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln umfassen eine Polymerschale und schließen zumindest vor der Expansion ein Gas mit einem niedrigen Siedepunkt ein. Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um ein Alkangas, beispielsweise Isopentan oder Isobuten. Der erfindungsgemäß verwendete syntaktische Schaum enthält im Gegensatz zu herkömmlichen syntaktischen Schäumen keine flüssige Polymermatrix, in welche die Mikrohohlkugeln eingebettet werden, und wird aus diesem Grund als trockener, syntaktischer Schaum bezeichnet. Entsprechende trockene, syntaktische Schäume sowie deren Herstellung sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus US 6,593,381 B2 .
Der trockene, syntaktische Schaum ist erhältlich, indem zunächst ein Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis, die bereits expandiert worden sind, und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis, die noch nicht expandiert worden sind, bereitgestellt wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung schließt der Begriff „wärmeexpandierbare Mikrohohlkugeln“ somit bereits expandierte Mikrohohlkugeln als auch noch nicht expandierte Mikrohohlkugeln ein.
Dieses Gemisch wird dann auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 100°C bis 180°C, noch bevorzugter im Bereich von 125°C bis 175°C erwärmt. Dadurch steigt der Gasdruck in den noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln und die Polymerschale der Mikrohohlkugeln wird plastisch deformiert, sobald die entsprechende Glasübergangstemperatur erreicht worden ist. Dadurch wird eine signifikante Vergrößerung des Sphärenvolumens, also ein Aufschäumen des Materials bewirkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der trockene, syntaktische Schaum somit durch Aufschäumen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich ist.
Dabei bilden die bereits expandierten Mikrohohlkugeln eine Matrix, in welche die noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln eingebettet werden. Auf diese Weise kann mit der Wärmebehandlung (d.h. mit dem Aufschäumen) eine gleichförmige Expansion der noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln erreicht werden, was zu einem Schaum mit einer gleichförmigen Materialverteilung und einer geordneten Porenstruktur führt. Insbesondere lassen sich auf diese Weise die Porengrößen des Schaums genau einstellen, und aus diesem Grund wird der Schaum als syntaktischer Schaum bezeichnet.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der trockene, syntaktische Schaum auch durch Aufschäumen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich, wobei die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen. In diesem Fall wird also nicht ein Gemisch aus bereits expandierten und noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet, sondern zumindest zwei unterschiedliche Arten an Mikrohohlkugeln. So kann beispielsweise eine erste Art an Mikrohohlkugeln in einem Temperaturbereich von 50°C bis 120°C expandierbar sein, während eine zweite Art an Mikrohohlkugeln bei einer höheren Temperatur von mehr als 120°C expandierbar ist. Wird ein Gemisch aus diesen beiden Arten an Mikrohohlkugeln zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 120°C, vorzugweise im Bereich von 80°C bis 100°C erwärmt, wird zunächst nur die erste Art an Mikrohohlkugeln expandiert, welche dann als Matrix für die zweite Art an Mikrohohlkugeln dient. Diese zweite Art an Mikrohohlkugeln wird dann in einem zweiten Schritt durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 120°C expandiert, vorzugweise bei einer Temperatur im Bereich von 130°C bis 160°C.
Es können aber auch mehr als zwei Arten an Mikrohohlkugeln verwendet werden. Es ist auch möglich, die beiden vorstehend genannten Methoden zu kombinieren. So kann beispielsweise ein Gemisch aus zwei Arten an bereits expandierten Mikrohohlkugeln zusammen mit zwei Arten an noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet werden.
Durch geeignete Wahl der Art und des Mischungsverhältnisses der Mikrohohlkugeln können die Eigenschaften des trockenen, syntaktischen Schaums in geeigneter Art und Weise eingestellt werden.
