DE19629796C2 - Kunststoffverbundisolator mit spiralförmigem Schirm und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
Kunststoffverbundisolator mit spiralförmigem Schirm und Verfahren zu seiner HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kunststoffverbundisolator, dessen Strunk einen
faserverstärkten Kunststoffkern und um diesen Kern herum den Mantel einer
Schirmhülle enthält, wobei die Schirmhülle aus dem Mantel und mindestens
einem um den Strunk spiralförmig laufenden Schirm gebildet wird.
Hochspannungsisolatoren für Freileitungen werden seit langer Zeit aus
keramischen, elektrisch isolierenden Materialien wie Porzellan oder Glas
hergestellt. Daneben gewinnen Isolatoren, die eine Seele aus einem Fasern und
Kunststoff enthaltenden Materialverbund und eine Schirmhülle aus Kunststoff
enthalten, zunehmend an Bedeutung, weil sie sich durch eine Reihe von
Vorteilen auszeichnen, zu denen neben einem geringeren Eigengewicht auch
eine verbesserte mechanische Beständigkeit gegenüber Projektilen aus
Schußwaffen zählt. Die Schirmhüllen solcher Verbundisolatoren sind dabei
üblicherweise mit einer größeren Zahl an etwa senkrecht um den Strunk
laufenden, tellerförmigen Schirmen ausgestattet.
Verbundisolatoren weisen gegenüber konventionellen Isolatoren aus Glas oder
Porzellan den Vorteil auf, daß sie exzellente Isolationseigenschaften beim
Einsatz in Gebieten mit stark verschmutzter Atmosphäre besitzen, da sie
weitgehend schmutzabweisend sind und teilweise auch Verschmutzungen
isolierend einzukapseln vermögen. Deshalb werden Verbundisolatoren mit
Schirmhüllen aus Silikongummi zunehmend dazu verwendet, bestehende
Freileitungen mit elektrischen Isolationsproblemen, die aus atmosphärischen
Verunreinigungen resultieren, zu ertüchtigen, indem man die konventionellen
Isolatoren aus Porzellan oder Glas gegen Verbundisolatoren mit einer
Schirmhülle aus Silikongummi austauscht.
Für viele Anwendungen werden Hochspannungsisolatoren in Verbundbauweise
mit tellerförmigen Schirmen eingesetzt, insbesondere für Freileitungen. Die
Herstellung von Verbundisolatoren ist grundsätzlich bekannt. Sie können
beispielsweise gemäß DE-C2-27 46 870 hergestellt werden, indem ein
harzgetränkter Glasfaserkern (GFK = Glasfaser-verstärkter Kunststoff) durch
Extrusion mit Silikonkautschuk umhüllt wird und einzeln vorgefertigte
tellerförmige Schirme mit radialer Vorspannung auf einen umhüllten
Glasfaserkern aufgeschoben und mit der Umhüllung zusammenvulkanisiert
werden. Der für den Isolatorbetrieb erforderliche Kriechweg kann vor allem
durch die Zahl und den Durchmesser der Schirme erhalten werden. Die Fuge
zwischen dem den Glasfaserkern umhüllenden Mantel, also der
Strunkoberfläche, und der Ausnehmung in den tellerförmigen Schirmen ist
hierbei eine potentielle Fehlstelle, wenn der Produktionsprozeß nicht sicher
beherrscht wird und die Fugen nicht dicht geschlossen werden.
DE-A1-42 02 653 lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundisolators
durch Spritzgießen einer Schirmhülle um einen Kern, um Fugen zwischen dem
Mantel und den tellerförmigen Schirmen einer Schirmhülle zu vermeiden, und
eine Vorrichtung zum Spritzgießen dieser Isolatoren.
Es sind Hochspannungsisolatoren bekannt, die spiralförmige Schirme besitzen:
SU 659382 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
Hochspannungsisolators aus Porzellan, der mit Hilfe eines Extruders mit einer
rotierenden Scheibe, die eine Öffnung für die keramische Masse enthält, mit
spiralförmigen Rippen geformt wird; Einzelheiten zu der rotierenden Scheibe
sind nicht angegeben. CH-A5-640 666 lehrt einen Verbundisolator mit
spiralförmigen Schirmen, bei dem ein vorgefertigtes rippenförmiges
Elastomerprofilband um einen GFK-Kern gewunden und anvulkanisiert wird.
Nach CA-A1-2,046,682 soll ein ähnliches rippenförmiges Elastomerprofilband
mit einem parallelogrammförmigen Querschnitt für den Mantel um einen
isolierenden Kern wie z. B. ein GFK-Rohr gewunden und anvulkanisiert werden.
Entsprechend EP-B1-0 161 265 wird ein dünnes, schirmebildendes,
schraubenförmiges Band aus Silikonkautschuk auf einem Teller geformt,
abgehoben und um einen GFK-Kern gewickelt und angeklebt; dieses Verfahren
weist einige Mängel auf: Es ist aufgrund des Herstellverfahrens nicht möglich,
das Schirmband so aufzubringen, daß keine Schirmdeformationen entstehen.
