DE19835916A1 - Isolator - Google Patents

Abstract

Es wird ein Isolator (1) mit einem Formkörper (2) aus Keramik (K) und einer auf der Oberfläche des Formkörpers (2) aufgebrachten hydrophoben Beschichtung angegeben, wobei die hydrophobe Beschichtung aus einem Plasmapolymer (P) besteht und direkt auf der Keramik (K) aufgebracht ist. Die bislang übliche Glasur auf der Oberfläche der Keramik (K) ist durch das Plasmapolymer (P) ersetzt. Ein derartiger Isolator weist eine hohe Langzeitstabilität hinsichtlich seines elektrischen Isolationsvermögens auf. Auf eine komplizierte Formgebung des Formkörpers (2) zur Erhöhung des Kriechweges über die Oberfläche der Keramik (K) sowie auf das Aufbringen einer Glasur kann verzichtet werden, was eine erhebliche Kosteneinsparung bedeutet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Isolator mit einem Form­ körper aus Keramik und einer auf der Oberfläche des Formkör­ pers aufgebrachten hydrophoben Beschichtung.

Ein Isolator mit einem Formkörper aus Keramik findet in der elektrischen Isolationstechnik vielseitigen Einsatz. So wird ein solcher Isolator beispielsweise als ein Bauelement in der Mikroelektronik, als ein isolierendes Gehäuse für Bauelemente der Leistungselektronik, aber auch als ein Hochspannungsiso­ lator zum Führen und Beabstanden von Freileitungen in der Starkstromtechnik eingesetzt.

Unter einer Keramik wird eine Tonkeramik, ein Porzellan oder ein Steatit verstanden. Die Keramik entsteht aus den Aus­ gangsmaterialien Kaolin, Quarz, Ton, Tonerde und/oder Feld­ spat durch Mischen derselben unter Zugabe von diversen Zu­ schlagstoffen in einem abschließenden Brenn- oder Sintervor­ gang.

Der vielseitige Einsatz eines Isolators mit einem Formkörper aus Keramik in der elektrischen Isolationstechnik liegt in den spezifischen Eigenschaften der Keramik oder des kerami­ schen Werkstoffes begründet, welche sich durch andere Werk­ stoffe nicht erreichen lassen. So zeichnet sich eine Keramik durch eine hohe Formstarrheit, durch eine große Härte und me­ chanische Festigkeit, durch ein hohes elektrisches Isolier­ vermögen, durch ein vorteilhaftes dielektrisches Verhal­ ten, durch eine große Korrosionsbeständigkeit infolge hoher Beständigkeit gegen chemische Einflüsse und durch eine große Hitze- und Witterungsbeständigkeit aus.

Ein Isolator unterliegt im Langzeitverhalten je nach Einsatz­ ort mehr oder weniger einer oberflächlichen Verschmutzung, die das ursprüngliche Isolationsverhalten des sauberen Isola­ tors erheblich verschlechtern kann. Eine derartige Verschmut­ zung tritt beispielsweise durch die Ablagerung von Industrie­ staub, Salzen oder durch das Abscheiden von gelösten Parti­ keln beim Verdunsten von auf der Oberfläche niedergeschlage­ ner Feuchtigkeit auf. Man spricht von einer Fremdschichtbela­ stung.

Eine gebrannte Keramik zeichnet sich durch eine relativ hohe Oberflächenrauhigkeit aus. Da eine rauhe Oberfläche sehr viel schneller verschmutzt als eine glatte, ist es bekannt, die Oberfläche des keramischen Formkörpers eines Isolators mit einer Oberflächenglasur in Form einer glasartigen Schmelze zu versehen. Auf diese Weise wird eine Art Selbstreinigung ange­ strebt, die die Verschmutzungsneigung des Isolators erheblich verringert. Die Herstellungskosten jedoch werden durch das Aufbringen der Glasur erheblich vergrößert. Rohstoffe, Farb­ körper, Herstellung und Aufbringung der Glasur auf die teil­ weise komplizierten Geometrien der keramischen Formkörper sind ein erheblicher Kostenfaktor. Auch erhöht das. Aufbringen der Glasur als ein zusätzlicher Verfahrensschritt den Ferti­ gungsausschuß.