Geeignete trockene, syntaktische Schäume sowie Mikrohohlkugeln zu deren Herstellung sind im Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich. In diesem Zusammenhang wird exemplarisch auf Mikrohohlkugeln verwiesen, die von der Firma Nouryon unter dem Handelsnamen Expancel^® vertrieben werden. Diese sind sowohl in expandierter Form (Expancel^® DE („dry, expanded“)) als auch in nicht-expandierter Form (Expancel^® DU („dry, unexpanded“)) in verschiedenen Größen und Dichten erhältlich. Geeignete nicht-expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise die mit den Bezeichnungen 031 DU 40 (Schüttdichte 0,4134 g/cm³), 551 DU 40 (Schüttdichte 0,5543 g/cm³), 920 DE 40 (Schüttdichte 0,4633 g/cm³), 920 DE 80 (Schüttdichte 0,4937 g/cm³) und 461 DU 40 (Schüttdichte 0,4553 g/cm³), wobei die Schüttdichte im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die Masse des Pulvermaterials der Mikrohohlkugeln definiert wird, die ein bestimmtes Volumen füllt. Geeignete expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise 551 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0125 g/cm³) und 920 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0146 g/cm³). Die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln weisen somit etwa die 50-fache Schüttdichte der expandierten Mikrohohlkugeln auf.
Die Dichte des elektrisch isolierenden Materials kann in geeigneter Weise durch Wahl geeigneter wärmeexpandierbarer Mikrohohlkugeln eingestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das elektrisch isolierende Material eine Dichte von 0,01 g/cm³ bis 0,6 g/cm³, besonders bevorzugt von 0,05 g/cm³ bis 0.5 g/cm³, noch bevorzugter im Bereich von 0,1 bis 0,2 g/cm³ auf. Diese Dichten können erreicht werden, ohne gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften des elektrisch isolierenden Materials signifikant zu beeinträchtigen.
Die elektrische Durchschlagsfestigkeit (auch als dielektrische Stärke bezeichnet) des elektrisch isolierenden Materials kann ebenfalls in geeigneter Weise durch Wahl entsprechender wärmeexpandierbarer Mikrohohlkugeln eingestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt diese 5 kV/mm bis 60 kV/mm, besonders bevorzugt 10 kV/mm bis 50 kV/mm und ganz besonders bevorzugt 30 kV/mm bis 40 kV/mm (gemessen gemäß dem Standard IEC 60243-1 „Electric strength of insulating materials, 2014, mit in das Material eingebetteten Elektroden).
Das elektrisch isolierende Material hat vorzugsweise eine möglichst geringe Wasseraufnahmekapazität, da der trockene, syntaktische Schaum sonst in Gebrauch zu viel Feuchtigkeit aufnehmen könnte, was zu einer Gewichtserhöhung der elektrischen Isoliervorrichtung sowie zu einer Verminderung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit führen würde. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der trockene, syntaktische Schaum eine Wasseraufnahmekapazität von nicht mehr als 4 Vol% auf, gemessen durch Eintauchen einer Probe des Schaums in destilliertes Wasser für 2 Wochen bei 50°C, besonders bevorzugt von nicht mehr als 1 Vol%. Darüber hinaus können weitere Maßnahmen getroffen werden, um eine Wasseraufnahme durch den trockenen, syntaktischen Schaum im Gebrauch zu vermeiden, insbesondere ein geeignetes Abdichten des Isolatorkörpers.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln sowie das Material des Isolatorkörpers derart gewählt, dass diese temperaturkompatibel sind. Dies ist insbesondere dann zu beachten, wenn der Isolatorkörper einen Verbundwerkstoff umfasst. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Glasübergangstemperatur (T_g) des Polymers, aus dem die Schale der Mikrohohlkugeln gebildet ist, mindestens 20°C, vorzugsweise mindestens 30°C, unterhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers des Verbundwerkstoffes liegt. Folglich sind für einen Isolatorkörper aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einer Glasübergangstemperatur von 130°C insbesondere Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis mit einer Glasübergangstemperatur von weniger als 110°C bevorzugt, wie beispielsweise Nouryon Expancel^®461 DU 40 (T_g 100°C), Nouryon Expancel^®031 DU 40 (T_g 95°C) oder Nouryon Expancel^® 551 DU 40 (T_g 100°C).
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbundisolator, umfassend

- ein Hohlrohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff,
- einen trockenen, syntaktischen Schaum als elektrisch isolierendes Material als Füllung in dem Hohlrohr,
- Flansche an den beiden Enden des Hohlrohrs, wobei mindestens ein Flansch eine verschließbare Belüftungsöffnung aufweist, und
- ein Silikongehäuse, welches um das Hohlrohr herum angeordnet ist.