Der Nylonfaden im Bereich der Schirmwurzel vermag dieses Problem nicht zu
lösen, da es durch diesen Faden vielmehr zu zerstörerischen Glimmentladungen
in der Grenzfläche Faden/Schirm kommen kann. Der Kleber zur Befestigung des
Schirmbandes am GFK-Kern dient laut Patentschrift auch dazu, den GFK-Kern in
den Schirmzwischenräumen zu schützen; diese extrem dünne Schicht scheint
aber nicht in der Lage zu sein, sicheren Schutz zu bieten, besonders nicht beim
Auftreten von stromstarken Teillichtbögen auf der Isolatoroberfläche. Die sich
durch die geringe Schirmdicke ergebende kurze Klebefuge ist ebenfalls eine
Schwachstelle, weil sie sehr durchschlaggefährdet ist.
FR-A-2 363 1 70 lehrt Kunststoffverbundisolatoren, bei denen durch Aufbringen
von spiralförmigen Bändern mit angeformten Schirmen spiralförmige Schirme
und hierdurch zwischen den Rändern der spiralförmigen Bänder Fugen gebildet
wurden. US-A-3,786, 1 75 beschreibt Kunststoffverbundisolatoren mit Schirmen,
die sich parallel zu einander in einer Ebene befinden, die sich nicht senkrecht
zur Längsachse des Isolators erstreckt und die über Formenhälften angeformt
werden können, die Nähte erwarten lassen.
Die oben erwähnten Fertigungsverfahren für Kunststoffverbundisolatoren führen
zu Fugen oder/und Nähten und somit leicht zu elektrotechnischer
Beeinträchtigung. Sie weisen außerdem den Nachteil auf, daß besonders viele
Arbeitsgänge für die Herstellung erforderlich sind und daher bezüglich
Arbeitszeit und Energieeinsatz außerordentlich kostenintensiv sind.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, Verbundisolatoren mit einer
höheren Funktionssicherheit und besseren elektrotechnischen Kenndaten sowie
gleichzeitig eine kostengünstigere Alternative zur Herstellung von derartigen
Verbundisolatoren bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kunststoffverbundisolator
mit den Merkmalen nach dem Patentanspruch 1, durch Verfahren nach den
Patentansprüchen 19 und 20 und durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 28
und 29.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die Herstellung der erfindungsgemäßen
Verbundisolatoren entgegen der Einschätzung der Fachwelt deutlich einfacher
erfolgen kann. Außerdem ergab sich, daß die Verschmutzung des Isolators geringer
ist und Schmutz leichter abgespült werden konnte als bei vergleichbaren
Verbundisolatoren mit tellerförmigen Schirmen.
Der Kunststoffkern der erfindungsgemäßen Verbundisolatoren kann mit Fasern aus
einem alkaliarmen Glas verstärkt sein. Er kann insbesondere zylindrisch, bauchig
gewölbt oder konisch ausgebildet sein und gibt somit die Grundform des Strunkes
vor. Der Kunststoffkern kann ein Vollstab oder ein Hohlkörper sein, bevorzugt in
Form eine Rohres oder eines Hohlkonus.
Als Material für die Schirmhülle wird vorzugsweise ein Silikongummi verwendet,
dessen Shore A Härte mehr als 40, insbesondere 60 bis 90, beträgt. Hierfür kann
bevorzugt HTV-Kautschuk (HTV = Heiß-Temperatur-vernetzend) eingesetzt werden.
Die Schirmhülle kann Kautschuk enthalten, der bei erhöhter Temperatur - in der
Regel 50°C bis 200°C - vulkanisierbar ist, insbesondere EPDM (Terpolymer aus
Ethylen, Propylen und einem Dien, mit dem ungesättigten Teil des Diens an der
Seitenkette) oder/und EPM (Ethylen-Propylen-Copolymer), Polyvinyldimethylsiloxan
und Füllstoffe, vorzugsweise mit Hilfe von Peroxiden vernetzt, oder allgemeiner
Polyorganodimethylsiloxane. Weitere Arten geeigneten HTV-Silikonkautschuks
umfassen MQ, FMQ, PMQ
und VMQ entsprechend DIN ISO 1629. Die Schirmhülle weist üblicherweise eine
glatte Oberfläche ohne Längsnähte und ohne Quernähte auf. Eine besonders glatte
Oberfläche ist wegen geringerer Verschmutzungsneigung und besserer
lsolierwirkung vorzuziehen. Der Mantel ist vorzugsweise von im wesentlichen
gleicher Stärke oder mit Rippen, Rillen oder Wellen konturiert, vorzugsweise
spiralförmig umlaufend, so daß Wasser gut ablaufen kann. Die Oberseite der
spiralförmigen Schirme ist in der Regel konvex geformt, während die Unterseite der
spiralförmigen Schirme häufig konkav geformt ist. Die Unterseite der spiralförmigen
Schirme kann eine Wellung oder mindestens eine Rippe oder mindestens eine Rille
aufweisen, die helfen, Kriechwege zu verlängern, die Schirme zu versteifen und
fließendes Wasser, das auch Schmutz abtransportieren kann, abzulenken. Diese
Schirmkonturen können auch radial zum Strunk oder nach außen laufend geführt
werden. In der Regel sind die Übergänge zwischen der Oberfläche der Schirme und
der Oberfläche des Mantels verrundet oder bei sehr geringem Abstand zwischen
zwei Schirmen von einem Schirm zum nächsten Schirm kontinuierlich verrundet. Die
Sehne der die Oberseite der Schirme in Längsrichtung des Isolators schneidenden