Das Aufbringen einer glatten Glasur auf die Oberfläche des keramischen Formkörpers reicht in vielen Fällen nicht aus, um das elektrische Verhalten des Isolators langfristig zu ge­ währleisten. Da auch eine glatte Glasur Ablagerungen auf Dau­ er nicht verhindern kann, muß zusätzlich die Geometrie des keramischen Formkörpers derart gestaltet sein, daß der Kriechweg für einen eventuellen Ableitstrom über die Oberflä­ che des Formkörpers möglichst lang ist. So weist beispiels­ weise ein Hochspannungsisolator entlang eines zylinderförmi­ gen Strunks eine Vielzahl von tellerförmigen Rippen oder Schirmen auf. Den unterschiedlichen Einsatzorten wird durch unterschiedliche Anzahl von Schirmen, unterschiedliche Schirmneigung und/oder unterschiedliche Schirmausladung be­ gegnet. Durch diese Ausgestaltung wird der Kriechweg zwischen den beiden zu isolierenden Polen gegenüber einem rein zylin­ drischen Isolator erheblich vergrößert. Durch die Schirmge­ staltung in Kombination mit der glatten Glasur kann eine Art Selbstreinigung der Oberfläche des Formkörpers durch Abwa­ schen der Verschmutzung durch Regen erzielt werden.

Im Vergleich zu einer einfachen Form des Isolators bedeutet jedoch jede Veränderung der Geometrie hin zu einem vergrößer­ ten Kriechweg einen Mehraufwand an Material und Fertigungs­ zeit und damit eine Verteuerung der Herstellungskosten.

Des weiteren hat es sich gezeigt, daß selbst eine große Kriechstrecke für einen Isolator mit einem keramischen Form­ körper mit Glasur nicht immer ausreicht, um bei besonderen Einsatzbedingungen das gewünschte elektrische Isolationsver­ mögen über einen längeren Zeitraum hinweg zu gewährleisten. So muß der glasierte keramische Formkörper eines Isolators, welcher bei hoher Fremdschichtbelastung eingesetzt wird, in regelmäßigen Zeitabständen manuell von Ablagerungen befreit werden, um die Funktionstüchtigkeit nicht zu gefährden. Dar­ über hinaus zeigen die bekannten, aus einer glasartigen Schmelze bestehenden Glasuren eine nachteilige Hydrophilie ihrer Oberfläche. Es bildet sich eine Wasserhaut, die die Schmutzpartikel auf der Oberfläche einschließt. Die Oberflä­ che des Isolators wird leitend. In der Folge entwickeln sich auf der feuchten, verschmutzten Oberfläche sogenannte Ab­ leitströme, die bis zum Überschlag anwachsen und so das elek­ trische Versagen des Isolators auslösen.

Zur Lösung des Problems ist es aus "Elektrotechnische Zeit­ schrift - A", Band 96 (1995), Seiten 126 bis 128, bekannt, auf die Glasur des keramischen Formkörpers zusätzlich eine Beschichtung aus Silikon aufzubringen. Dies geschieht durch Auftragung einer Silikonpaste oder eines Silikon-Elastomers. Da Silikon hydrophob ist, wird die Oberflächenstruktur der Glasur so geändert, daß sie das Wasser abstößt. Das Betriebs­ verhalten des verschmutzten Isolators verlängert sich da­ durch. Nachteiligerweise ist jedoch eine Beschichtung aus Si­ likonpaste nicht von Beständigkeit, und muß von Zeit zu Zeit, z. B. bei Stillstand der Anlage, erneuert werden. Zusätzlich ist sowohl die nötige Silikonpaste als auch das Silikon- Elastomer teuer.