Zusammenfassend können erfindungsgemäß herkömmliche gasförmige elektrisch isolierende Materialien in elektrischen Isoliervorrichtungen durch trockene, syntaktische Schäume ersetzt werden, welche ebenfalls eine geringe Dichte aufweisen und somit die Herstellung von elektrischen Isoliervorrichtungen mit geringem Gewicht ermöglichen, und welche gleichzeitig die Nachteile gasförmiger elektrisch isolierender Materialien vermeiden. Es hat sich weiterhin überraschenderweise gezeigt, dass die erfindungsgemäß als elektrisch isolierendes Material verwendeten trockenen, syntaktischen Schäume eine gute Anhaftung an das Material des Isolatorkörpers aufweisen, so dass kein zusätzliches Haftmittel benötigt wird. Eine gute Anhaftung ist insbesondere gegeben, wenn der Isolatorkörper aus einem Verbundwerkstoff (insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff) besteht. Ebenso ist eine gute Anhaftung gegenüber Aluminium und anderen Metallen gegeben, die beispielsweise als Materialien für die Armaturen und/oder Flansche an den jeweiligen Enden des Isolatorkörpers bzw. der elektrischen Isoliervorrichtung zum Einsatz kommen können. Die erfindungsgemäß als elektrisch isolierendes Material verwendeten trockenen, syntaktischen Schäume weisen zudem die weiteren Vorteile auf, dass sie gut und einfach herzustellen und zu verarbeiten sind, nicht toxisch sowie aus ökologischer Sicht unbedenklicher als das herkömmlich verwendete Schwefelhexafluorid sind.
Vorzugsweise handelt es sich erfindungsgemäß um eine Isoliervorrichtung für Hochspannungsanwendungen. Die Isoliervorrichtung kann beispielsweise ein Hohlkernisolator (zum Beispiel für Anwendungen in Umspannwerken) oder ein Isolator für Hochspannungsmasten sein. Geeignete Hohlkernisolatoren schließen insbesondere Verbundisolatoren, Porzellanisolatoren und Hybridisolatoren ein. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Verbundisolators vor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die elektrische Isoliervorrichtung in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts vor. Diese Anwendung hat den Vorteil, dass zum einen eine Gewichtsersparnis bei den Armen von Hochspannungsmasten erreicht werden kann. Zum anderen können die Stromkabel aufgrund der dielektrischen Eigenschaften des trockenen, syntaktischen Schaums in dem Isolatorkörper direkt oder über metallische Armaturen an dem Arm des Hochspannungsmasts befestigt werden. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Isolation verzichtet werden, was den Aufbau des Strommasts enorm vereinfacht.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material. Vorzugsweise wird dabei der trockene, syntaktische Schaum als Füllung in einem Hohlkörper aus Verbundwerkstoff oder aus Porzellan verwendet. Vorzugsweise hat der Hohlkörper die Form eines Rohrs. Bevorzugter Verbundwerkstoff ist ein glasfaserverstärkter Kunststoff.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der trockene, syntaktische Schaum als elektrisch isolierendes Material Hochspannungsanwendungen, beispielsweise als Verbundisolator oder als Arm eines Hochspannungsmasts, verwendet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte:

(a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist,
(b1) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand,
(b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und
(c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material,

In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Isolatorkörper bereitgestellt, der eine Kammer aufweist. Bei diesem handelt es sich somit um einen Hohlkörper. Dieser Isolatorkörper kann jedweder geeignete Isolatorkörper sein, wie vorstehend bereits beschrieben.
In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis bereitgestellt.
Dazu kann gemäß einer ersten Alternative (b 1) ein Gemisch zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand bereitgestellt werden. Wie vorstehend bereits beschrieben, sind derartige wärmeexpandierbare Mikrohohlkugeln im Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich. In diesem Zusammenhang wird exemplarisch auf Mikrohohlkugeln verwiesen, die von der Firma Nouryon unter dem Handelsnamen Expancel^® vertrieben werden. Diese sind sowohl in expandierter Form (Expancel^® DE („dry, expanded“)) als auch in nicht-expandierter Form (Expancel^® DU („dry, unexpanded“)) in verschiedenen Größen und Dichten erhältlich. Geeignete nicht-expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise die mit den Bezeichnungen 031 DU 40 (Schüttdichte 0,4134 g/cm³), 551 DU 40 (Schüttdichte 0,5543 g/cm³), 920 DE 40 (Schüttdichte 0,4633 g/cm³), 920 DE 80 (Schüttdichte 0,4937 g/cm³) und 461 DU 40 (Schüttdichte 0,4553 g/cm³), wobei die Schüttdichte im Rahmen der vorliegenden Erfindung als die Masse des Pulvermaterials der Mikrohohlkugeln definiert wird, die ein bestimmtes Volumen füllt. Geeignete expandierte Mikrohohlkugeln sind beispielsweise 551 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0125 g/cm³) und 920 DET 40 d25 (Schüttdichte 0,0146 g/cm³). Die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln weisen somit etwa die 50-fache Schüttdichte der expandierten Mikrohohlkugeln auf.