Querschnittsfläche schließt üblicherweise mit der Längsrichtung L einen Winkel α
von 30° bis 80° ein. Die spiralförmigen Schirme können seitlich zu den
Strunkenden hin Ausläufe aufweisen, bei denen die Ausladung der Schirme
üblicherweise kontinuierlich bis zum Ansatz am Strunk abnimmt. Eine beispielhafte
Ausführung zeigt mindestens einen spiralförmigen Schirm, der im mittleren Bereich
des Strunkes unterbrochen ist und seitlich von dieser Unterbrechung Ausläufe oder
im Bereich der Unterbrechung eine verringerte Ausladung aufweist. Andere
Ausführungen können sich dadurch auszeichnen, daß sie mindestens einen
spiralförmigen Schirm führen, der mit einem über die Länge variierenden
Schirmquerschnitt versehen ist oder daß mindestens ein spiralförmiger Schirm erst
in größerem Abstand von einer Kappe mit einem Auslauf angeformt ist. Der
Verbundisolator kann mindestens zwei spiralförmige Schirme aufweisen, die einen
von einander abweichenden Schirmquerschnitt zeigen. Er kann zumindest in einem
Bereich des Strunkes mit einer in Längsrichtung dichten
Folge von Schirmabschnitten - ähnlich einem Kamm -
ausgestattet sein. Der Abstand der Schirmabschnitte in einem Längsschnitt
kann, beispielsweise aufgrund des geänderten Neigungswinkels oder einer
größeren Zahl von spiralförmigen Schirmen, über die Länge des Strunkes
variieren. Allein durch die Erhöhung der Umdrehungsgeschwindigkeit der
Dreheinrichtung am Mundstück oder der Dreheinrichtung für den Kunststoffkern
kann auf sehr einfache Weise eine Verdichtung der Schirmabschnitte und eine
Verringerung des Neigungswinkels der Schirme und somit eine Verlängerung
des Kriechweges vorgenommen werden. Der Neigungswinkel kann hierbei so
variiert werden, daß ein Umlauf eines spiralförmigen Schirmes um 360° einer
Steigungshöhe in Längsrichtung L von 10 mm bis weit über 1000 mm
entspricht. Außerdem können, insbesondere wenn alle spiralförmigen Schirme
erst in einem etwas größeren Abstand von der Kappe angeformt sind, am
Strunk mindestens an einem Strunkende ein oder mehrere tellerförmige Schirme
angeformt oder aufgebracht sein.
Der Kunststoffkern kann eine Länge zwischen 10 cm und 8 m einnehmen und
gibt dadurch in etwa die Länge des gesamten Isolators vor. Die spiralförmigen
Schirme können - außer an den Enden der Ausläufe - eine Ausladung senkrecht
zum Strunk ab Oberfläche des Mantels von 5 bis 100 mm, insbesondere von 10
bis 70 mm, besonders bevorzugt von 15 bis 40 mm aufweisen. Der Abstand
zwischen zwei Schirmabschnitten kann in Längsrichtung L, nahe der Oberfläche
des Mantels gemessen, 5 bis 1000 mm, insbesondere 10 bis 500 mm,
besonders bevorzugt 20 bis 100 mm betragen.
Die Geradheitsabweichung einer im wesentlichen geraden Linie auf der
Oberfläche der Schirmhülle beträgt üblicherweise nicht mehr als 0,5 mm,
vorzugsweise nicht mehr als 0,3 mm, insbesondere nicht mehr als 0,1 mm.
Die erfindungsgemäße Schirmkonstruktion bietet noch weitere Vorteile:
Silikongummi ist bekanntermaßen ein teurer Werkstoff, weil die Silikonsynthese
von reinem Silizium ausgeht. Isolatorkonstruktionen mit tellerförmigen Schirmen
aus Silikongummi sind deshalb darauf ausgerichtet, den Materialeinsatz zu
minimieren, was zu dünnen Schirmen führt. Dünne Schirme aus Silikongummi,
insbesondere solche größerer Ausladung sind u. U. mechanisch instabil, sie
neigen zur Deformation während Lagerung und Transport und können auch
mechanisch leicht beschädigt werden. Durch die Auswahl eines geeigneten
Schirmquerschnitts in Verbindung mit dem Neigungswinkel und gegebenenfalls
unter Verwendung von Rillen, Rippen oder Wellungen an den Schirmunterseiten
können die Schirme bei gleichem oder noch größerem Kriechweg mit einer
kleineren Ausladung versehen werden als tellerförmige Schirme und gewinnen
dabei durch die versteifende Wirkung der Kontur an den Schirmunterseiten für
dieses weiche flexible Material einen erheblichen Grad an mechanischer
Stabilität. Der Materialeinsatz für die Schirme mit Rillen, Rippen oder Wellungen
ist gering und wird bei weitem durch die dadurch gewonnene Kriechweglänge
kompensiert, da eine Verlängerung des Kriechweges bei flachen tellerförmigen
oder spiralförmigen Schirmen nur über die Durchmesservergrößerung erreicht
werden kann, die in die Materialrechnung quadratisch eingeht.
Die erfindungsgemäßen Verbundisolatoren weisen weder Fugen, noch
üblicherweise Nähte auf. An solchen Nähten, die meistens ein senkrecht auf der
Schirmhülle stehendes, in Längsrichtung des Isolators verlaufendes Häutchen
aufweisen, können sich Schmutzpartikel lokal anhäufen und elektrotechnisch
störend auswirken. Die gekrümmten und geneigten spiralförmigen Schirme sind
besonders bei Regen von Vorteil, da das Regenwasser nicht die Spirale nach
unten abläuft, sondern aufgrund der Schirmform nach außen abgelenkt wird
und abtropft.