Des weiteren ist in der Publikation "Insulators Glaze Modi­ fied by Plasma Processes", Tyman, A.; Pospieszna, I.; Iuchniewicz, I.; 9^th International Symposium of High Voltage Engineering, Graz, 28. August bis 01. September 1995, ein Isolator mit einem Formkörper aus Keramik und einer auf der Keramik aufgebrachten Glasur beschrieben, wobei zum Schutz der Glasur vor äußeren Einflüssen zusätzlich eine hydrophobe, plasmapolymere Beschichtung aufgebracht ist. Nachteiligerwei­ se ist die Hydrophobie und Beständigkeit der beschriebenen plasmapolymeren Beschichtung stark von der Art der Glasur ab­ hängig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Isolator mit einem Form­ körper aus einer Keramik anzugeben, welcher eine hohe Lang­ zeitstabilität hinsichtlich seines elektrischen Isolations­ vermögens, insbesondere bei einem Einsatz in feuchter und/oder staubhaltiger Umgebung, aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik und einer auf der Oberflä­ che des Formkörpers aufgebrachten hydrophoben Beschichtung gelöst, wobei als hydrophobe Beschichtung, ein Plasmapolymer direkt auf der Keramik aufgebracht ist.

Mit anderen Worten zeichnet sich der erfindungsgemäße Isola­ tor dadurch aus, daß anstelle einer hydrophilen Glasur ein hydrophobes Plasmapolymer direkt auf der Keramik des Formkör­ pers aufgebracht ist. Die Glasur der Oberfläche des kerami­ schen Formkörpers entfällt.

Bisherige Überlegungen zur Verbesserung der Langzeitstabili­ tät des elektrischen Isolationsvermögens eines Isolators mit einem Formkörper aus einer Keramik zielten darauf ab, die schon wasserdichte Oberfläche der Keramik mit einer glatten Glasur zu beschichten. Die Glasur als solche galt wegen der damit beabsichtigten besseren Selbstreinigung als ein unver­ zichtbarer Bestandteil des keramischen Form- oder Isolierkör­ pers. Zur weiteren Verbesserung wurde versucht, den hydrophi­ len Charakter der Glasur durch eine auf die Glasur aufge­ brachte hydrophobe Beschichtung zu kompensieren.

Für den Fachmann überraschend sieht die Erfindung nun vor, auf die Glasur des keramischen Formkörpers völlig zu verzich­ ten, und statt dessen als hydrophobe Beschichtung ein Plasma­ polymer direkt auf die Keramik des Formkörpers aufzubringen.

Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, daß nicht nur eine Verringerung der Rauhigkeit, sondern auch eine Erhöhung der Hydrophobie der Oberfläche des Form­ körpers die Verschmutzungsneigung des Isolators erheblich verringern hilft. Es trifft zwar zu, daß eine glatte Oberflä­ che weniger stark verschmutzt als eine rauhe, jedoch vermag eine hohe Hydrophobie der Oberfläche die Verschmutzungsten­ denz einer rauhen Oberfläche zu kompensieren. Gerade bei ei­ nem Einsatz in feuchter Umgebung oder im Freien entstehen nämlich die meisten Ablagerungen auf der Oberfläche beim Ver­ dunsten von niedergeschlagenem Wasser aus gelösten Partikeln. Weist die Oberfläche des keramischen Formkörpers nun eine ho­ he Hydrophobie auf, so bleibt das Wasser gar nicht erst auf der Oberfläche haften, sondern perlt zusammen mit den gelö­ sten Partikeln ab. Dem Ansammeln von Ablagerungen wird entge­ gengewirkt.