Unter Berücksichtigung der gemessenen Schüttdichten kann dann der Massenbeitrag der expandierten bzw. der nicht-expandierten Mikrohohlkugeln (also das Verhältnis der Massen der beiden Arten an Mikrohohlkugeln) in Abhängigkeit von der Zieldichte des trockenen, syntaktischen Schaums berechnet werden.
Zur Herstellung des Gemisches werden vorzugsweise die expandierten Mikrohohlkugeln in einem geeigneten Gefäß vorgelegt und dann die nicht-expandierten Mikrohohlkugeln zugegeben. Auf diese Weise erfolgt direkt eine Einbettung der nicht-expandierten Mikrohohlkugeln in den bereits expandierten Mikrohohlkugeln. Die Mikrohohlkugeln können dann miteinander vermischt werden, um eine gleichförmige Verteilung der beiden Arten an Mikrohohlkugeln zu erreichen. Dieses Durchmischen kann in einer geeigneten Mischvorrichtung für eine geeignete Dauer von beispielsweise 1 bis 20 Minuten, vorzugweise im Bereich von 10 bis 15 durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Durchmischen direkt in dem Behälter durchgeführt werden, in welchem in Schritt (c) das Aufschäumen erfolgt, also beispielsweise direkt in der Kammer des Isolatorkörpers oder in einer separaten Expansionsform.
Gemäß einer zweiten Alternative (b2) wird ein Gemisch aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, bereitgestellt.
Es können in Schritt (b) selbstverständlich auch mehr als zwei Arten an Mikrohohlkugeln verwendet werden. Es ist auch möglich, die beiden vorstehend genannten Alternativen (b1) und (b2) zu kombinieren. So kann beispielsweise ein Gemisch aus zwei Arten an bereits expandierten Mikrohohlkugeln zusammen mit zwei Arten an noch nicht expandierten Mikrohohlkugeln verwendet werden.
In Schritt (c) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt sodann das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material.
Dazu wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln wird zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt.
Wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst außerhalb der Kammer aufgeschäumt, so kann dies beispielsweise in einer geeigneten Expansionsform erfolgen. Diese hat vorzugsweise die gleiche Form wie die Kammer des Isolatorkörpers, in den der trockene, syntaktische Schaum dann eingefüllt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Form des trockenen, syntaktischen Schaums vor dem Einfüllen in den Isolatorkörper nicht noch zusätzlich angepasst werden muss, beispielsweise durch Zurechtschneiden. Vorzugsweise enthält die Expansionsform eine Antihaftbeschichtung, beispielsweise aus PTFE, um zu verhindern, dass der Schaum an der Expansionsform anhaftet und nur schwierig aus dieser entfernt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in die Kammer eingefüllt und dort aufgeschäumt. Dieses direkte Einfüllen des Gemisches in die Kammer des Isolatorkörpers ist vorteilhaft, weil auf diese Weise ein Verfahrensschritt weniger benötigt wird, nämlich das Überführen des trockenen, syntaktischen Schaums aus der Expansionsform in den Isolatorkörper. Außerdem kann bei dem Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in der Kammer eine bessere Anhaftung des Schaumes an die Wände der Kammer des Isolatorkörpers erreicht werden.
Das Erwärmen erfolgt beispielsweise in einem geeigneten Ofen. Das Aufschäumen erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Aufschäumen bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 125°C bis 175°C, durchgeführt.
Die Expansions- bzw. Aufschäumtemperatur ist vorzugsweise in Abhängigkeit von der Glasübergangstemperatur des Polymers, aus dem die Schale der Mikrohohlkugeln bestehen (T_min), sowie von der Temperatur, bei der die Mikrohohlkugeln ihr maximales Expansionvolumen erreichen (T_max), auszuwählen. Vorzugsweise liegt die Expansions- bzw. Aufschäumtemperatur zwischen Tmin und Tmax, besonders bevorzugt bei etwa (Tmin + Tmax) / 2.