Es ist bekannt, daß an allen Arten Hochspannungsisolatoren im Betrieb
sichtbare elektrische Entladungen und Teillichtbögen auftreten können. Diese
Entladungen sind sehr intensiv und insbesondere am spannungsseitigen Ende
des Isolators im Bereich des Strunkes zwischen Kappe und dem ersten hinter
der Kappe folgenden Schirm energiereich. Beobachtungen haben ergeben, daß
diese Entladungen bevorzugt am Strunk und an den Strunk-nahen Teilflächen
der Schirmunterseiten auftreten. Die Entladungsintensität entlang der
Längsachse des Isolators nimmt mit zunehmender Entfernung vom
spannungsführenden Leiter ab. Auch bei Kunststoffverbundisolatoren mit
tellerförmigen Schirmen können zwischen Kappe und erstem darauffolgendem
Schirm - insbesondere in Gebieten mit hoher Luftverschmutzung - Entladungen
auftreten, die Erosionen in der Schirmhülle und in schweren Fällen Zerstörung
der Isolatoren hervorrufen. Der tellerförmige Schirm wirkt als Barriere, die den
Auslauf der Entladungen in Richtung auf die Erdseite des Isolators verhindert.
Bei dem erfindungsgemäßen Kunststoffverbundisolator, der nur spiralförmige
Schirme aufweist, können die Entladungen entlang dem Strunk weiter wandern,
wobei ihre Intensität abklingt. Es entstehen hierbei keine großen lokalen
Stromdichten, die Erosionen verursachen können.
Bei der Herstellung von Kunststoffverbundisolatoren kann entsprechend der
Erfindung ein hoher Anteil an Kautschuk im Vergleich zu einem konventionellen
Kunststoffverbundisolator gleicher Länge und gleichen Kriechwegs eingespart
werden. Im allgemeinen ist mit einer Ersparnis von etwa 40% zu rechnen. Die
folgende Tabelle führt für zwei verschiedene Typen jeweils für
Verbundisolatoren nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung die
entsprechenden Daten im Vergleich auf; die Kenndaten zum Gewicht gelten für
eine diskontinuierliche Herstellung, bei der die Strunkenden nicht gänzlich mit
einem Mantel bedeckt wurden:
Die erfindungsgemäßen Verbundisolatoren können nach folgenden Verfahren
hergestellt werden:
Ein Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators ist dadurch
gekennzeichnet, daß auf einen faserverstärkten Kunststoffkern ein Haftmittel
aufgebracht wird, daß der so vorbehandelte Kunststoffkern in einen Extruder
oder in eine Kolbenpresse, die einen Pinolenkopf mit einem drehbaren
Mundstück aufweisen, eingeführt wird, daß die Transportgeschwindigkeit des
Kunststoffkerns mit der Drehgeschwindigkeit des drehbaren Mundstücks
gekoppelt ist, daß die Masse zur Herstellung der Schirmhülle um den
vorbehandelten Kunststoffkern herum verdichtet und durch das drehbare
Mundstück gepreßt wird, so daß der vorbehandelte Kunststoffkern in
Längsrichtung mit einer einteiligen Schirmhülle aus Mantel und Schirm/Schirmen
in Form einer oder mehrerer Spiralen versehen wird. Außerdem kann der
Kunststoffkern hierbei in einen Extruder oder in eine Kolbenpresse drehend
eingeführt werden, wobei die Transportgeschwindigkeit des Kunststoffkerns mit
seiner Drehgeschwindigkeit gekoppelt sein kann.
Bei einem anderen Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators wird
ein Haftmittel auf einen faserverstärkten Kunststoffkern aufgebracht, wobei der so
vorbehandelte Kunststoffkern in einen Extruder oder in eine Kolbenpresse, die einen
Pinolenkopf mit einem Mundstück aufweisen, drehend eingeführt wird, wobei die
Transportgeschwindigkeit des Kunststoffkerns mit seiner Drehgeschwindigkeit
gekoppelt ist und die Masse zur Herstellung der Schirmhülle um den vorbehandelten
Kunststoffkern herum verdichtet und durch die Öffnung des Mundstücks gepreßt
wird, so daß der vorbehandelte Kunststoffkern in Längsrichtung mit einer einteiligen
Schirmhülle aus Mantel und Schirm/Schirmen in Form einer oder mehrerer Spiralen
versehen wird.
Hierbei kann das Haftmittel auf den Kunststoffkern vor dem Umhüllen mit Masse
durch Aufspritzen, Aufstreichen oder Tauchen aufgebracht werden. Das Haftmittel
dient üblicherweise als Hilfsmittel zum Vulkanisieren und kann auf Basis Silan
verwendet werden. Es kann als Flüssigkeitsfilm von z. B. etwa 1 µm Stärke auf dem
Kunststoffkern aufgebracht sein.