Zusätzlich werden staubhaltige Ablagerungen auf einer hydro­ phoben Oberfläche bei einem Einsatz im Freien leicht durch Regen weggewaschen, selbst wenn die Oberfläche rauh ist. Hin­ sichtlich der Verschmutzungsneigung vermag bei dem Einsatz des Isolators unter feuchten Bedingungen oder im Freien dem­ nach die Hydrophobie der Oberfläche des keramischen Formkör­ pers die Rauhigkeit zu kompensieren. Dies gilt natürlich auch dann, wenn der verschmutzte Isolator ohnehin manuell, z. B. mit Wasser, Azeton o. ä. von Fremdschicht-Ablagerungen be­ freit werden muß. Auch bei einem Einsatz in stark salzhalti­ ger Atmosphäre, wie z. B. in Küstennähe, verhilft eine hydro­ phobe Oberfläche des unglasierten Formkörpers dem Isolator zu einem besseren elektrischen Langzeitverhalten als eine gla­ sierte hydrophile Oberfläche.

In einem weiteren Schritt wurde erkannt, daß sich gerade ein Plasmapolymer hervorragend als eine hydrophobe Beschichtung eignet, welche direkt und gut haftend auf die verhältnismäßig rauhe Oberfläche einer unglasierten Keramik aufgebracht wer­ den kann. Dabei bezeichnet der Ausdruck "Plasmapolymer" ein durch Plasmaabscheidung erzeugtes Polymer, welches im Unter­ schied zu einem auf herkömmlich chemischem Wege erzeugten Po­ lymer eine wesentlich höhere Vernetzung der einzelnen Mole­ külgruppen untereinander aufweist, nicht gerichtet, sondern amorph ist, und zudem eine wesentlich höhere Dichte aufweist. Ein Plasmapolymer zeichnet sich beispielsweise gegenüber ei­ nem herkömmlichen Polymer durch eine Verbreiterung der über IR-Spektroskopie gemessenen Infrarot-Schwingungsbanden aus.

Zur Herstellung des Plasmapolymers wird in einem geeigneten Reaktor in einem Arbeitsgas durch Anlegen eines elektrischen Feldes oder durch Einkoppeln von Mikrowellen ein Plasma aus ionisierten Molekülen gezündet. Durch verschiedenste chemi­ sche Reaktionen bildet sich in dem Plasma unter geeigneten Bedingungen an der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats das Plasmapolymer aus. Zur Herstellung eines Plasmapolymers sei auf den Artikel "Advances in Basic and Apply Aspects of Micorwave Plasma Polymerization", M. R. Wertheimer et al. in Thin Solid Films, Nr. 115 (1984), Seiten 109 bis 124, verwie­ sen. Für die Herstellung einer hydrophoben plasmapolymeren Beschichtung auf einem elektrischen Isolator sei insbesondere auf die zeitgleich beim Deutschen Patentamt eingereichte deutsche Patentanmeldung mit dem Titel "Herstellungsverfahren für einen elektrischen Isolator" mit dem internen Aktenzei­ chen GR 98 E 8511 hingewiesen, deren Inhalt auch Bestandteil des vorliegenden Dokuments ist.

Die genauen chemischen Reaktionen, welche zum Abscheiden ei­ nes Plasmapolymers aus dem Plasma im Arbeitsgas führen, sind heute im Detail nicht bekannt. Auch läßt sich ein Plasmapoly­ mer nicht durch Angabe einer genauen chemischen Zusammenset­ zung beschreiben, da sich ein Plasmapolymer gerade durch eine Vielzahl unterschiedlichster, untereinander vernetzter Mole­ küle auszeichnet. Daher wird in der Fachwelt zur Bezeichnung des Plasmapolymers das verwendete Arbeitsgas herangezogen, in welchem das Plasma gezündet wird. Wird beispielsweise als Ar­ beitsgas ein Hexamethyldisiloxan verwendet, so spricht man bei dem daraus entstehenden Plasmapolymer von einem plasmapo­ lymerisierten Hexamethyldisiloxan. Diese in der Fachwelt ge­ läufige Bezeichnung wird in diesem Dokument übernommen. Für die Erfindung ist es irrelevant, ob das Plasmapolymer infolge chemischer Verbindungen fest mit der Oberfläche der Keramik verbunden ist, oder ob es aufgrund einer sehr hohen Vernet­ zung seiner einzelnen Molekülgruppen untereinander derart stabil ist, daß es auf eine chemische Verbindung mit der Ke­ ramik nicht mehr ankommt.