Das Aufschäumen kann bei einer konstanten Temperatur erfolgen. Es ist aber auch möglich, die Temperatur während des Aufschäumens kontinuierlich oder schrittweise zu erhöhen, bis die vorstehend genannten Temperaturbereiche erreicht werden. Wird beispielsweise gemäß der Alternative (b2) ein Gemisch aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, verwendet, so kann beispielsweise eine erste Art an Mikrohohlkugeln in einem Temperaturbereich von 50°C bis 120°C expandierbar sein, während eine zweite Art an Mikrohohlkugeln bei einer höheren Temperatur von mehr als 120°C expandierbar ist. Wird ein Gemisch aus diesen beiden Arten an Mikrohohlkugeln zunächst auf eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 120°C, vorzugweise im Bereich von 80°C bis 100°C erwärmt, wird zunächst nur die erste Art an Mikrohohlkugeln expandiert, welche dann als Matrix für die zweite Art an Mikrohohlkugeln dient. Diese zweite Art an Mikrohohlkugeln wird dann in einem zweiten Schritt durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mehr als 120°C expandiert, vorzugweise bei einer Temperatur im Bereich von 130°C bis 160°C.
Die Dauer des Aufschäumens bzw. der Wärmebehandlung kann in geeigneter Weise durch den Fachmann gewählt werden. Beispielsweise kann die Wärmebehandlung für eine Dauer im Bereich von 15 Minuten bis 4 Stunden erfolgen, vorzugsweise für eine Dauer im Bereich von 1 bis 3 Stunden.
Durch die Wahl der Temperatur sowie der Dauer für die Wärmebehandlung zum Aufschäumen der wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln kann die abschließende Größe der Mikrohohlkugeln und damit die Dichte des trockenen, syntaktischen Schaums eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Schritt (c) des Aufschäumens noch einen Schritt (d) einer Vakuumbehandlung. Diese Vakuumbehandlung ist vorteilhaft, um verbleibende Luft zu entfernen, um so ein weiteres Aufschäumen der Mikrohohlkugeln zu ermöglichen bzw. um das Aufschäumen zu vervollständigen. Als Vakuum wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Druck von weniger als 200 mbar bezeichnet. Vorzugsweise beträgt der Druck bei der Vakuumbehandlung weniger als 100 mbar, noch bevorzugter weniger als 20 mbar. Die Dauer der Vakuumbehandlung kann beispielsweise 1 Minute bis 1 Stunde betragen, vorzugsweise 10 bis 30 Minuten. Die Vakuumbehandlung wird vorzugsweise bei erhöhter Temperatur durchgeführt, um eine weitere Expansion der Mikrohohlkugeln zu ermöglichen. Vorzugsweise wird die Vakuumbehandlung in dem gleichen Temperaturbereich wie vorstehend für das Aufschäumen in Schritt (c) definiert durchgeführt, wobei die Temperaturen in den Schritten (c) und (d) gleich oder verschieden sein können. Besonders bevorzugt wird die Vakuumbehandlung bei einer Temperatur von nicht höher als (T_min + T_max) / 2 durchgeführt, wobei T_min die Glasübergangstemperatur des Polymers und Tmax die Temperatur, bei der die Mikrohohlkugeln ihr maximales Expansionsvolumen erreichen, angibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Verbindung des elektrisch isolierenden Materials mit dem Isolatorkörper kein Haftmittel verwendet. Auf ein Haftmittel kann insbesondere dann verzichtet werden, wenn das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln direkt in der Kammer des Isolatorkörpers erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 näher erläutert, ohne auf dieses beschränkt zu sein. Ein erfindungsgemäßer Verbundisolator kann beispielsweise gemäß den in 1 dargestellten Verfahrensschritten hergestellt werden. Dabei wird in einem ersten Schritt ein Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff 1 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt werden die beiden Enden des Rohrs 1 mit einem offenen Flansch 2 bzw. mit einem Flansch 3 mit einer Abdeckung mit einer Entlüftungsöffnung 4 versehen. Dies kann durch übliche, im Stand der Technik bekannte Verfahren, wie beispielsweise Kleben, erfolgen. Die mindestens eine Entlüftungsöffnung dient dazu, dass Gas bzw. Luft während des Expansionsschrittes entweichen kann. Im nächsten Schritt wird ein Silikongehäuse 5 um das Rohr 1 herum angebracht. Das Silikongehäuse kann ebenfalls durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren hergestellt werden, wie beispielsweise durch Formen oder durch Extrudieren. Danach wird das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln 6 durch den offenen Flansch 2 in Rohr 1 gefüllt. Dazu werden zunächst die Massenanteile für die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln separat bestimmt und abgewogen. Dann werden die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln miteinander vermischt und in den Isolatorkörper eingefüllt. Im letzten Schritt wird dann auch der Flansch 2 mit einer Abdeckung 7, die optional auch eine Entlüftungsöffnung 7 aufweisen kann, versehen, und das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln 6 durch eine Wärmebehandlung der gesamten Vorrichtung unter Ausbildung des trockenen, syntaktischen Schaums in Rohr 1 expandiert. Diese Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise in einem Ofen. Es ist bevorzugt, dass das das Befüllen des Isolatorkörpers mit den wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln erst nach der Herstellung des Rohrs aus glasfaserverstärktem Kunststoff sowie des Silikongehäuses erfolgt, da die für die Vulkanisation des Silikonkautschukes erforderliche Temperaturen ansonsten die Mikrohohlkugeln beschädigen bzw. zerstören könnten.