Die Verfahren können kontinuierlich oder diskontinuierlich, mit konstanter oder
wechselnder Geschwindigkeit durchgeführt werden. Die Geschwindigkeit der
Dreheinrichtungen bzw. der Transporteinrichtung kann in weiten Grenzen variiert
werden, jedoch ist darauf zu achten, daß es nicht aufgrund zu hoher
Geschwindigkeit zu einem Abscheren zwischen dem beschichteten Kunststoffkern
und der Kautschukmasse kommt, da sonst insbesondere die Schirme abgerissen
werden können. Bei der Herstellung kann die Größe oder/und die Form der Öffnung
eines Mundstücks während des Extrudierens mittels Extruder oder Kolbenpresse
verändert werden, insbesondere wenn eine geeignete Einrichtung zur Veränderung
der Öffnung bereitgestellt ist; beispielsweise können die spiralförmigen Schirme
seitlich zu den Strunkenden hin mit Ausläufen gepreßt werden. Die Enden der
spiralförmigen Schirme können aber auch seitlich zu den Strunkenden hin zu
Ausläufen gefast, abgerundet oder abgearbeitet werden. Die Enden der
spiralförmigen Schirme können auch
einfach abgeschnitten werden, wobei ein leichtes Verrunden der Kanten
vorteilhaft ist. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Isolatoren ist zu
beachten, daß der Pinolenkopf beim Extrudieren vollständig und ohne
Lufteinschlüsse mit Masse gefüllt wird und die Masse für die Schirmhülle ohne
Lufteinschlüsse ausgestoßen wird. Das Herstellverfahren für den Strunk wird im
wesentlichen dadurch abgeschlossen, daß der Kunststoffkern mit der
Schirmhülle durch Vulkanisieren verbunden wird. Das Vulkanisieren kann hinter
dem Pinolenkopf in einer Heizstrecke erfolgen. Hierbei ist zu beachten, daß
auch der äußere Bereich des Kunststoffkerns eine ausreichende Temperatur
zum Vulkanisieren erreicht. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines
Haftmittels für das Ergebnis des Vulkanisierens sehr förderlich sein kann, weil
so eine chemische Verbindung zwischen den beiden
zusammenzuvulkanisierenden Teilen ohne Blasen und ohne Spalte erzeugt
werden kann. In Blasen oder Spalten kann sich Wasser ansammeln, das zu einer
elektrotechnischen Beeinträchtigung, in erster Linie durch Glimmentladungen,
führen kann. Glimmentladungen können zu Lichtbögen führen, die den Isolator
zerstören können.
Die erfindungsgemäßen Verbundisolatoren können mit Hilfe der folgenden
Vorrichtungen hergestellt werden:
Eine Vorrichtung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Kunststoffverbundisolators umfaßt einen Extruder oder eine Kolbenpresse, einen
Pinolenkopf, ein Mundstück mit Öffnung und eine Transporteinrichtung für den
Kunststoffkern und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Mundstück mit einer
Dreheinrichtung ausgestattet ist. Eine andere Vorrichtung zur Herstellung eines
erfindungsgemäßen Kunststoffverbundisolators enthält einen Extruder oder eine
Kolbenpresse, einen Pinolenkopf, ein Mundstück mit Öffnung und eine
Transporteinrichtung für den Kunststoffkern, wobei die Transporteinrichtung mit
einer Dreheinrichtung für den Kunststoffkern ausgestattet ist. Das Mundstück
kann eine Profilscheibe enthalten, die federnd gelagert ist, und birgt eine
Öffnung, die bevorzugt in einer Profilscheibe angeordnet ist. Die Öffnung kann
eine zur Transportachse des Kunststoffkerns zentrisch angeordnete kreisförmige
Ausnehmung aufweisen, die in mindestens eine etwa zapfenförmige
Ausweitung in radialer oder abgewinkelter Richtung übergeht. Die Öffnung kann
im Bereich der etwa zapfenförmigen Ausweitung mindestens eine Einengung
oder mindestens eine von dieser Ausweitung abzweigende zweite Ausweitung
aufweisen. Sie kann mit einer Einrichtung versehen sein, mit der die Öffnung
während des Betriebs in der Größe oder/und in der Form verändert werden
kann. Die kreisförmige Ausnehmung der Öffnung kann einen Durchmesser
aufweisen, der mindestens 0,2 mm größer ist als der Durchmesser des
Kunststoffkerns an der zugehörigen Stelle beim Transportieren durch die
Öffnung.
Das zur Formgebung der Schirmhülle dienende Profilwerkzeug kann so einfach
gebaut werden, daß auf Kundenwünsche bezüglich Strunk- und Schirm-Design
schnell, flexibel und kostengünstig reagiert werden kann und keine teuren
Werkzeuge speziell für einen Typ bereitgestellt werden müssen.