Für das Erzeugen eines hydrophoben Plasmapolymers ist es zweckmäßig, wenn das Plasmapolymer durch Plasmaabscheiden aus einem unpolaren oder unpolaren Gruppen aufweisenden Gas her­ gestellt ist. Es hat sich gezeigt, daß durch Plasmaabscheiden aus dem unpolaren oder unpolare Gruppen aufweisenden Arbeits­ gas ein Plasmapolymer mit einer wenig reaktiven, d. h. ener­ giearmen Oberfläche entsteht. Eine derartige Oberfläche ist in hohem Maße hydrophob, d. h. wasserabweisend.

Günstige Arbeitsgase sind beispielsweise Kohlenwasserstoffe. So eignet sich Methan oder Acetylen.

Eine besonders gute Hydrophobie sowie eine hochgradige Ver­ netzung der einzelnen Molekülgruppen zeichnet ein Plasmapoly­ mer in Form einer plasmapolymerisierten silizium- oder flu­ ororganischen Verbindung aus. Aufgrund der hochgradigen Ver­ netzung ist ein derartiges Plasmapolymer äußerst stabil und gegen Fremdeinwirkungen geschützt. Ein derartiges Plasmapoly­ mer weist eine hohe Härte auf. Aus diesem Grund ist ein der­ artiges Plasmapolymer für die hydrophobe Beschichtung der Oberfläche des keramischen Formkörpers des Isolators von gro­ ßem Vorteil.

Besonders günstig für die Hydrophobie, die Härte und die Güte des Plasmapolymers ist es, wenn das Plasmapolymer ein plasma­ polymerisiertes Hexamethyldisiloxan, ein plasmapolymerisier­ tes Tetraethylorthosilicat, ein plasmapolymerisiertes Vinyl­ trimethylsilan, ein plasmapolymerisiertes Octofluorcyclobutan oder eine Mischung hiervon umfaßt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung eine Dicke zwischen 50 nm und 10 µm auf. Auf diese Weise ist eine harte und dauerhafte Beschichtung der Oberfläche des keramischen Formkörpers gewährleistet. Durch den hohen Vernetzungsgrad der einzelnen Molekülgruppen des Plasmapolymers untereinander wird bei einer solchen Dicke si­ cher gewährleistet, daß Feuchtigkeit nicht das Plasmapolymer durchdringen kann. Selbst kleine Moleküle wie Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxid können durch den Molekülverbund des Plasmapolymers nicht mehr hindurchdringen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Keramik des Formkörpers des Isolators ein Porzellan, d. h. eine Silikat-Keramik. Eine solche Keramik zeichnet sich durch eine hohe mechanische Festigkeit sowohl gegenüber Druck als auch Zug und durch ein hohes elektrisches Isolationsver­ mögen aus. Eine solche Keramik wird daher insbesondere für einen Isolator verwendet, welcher hohen mechanischen Bela­ stungen ausgesetzt ist. Beispielsweise wird eine derartige Keramik für einen Formkörper eines Hochspannungsisolators verwendet, welcher zum Führen und/oder Beabstanden von Frei­ leitungen oder Oberleitungssystemen der Bahn eingesetzt ist. Durch das auf der Oberfläche des keramischen Formkörpers auf­ gebrachte Plasmapolymer wird das Betriebsverhalten des Isola­ tors auch bei Umwelteinflüssen verbessert. In Regionen mit Fremdschichtbelastungen ist ein hydrophob beschichteter Iso­ lator einem glasierten, nicht beschichteten hydrophilen Iso­ lator deutlich überlegen.