Die Erfindung wird nunmehr anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiele
Beispiel 1:
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines trockenen, syntaktischen Schaums in einer Expansionsform.
Ein Gemisch aus expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel^® 551 DET 40 d25 (34,7 Vol%; Schüttdichte 0,0125 g/cm³) und nicht-expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel^® 551 DU 40 (65,4 Vol%; Schüttdichte 0,5543 g/cm³) mit einer Schüttdichte von 0,2 g/cm³ wurde bei einer Temperatur von 120°C in einer zylindrischen Expansionsform aus Aluminium mit einer PTFE-Innenbeschichtung für eine Dauer von 2 Stunden expandiert.
In der Expansionsform waren ferner zwei sphärische Elektroden mit einem Durchmesser von jeweils 12 mm in einem Abstand von 1 mm angeordnet. Um sicherzustellen, dass dieser Abstand von 1 mm auch nach Durchführen der Expansion noch eingehalten wurde, wurden die Elektroden mittels geeigneter Abstandshalter in ihrer Position fixiert.
Nach der Expansion unter Ausbildung des trockenen, syntaktischen Schaums in der Expansionsform wurde die elektrische Durchschlagsfestigkeit bestimmt, indem eine Schaltung für Durchschlagsspannungsmessungen gemäß 2 verwendet wurde. Die Eingangsspannung wurde dabei über einen Stufentransformator gesteuert. Ein 320 kΩ Widerstand wurde in Reihe mit der Probe geschaltet, um den Kurzschlussstrom zu begrenzen. Die Spannung wurde mit einem kapazitiven Spannungsteiler gemessen.
Fünf Proben wurden mit einer Rampenspannung von 1 kV/mm belastet. Die Durchschlagsspannungen wurden mit einem Oszilloskop erfasst, aus dem die Spitzenfeldstärken nach der folgenden Formel berechnet wurden, wobei Û_BD die Spitzendurchschlagsspannung ist, η der Schwaiger-Faktor der Elektrodenanordnung und g der Spaltabstand zwischen den beiden Elektroden: ${\hat{E}}_{BD} = \frac{{\hat{U}}_{BD}}{η \cdot g}$
Die Messungen ergaben für den trockenen syntaktischen Schaum eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 30.5 kV/mm mit einer Standardabweichung von σ = 23%.
Beispiel 2:
Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines trockenen, syntaktischen Schaums direkt in einem Isolatorkörper.
Ein Gemisch aus expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel^® 551 DET 40 d25 (83,9 Vol%; Schüttdichte 0,0125 g/cm³) und nicht-expandierten Mikrohohlkugeln vom Typ Expancel^® 551 DU 40 (16,1 Vol%; Schüttdichte 0,5543 g/cm³) mit einer Schüttdichte von 0,1 g/cm³ wurde bei einer Temperatur von 120°C direkt in einem zylindrischen bzw. ringförmigen Isolatorkörper aus glasfaserverstärktem Polymer mit einem Innendurchmesser von 120 mm und einer Höhe von 20 mm für eine Dauer von 2 Stunden expandiert. Der Zylinder wurde während der Expansion an beiden Enden mit jeweils einer PTFE-Platte verschlossen.