Der erfindungsgemäße Hochspannungsisolator in Verbundbauweise, sein
Herstellverfahren und die zugehörige Vorrichtung soll beispielhaft anhand von
vier Zeichnungen verdeutlicht werden:
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen
Kunststoffverbundisolators. Der mittlere Abschnitt des Isolators 1 enthält einen
Strunk 2 und einen spiralförmig hierum gewundenen Schirm 6. Der Strunk 2
enthält einen faserverstärkten Kunststoffkern 3, der aus epoxidharzumhüllten
Glasfasern bestehen kann, die "endlos" und bei zylindrischen Kernen
achsparallel angeordnet sind, und eine Schirmhülle 4: Der Kunststoffkern 3 ist
umhüllt von einer fugenlos geformten Schicht des Mantels 5, die ohne Fugen in
den spiralförmigen Schirm 6 übergeht. Ein Ausschnitt der Fig. 1 ist als
Längsschnitt gezeichnet, in dem die Sehne der die Oberseite der Schirme in
Längsrichtung des Isolators schneidenden Querschnittsfläche mit der Längsrichtung
einen Winkel α von 30° bis 80°, vorzugsweise von 40° bis 70°, einschließt. Hier ist
der Querschnitt eines Schirms 17 gut zu erkennen. Die Übergänge der Oberseite 7
bzw. der Unterseite 8 des spiralförmigen Schirmes 6 in die Oberfläche des Mantels
9 können scharfkantig, vorzugsweise aber verrundet ausgeführt sein 10 bzw. 11,
insbesondere mit einem Radius von 0,1 bis 12 mm. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines
erfindungsgemäßen Isolators mit konstanten Durchmessern, mit einem zylindrischen
Strunk 2 ohne Hohlraum und mit einem einzigen spiralförmig gewundenen Schirm 6
von konstantem Querschnitt. Alternativ können auch mehrere Schirme gleichen oder
unterschiedlichen Querschnitts bzw. Schirme mit Rippen, Rillen oder Wellungen 14
unterschiedlicher Ausrichtung und Anordnung verwendet werden. Fig. 1 zeigt auch
nicht die Strunkenden 16 mit den Ausläufen 15 der Schirme und nicht die Kappen,
die üblicherweise als Metallarmaturen ausgeführt sind. Die Kappen dienen zur
Übertragung der Zugkraft vom Kunststoffkern 3 zu der nicht dargestellten
Isolatorenaufhängung bzw. -befestigung. Die Kappe kann z. B. aus Stahl, Gußeisen
oder anderen metallischen Werkstoffen bestehen und durch radiale Kompression
mit dem Ende des Kunststoffkerns 3 verbunden sein. Außerdem werden der
Abstand zwischen zwei Schirmabschnitten 12 und die Ausladung des Schirms 13
dargestellt.
Fig. 2 stellt eine Vorrichtung 20 zur Herstellung des Kunststoffverbundisolators 1
im Bereich eines Extruders 21 dar. Die Masse 24 für die Herstellung der Schirmhülle
4 wird durch den Extruder 21 in den Pinolenkopf 22 gefördert. Die Einrichtung für
den Haftmittelauftrag 37, die Transporteinrichtung 26 für den Kunststoffkern 3 mit
der Verdrehsicherung 36, der Pinolenkopf 22 mit dem drehbaren Mundstück 23
sowie die Heizstrecke 35 zum Vulkanisieren der Schirmhülle sind so axial
angeordnet, daß der Kunststoffkern 3 zentrisch durch entsprechende
Ausnehmungen geführt werden kann. Das Mundstück 23 wird durch den Antrieb 33
und 34 angetrieben.
Fig. 3 gibt einen Teilschnitt des Auslaufendes des Pinolenkopfes 22 und des
drehbaren Mundstücks 23 wieder. Mitten durch den Pinolenkopf 22 und in
geringem Abstand zur Pinole 43 wird der Kunststoffkern 3 hindurchgeführt, um
den die Masse 24 für die Schirmhülle 4 hinter der Pinole 43 und durch den
Spalt 45 der in etwa kreisförmigen Ausnehmung 30 zwischen Kunststoffkern 3
und Rand der Öffnung 25 sowie durch die Ausweitung 31 und ggbfs. durch
eine zweite Ausweitung 32 gepreßt und in die Form von Mantel 5 und
spiralförmigem Schirm 6 geformt wird. Das Mundstück 23 ist über das
Kugellager 41 drehbar um den Pinolenkopf 22 gelagert. Die Profilscheibe 29 mit
der Öffnung 25 ist mit dem Gehäuse des drehbaren Mundstücks 23 über
Schrauben 38 und Druckfedern 39 verbunden. Der Querschnitt der Öffnung 25
gibt den Querschnitt der dort geformten Schirmhülle 4 vor. Der Innenraum des
Pinolenkopfes 22 wird zwischen Profilscheibe 29 und Gehäuse des Mundstücks
23 durch einen Dicht- und Gleitring 40, der vorteilhaft aus PTFE sein kann,
abgedichtet. Das Anzugmoment muß für alle Schrauben 38 gleich groß sein,
damit der Druck auf die Profilscheibe und den Dicht- und Gleitring 40 über den
gesamten Umfang in etwa gleich verteilt wird. Das Anzugdrehmoment muß so
hoch sein, daß im Betrieb keine Masse 24 im Bereich des Dicht- und Gleitrings
40 austreten kann, aber ein einwandfreies Drehen des Mundstücks 23
gewährleistet ist. Eine genaue Drehmomenteinstellung, ein Ausgleich der
Deformation des Dicht- und Gleitrings 40 und somit ein ununterbrochener
Kontakt zwischen Profilscheibe 29 und Dicht- und Gleitring 40 wird hierzu über
die Druckfedern 39 erreicht. Auf diese Weise läßt sich eine zuverlässige
Abdichtung erzielen. Das auf den Kunststoffkern 3 aufgebrachte Haftmittel wird
in keiner der Figuren dargestellt.
Fig. 4 verdeutlicht links mit mehreren Teildarstellungen verschiedene
Profilscheiben 29 eines drehbaren Mundstücks 23 mit unterschiedlich
geformten Öffnungen 25, die kreisförmige Ausnehmungen 30 aufweisen, die in
etwa zapfenförmige Ausweitungen 31 in radialer oder abgewinkelter Richtung
übergehen und je nach Erfordernis gekrümmt oder gerade ausgerichtet sein
können. Zusätzlich können von den Ausweitungen 31 zweite Ausweitungen 32
seitlich abzweigen, um Rippen oder Wellungen 14 anzuformen. Die Profilscheibe
29 kann über Befestigungsbohrungen 46 mit dem Gehäuse des drehbaren
Mundstücks 23 verbunden werden. Eine Einrichtung, die die Öffnung 25
während des Extrudierens in der Größe oder/und in der Form verändert, wird
hier nicht dargestellt. Die Veränderung der Öffnung 25 kann über die
Extrusionsdauer für einen Isolator gleichmäßig erfolgen, z. B., um den Strunk
konisch auszugestalten, oder kurzzeitig, um z. B. Querrippen zu erzeugen.