Ein Hochspannungsisolator, insbesondere mit einem Formkörper aus einem Porzellan mit einer Beimengung an Aluminiumoxid, mit einer hydrophoben plasmapolymeren Beschichtung der Ober­ fläche des Formkörpers findet überall dort Einsatz, wo bei Fremdschichtbelastungen und feuchten Witterungsbedingungen eine möglichst lange Standzeit gewährleistet sein muß. Auch bei einem Einsatz unter extremen Umwelteinflüssen, wie bei­ spielsweise in Küstenregionen, wo ein hoher Salzgehalt der Umgebungsluft vorliegt, oder in der Nähe von Industriestand­ orten mit Industriestaub und aggressiven Gasen in der Umge­ bungsluft, zeichnet sich ein derartiger Hochspannungsisolator durch eine wesentlich längere, wartungsfreie Lebensdauer hin­ sichtlich seines Isolationsvermögens gegenüber einem herkömm­ lichen Hochspannungsisolator aus. Durch das Plasmapolymer wird zum einen das Abscheiden von gelösten Partikeln aus nie­ dergeschlagenem Wasser verhindert, da das Wasser vor Verdun­ sten abperlt. Zum anderen wird durch das Plasmapolymer auch erreicht, daß der keramische Isolierkörper, welcher der ei­ gentliche Träger der isolierenden Eigenschaften ist, Um­ welteinflüssen standhält. Gerade bei einem Einsatz im Freien wird durch die Hydrophobie zusätzlich erreicht, daß sich Fremdschichten langfristig weniger niedersetzen, da mit jedem Regen der niedergeschlagene Staub durch Regenwasser sicher abgewaschen wird. Der größte Effekt aber liegt darin, daß bei selbst schon verschmutzter Oberfläche des Isolators seine Be­ triebssicherheit weiterbesteht, weil sich infolge der Hydro­ phobie keine leitenden Fremdschichten mit kritischen Ab­ leitströmen ausbilden können.

Die Erfindung bietet den Vorteil, daß bei einem Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik gänzlich auf die bisher notwendige Glasur zur Behandlung der Oberfläche verzichtet werden kann. Die erforderlichen Kosten für die Glasur und zu ihre Aufbringung entfallen. Das Verfahren zur Erzeugung eines Plasmapolymers auf der Oberfläche eines Substrats, insbeson­ dere einer Keramik, ist im wesentlichen bekannt. Bis auf die einmalige Anschaffung eines Plasmareaktors mit den erforder­ lichen sonstigen Bauteilen ist das Erzeugen eines Plasmapoly­ mers ein relativ günstiges Verfahren. Ein Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik mit einem direkt auf der Keramik aufgebrachten Plasmapolymer läßt sich billiger oder zumindest mit gleichen Kosten herstellen wie ein herkömmlicher Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik und einer auf der Ke­ ramik aufgebrachten Glasur. Durch den Ersatz der Glasur durch ein hydrophobes Plasmapolymer wird das Risiko eines Über­ schlags als die letzte Folge der Ausbildung von kritischen Ableitströmen drastisch reduziert. Auch bei Staubablagerungen hat es sich gezeigt, daß gerade bei einem Einsatz des Isola­ tors im Freien durch die Hydrophobie des Plasmapolymers die größere Rauhigkeit der Oberfläche des keramischen Formkörpers kompensiert werden kann. Ein Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik und einem direkt auf der Keramik aufge­ brachten Plasmapolymer zeichnet sich durch ein äußerst gün­ stiges Langzeitverhalten hinsichtlich seines elektrischen Isolationsvermögens aus. Reinigungs- und Wartungszyklen von mit Fremdschicht belasteten und gefährdeten Anlagen können drastisch verlängert werden.

Die Erfindung bietet weiter den Vorteil, daß auf eine spezi­ elle und aufwendige Gestaltung der Geometrie des Formkörpers zur Erhöhung des Kriechweges verzichtet werden kann. Da die hydrophile Glasur durch ein hydrophobes Plasmapolymer ersetzt ist, wird der keramische Isolator gerade bei Umwelteinflüssen sicherer. Auch das Ablagern von Partikeln beim Verdunsten von niedergeschlagenem Wasser wird vermieden.