3 zeigt auf der linken Seite eine fotografische Abbildung des ungefüllten Isolatorkörpers sowie auf der rechten Seite eine fotografische Abbildung des mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllten Isolatorkörpers.
Nach dem Aufschäumen wies der zylindrische Isolatorkörper keinerlei Verformung auf. Dies zeigt, dass der Expansionsdruck unterhalb des kritischen Wertes liegt, der eine plastische oder mechanische Deformation des Isolatorkörpers bewirken könnte. Dementsprechend kann das Aufschäumen ohne weiteres direkt innerhalb des Isolatorkörpers durchgeführt werden.
Man kann 3 weiterhin entnehmen, dass der Schaum homogen und im Wesentlichen frei von Hohlräumen gebildet wurde. Dies zeigt, dass das Aufschäumen homogen erfolgt und zu einer gleichförmigen Materialverteilung führt.
Schließlich zeigte sich auch, dass der nach dem Aufschäumen erhaltene trockene, syntaktische Schaum eine starke Anbindung an das glasfaserverstärktem Polymer des ringförmigen zylindrischen Isolatorkörpers aufwies. Dies zeigt, dass beim Aufschäumen direkt in dem Isolatorkörper kein zusätzliches Haftmittel zum Verbinden des elektrisch leitfähigen Materials mit dem Isolatorkörper benötigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff
2, 3: Flansch
4, 7: Flansch-Abdeckung mit Entlüftungsöffnung
5: Silikongehäuse
6: Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2203522 A1 [0005]
US 6593381 B2 [0017]

Claims

Elektrische Isoliervorrichtung, umfassend einen Isolatorkörper, der eine Kammer aufweist, und ein elektrisch isolierendes Material in der Kammer, wobei das elektrisch isolierende Material einen trockenen, syntaktischen Schaum umfasst.
Elektrische Isoliervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Isolatorkörper aus einem Material, ausgewählt aus Verbundwerkstoffen, Porzellan und Kombinationen davon, besteht.
Elektrische Isoliervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Isolatorkörper ein Rohr aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan ist.
Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kammer des Isolatorkörpers im Wesentlichen vollständig mit dem trockenen, syntaktischen Schaum gefüllt ist.
Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der trockene, syntaktische Schaum durch Aufschäumen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich ist.
Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der trockene, syntaktische Schaum durch Aufschäumen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand erhältlich ist, wobei die mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen.
Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in der Form eines Verbundisolators oder in der Form eines Arms eines Hochspannungsmasts.
Elektrische Isoliervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das elektrisch isolierende Material eine Dichte von 0,01 g/cm³ bis 0,6 g/cm³, vorzugsweise von 0,05 g/cm³ bis 0,5 g/cm³, aufweist.
Verwendung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material.
Verwendung nach Anspruch 9 als Füllung in einem Hohlkörper, vorzugsweise in einem Rohr, aus einem Verbundwerkstoff oder aus Porzellan.
Verwendung nach einem der Ansprüche 9 oder 10 in Hochspannungsanwendungen, beispielsweise als Verbundisolator oder als Arm eines Hochspannungsmasts.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Isoliervorrichtung, umfassend die folgenden Schritte: (a) das Bereitstellen eines Isolatorkörpers, der eine Kammer aufweist, (b1) entweder das Bereitstellen eines Gemisches zumindest aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im expandierten Zustand und wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, (b2) oder das Bereitstellen eines Gemisches aus mindestens zwei Arten an wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln auf Polymerbasis im nicht-expandierten Zustand, welche unterschiedliche Temperaturbereiche für die Expansion aufweisen, und (c) das Aufschäumen des Gemisches aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50°C bis 200°C unter Ausbildung eines trockenen, syntaktischen Schaumes als elektrisch isolierendes Material, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln entweder in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt und dort aufgeschäumt wird oder das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln zuerst aufgeschäumt und der erhaltene trockene, syntaktische Schaum in die Kammer des Isolatorkörpers eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Gemisch aus wärmeexpandierbaren Mikrohohlkugeln in die Kammer eingefüllt und dort aufgeschäumt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei zur Verbindung des elektrisch isolierenden Materials mit dem Isolatorkörper kein Haftmittel verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Aufschäumen bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von 125°C bis 175°C, durchgeführt wird.