Rechts neben den Teildarstellungen der verschiedenen Profilscheiben 29 werden
Längsschnitte ausschnittsweise durch den Strunk 2 aus Kunststoffkern 3 und
Mantel 5 sowie durch den spiralförmigen Schirm 6 wiedergegeben, die mittels
der links gezeigten Öffnungen 25 gewonnen werden können.
Grundsätzlich bestimmt die Form und Größe der Öffnung 25 den Querschnitt
der Schirmhülle 4. Der resultierende Schirmquerschnitt 17 ist bei diesem
plastischen, noch nicht vulkanisierten Material jedoch nicht mit der Form der
Öffnung 25 identisch. Bei dieser Fertigung entsteht in der Regel ein mehr oder
weniger geneigter und gekrümmter spiralförmiger Schirm 6. Dieser Schirm 6 erhält
meistens eine Form, bei der er näher am Strunk 2 dicker ist und zum Rand des
Schirmes 6 dünner wird. Die Änderung der Drehgeschwindigkeit kann bei
gleichartiger Öffnung 25 zu einem anders geformten Schirmquerschnitt 17
führen. In den Teildarstellungen a bis d werden verschiedene Varianten der
Öffnung 25 und die daraus resultierenden Schirmquerschnitte 17 dargestellt.
Mit einfachen Mitteln kann daher die Zahl, Größe und Form der spiralförmigen
Schirme 6 beeinflußt werden.
Die Erfindung wurde vorstehend beispielhaft an einem Hochspannungsisolator
für Freileitungen, am Herstellverfahren und anhand der für die Herstellung
benötigten Vorrichtung näher erläutert. Selbstverständlich kann ein
erfindungsgemäßer Verbundisolator als Hochspannungs- oder als Gehäuse für
elektrische Apparate, insbesondere in Freiluftanwendungen, genutzt werden,
wobei die verschiedensten Einsatzbereiche in Frage kommen. Die Erfindung
kann auch vorteilhaft in solchen Fällen angewendet werden, wo konventionelle
Isolatoren festgelegter Bauhöhe in atmosphärischen Verschmutzungsgebieten
elektrische Probleme hinsichtlich Überschlägen bereiten. Mit Hilfe der Erfindung
können Isolatoren gebaut werden, deren Kriechweg bei gleichbleibender
Bauhöhe den atmosphärischen Bedingungen angepaßt werden können.
Claims (35)
1. Kunststoffverbundisolator (1) aus einem Strunk (2) und mindestens einem
Schirm und Kappen, bei dem der Strunk einen faserverstärkten Kunststoffkern (3)
und um diesen Kern herum einen Mantel (5) einer Schirmhülle (4) aufweist und bei
dem die Schirmhülle (4) aus dem Mantel (5) und mindestens einem um den Mantel
(5) spiralförmig laufenden Schirm (6) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schirmhülle (4) einteilig und ohne Fugen geformt ist und daß sie eine glatte
Oberfläche ohne Längsnähte und ohne Quernähte aufweist.
2. Kunststoffverbundisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberseite (7) der spiralförmigen Schirme (6) konvex geformt ist.
3. Kunststoffverbundisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterseite (8) der spiralförmigen Schirme (6) konkav geformt ist.
4. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Unterseite (8) der spiralförmigen Schirme (6) eine Wellung
(14) oder mindestens eine Rippe oder mindestens eine Rille aufweist.
5. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Sehne der die Oberseite der Schirme in Längsrichtung (L)
schneidenden Querschnittsfläche mit der Längsrichtung (L) einen Winkel α von 30°
bis 80° einschließt.
6. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern mit Fasern aus alkaliarmem Glas verstärkt
ist.
7. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schirmhülle (4) Kautschuk enthält, der bei erhöhter
Temperatur vulkanisierbar ist.
8. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Schirme (6) zu Strunkenden (16) hin seitlich
Ausläufe (15) aufweisen.
9. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein spiralförmiger Schirm (6) im mittleren Bereich
des Strunkes (2) unterbrochen ist und seitlich von dieser Unterbrechung Ausläufe
(15) oder im Bereich der Unterbrechung eine verringerte Ausladung (13) aufweist.
10. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein spiralförmiger Schirm (6) mit einem über die
Länge variierenden Schirmquerschnitt (17) versehen ist.
11. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß erst in größerem Abstand von einem Strunkende (16)
mindestens ein spiralförmiger Schirm (6) mit einem Auslauf (15) angeformt ist.
12. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß er mindestens zwei spiralförmige Schirme (6) aufweist die
einen von einander abweichenden Schirmquerschnitt (17) zeigen.
13. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß er zumindest in einem Bereich des Strunkes (2) mit einer in
Längsrichtung dichten Folge von Schirmabschnitten - ähnlich einem Kamm -
ausgestattet ist.
14. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß am Strunk mindestens an einem Strunkende (16) mindestens
ein tellerförmiger Schirm (18) angeformt oder aufgebracht ist.
15. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Schirme (6) - außer an den Enden der
Ausläufe (15) - eine Ausladung (13) senkrecht zum Strunk (2) ab Oberfläche des
Mantels (5) von 5 bis 100 mm, insbesondere von 10 bis 70 mm, besonders
bevorzugt von 15 bis 40 mm aufweisen.
16. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand (12) zwischen zwei Schirmabschnitten in
Längsrichtung (L) nahe der Oberfläche des Mantels gemessen 5 bis 1000 mm,
insbesondere 10 bis 500 mm, besonders bevorzugt 20 bis 100 mm beträgt.
17. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern zylindrisch, bauchig gewölbt oder konisch
ausgebildet ist.
18. Kunststoffverbundisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern ein Vollstab oder ein Hohlkörper ist.
19. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen faserverstärkten
Kunststoffkern (3) ein Haftmittel aufgebracht wird, daß der so vorbehandelte
Kunststoffkern in einen Extruder (21) oder in eine Kolbenpresse, die einen
Pinolenkopf (22) mit einem drehbaren Mundstück (23) aufweisen, eingeführt wird,
daß die Transportgeschwindigkeit des Kunststoffkerns mit der Drehgeschwindigkeit
des drehbaren Mundstücks gekoppelt ist, daß die Masse (24) zur Herstellung der
Schirmhülle (4) um den vorbehandelten Kunststoffkern herum verdichtet und durch
das drehbare Mundstück gepreßt wird, so daß der vorbehandelte Kunststoffkern in
Längsrichtung mit einer einteiligen Schirmhülle aus Mantel und Schirm/Schirmen in
Form einer oder mehrerer Spiralen versehen wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen faserverstärkten
Kunststoffkern (3) ein Haftmittel aufgebracht wird, daß der so vorbehandelte
Kunststoffkern in einen Extruder (21) oder in eine Kolbenpresse, die einen
Pinolenkopf (22) mit einem Mundstück aufweisen, drehend eingeführt wird, daß die
Transportgeschwindigkeit des Kunststoffkerns mit seiner Drehgeschwindigkeit
gekoppelt ist, daß die Masse (24) zur Herstellung der Schirmhülle (4) um den
vorbehandelten Kunststoffkern herum verdichtet und durch die Öffnung (25) des
Mundstücks gepreßt wird, so daß der vorbehandelte Kunststoffkern in Längsrichtung
mit einer einteiligen Schirmhülle aus Mantel und Schirm/Schirmen in Form einer
oder mehrerer Spiralen versehen wird.
21. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach Anspruch
19, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern (3) in einen Extruder (21) oder
in eine Kolbenpresse drehend eingeführt wird und daß die Transportgeschwindigkeit
des Kunststoffkerns mit seiner Drehgeschwindigkeit gekoppelt ist.
22. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach Anspruch 19
oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftmittel auf den Kunststoffkern (3) vor
dem Umhüllen mit Masse (24) durch Aufspritzen, Aufstreichen oder Tauchen
aufgebracht wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Haftmittel auf Basis Silan
verwendet wird.
24. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe oder/und die Form
der Öffnung (25) eines Mundstücks (23) während des Extrudierens verändert wird.
25. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Schirme
seitlich zu den Strunkenden (16) hin mit Ausläufen (15) gepreßt werden.
26. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der spiralförmigen
Schirme seitlich zu den Strunkenden (16) hin zu Ausläufen (15) gefast, abgerundet
oder abgearbeitet werden.
27. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der
Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffkern mit der
Schirmhülle durch Vulkanisieren verbunden wird.
28. Vorrichtung (20) zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem
der Ansprüche 1 bis 18, die einen Extruder (21) oder eine Kolbenpresse, einen
Pinolenkopf (22), ein Mundstück (23) mit Öffnung (25) und eine Transporteinrichtung
(26) für den Kunststoffkern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Mundstück
mit einer Dreheinrichtung ausgestattet ist.
29. Vorrichtung (20) zur Herstellung eines Kunststoffverbundisolators nach einem
der Ansprüche 1 bis 18, die einen Extruder (21) oder eine Kolbenpresse, einen
Pinolenkopf (22), ein Mundstück (23) mit Öffnung (25) und eine Transporteinrichtung
(26) für den Kunststoffkern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die
Transporteinrichtung mit einer Dreheinrichtung für den Kunststoffkern ausgestattet
ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß das
Mundstück (23) eine Profilscheibe (29), die federnd gelagert ist, mit Öffnung (25)
enthält.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnung eine zur Transportachse des Kunststoffkerns zentrisch
angeordnete kreisförmige Ausnehmung (30) aufweist, die in mindestens eine etwa
zapfenförmige Ausweitung (31) in radialer oder abgewinkelter Richtung übergeht.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, durch gekennzeichnet, daß die Öffnung (25)
im Bereich der etwa zapfenförmigen Ausweitung (31) mindestens eine Einengung
oder mindestens eine von dieser Ausweitung abzweigende zweite Ausweitung (32)
aufweist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet,
daß die Öffnung (25) mit einer Einrichtung (28) versehen ist, mit der die Öffnung
während des Betriebs in der Größe oder/und in der Form verändert werden kann.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet,
daß die kreisförmige Ausnehmung (30) der Öffnung (25) einen Durchmesser
aufweist, der mindestens 0,2 mm größer ist als der Durchmesser des
Kunststoffkerns an der zugehörigen Stelle beim Transportieren durch die Öffnung.
35. Verwendung eines Kunststoffverbundisolators nach einem der Ansprüche 1
bis 18 als Hochspannungsisolator oder als Gehäuse für elektrische Apparate,
insbesondere bei Freiluftanwendungen.
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