Die Erfindung erlaubt auch eine deutliche Verringerung der Typenvielfalt hinsichtlich der erforderlichen Geometrien des keramischen Formkörpers. Im Idealfall erlaubt die Erfindung beispielsweise im Falle eines Hochspannungsisolators, diesen im wesentlichen zylindrisch oder stabförmig auszugestalten. Auf diese Weise kann sogar erreicht werden, daß staubförmige Ablagerungen überhaupt keine Möglichkeit für eine Ablagerung mehr finden.

Die Erfindung ermöglicht also Isolatoren mit einem kerami­ schen Formkörper relativ einfacher Geometrie bei gleichzeitig günstigem Langzeitverhalten hinsichtlich des elektrischen Isolationsvermögens. Auf diese Weise werden die Materialko­ sten gegenüber herkömmlichen Isolatoren mit komplizierter Geometrie beim Hersteller erheblich gesenkt. Beim Anwender entfallen heute notwendige Reinigungs- und Wartungsarbeiten oder werden in viel längeren Zeitabständen nötig.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von drei Versuchen sowie anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 in teilweise aufgebrochener Darstellung einen als Hochspannungsisolator ausgebildeten Isolator. Der ke­ ramische Formkörper weist einen im wesentlichen zylin­ drischen Strunk und eine Anzahl von darauf aufgebrach­ ten tellerförmigen Schirmen auf. Die gesamte Oberflä­ che des keramischen Formkörpers ist mit einem Plasma­ polymer belegt,

Fig. 2 in teilweise aufgebrochener Darstellung einen Isolator gemäß Fig. 1, wobei die Anzahl der tellerförmigen Schirme reduziert ist,

Fig. 3 in teilweise aufgebrochener Darstellung einen Isolator gemäß Fig. 1, wobei der keramische Formkörper auf den zylindrischen Strunk reduziert ist, und

Fig. 4 in einem vergrößerten Ausschnitt des Isolators gemäß Fig. 1 das auf der Keramik des Formkörpers aufge­ brachte Plasmapolymer.

Versuch 1

Es wird jeweils ein mit einer Glasur versehener Isolator mit einem Formkörper aus einer Keramik mit einem bezüglich der Form identischen Isolator verglichen, wobei direkt auf der unglasierten Oberfläche der Keramik des Formkörpers ein hy­ drophobes Plasmapolymer aufgebracht ist. Das Plasmapolymer ist dabei durch Plasmazündung in Hexamethyldisiloxan erzeugt. Es handelt sich demnach um ein plasmapolymerisiertes Hexame­ thyldisiloxan. Die Schichtdicke des aufgebrachten Plasmapoly­ mers beträgt 1000 nm.

Bei der Keramik der verglichenen Isolatoren handelt es sich um ein Tonerdeporzellan vom Typ C120 gemäß DIN-EN 60 672. Porzellane oder Keramiken anderer Zusammensetzung machen da­ bei keinen Unterschied. Die Hydrophobie des Plasmapolymers ist gekennzeichnet durch einen Benetzungswinkel von destil­ liertem Wasser von 131°. Der Benetzungswinkel wurde bestimmt gemäß Norm DIN-EN 828.

Das elektrische Isolationsvermögen der Isolatoren wird gemäß einer Regenprüfung nach IEC 60/1 (1989), Gerätevorschrift IEC 383-1 = VDE 0446, Teil 1, Mai, 1997, geprüft. Hierbei werden die Isolatoren jeweils in einem entsprechend geeigneten Raum aufgehängt und mit einem Regen vorgegebener Intensität und einem vorgegebenen Winkel beregnet. Die Überschlagsspannungen werden aus dem Oszillogramm ermittelt. Es werden jeweils fünf Überschlagsversuche durchgeführt.

Versuch 1A)

Es werden Hochspannungsisolatoren mit einer Länge von 50 cm verglichen. Die Formkörper weisen jeweils einen im wesentli­ chen zylindrischen Strunk mit einem Durchmesser von 75 mm so­ wie neun tellerförmige Schirmrippen auf, welche mit einem Schirmabstand von 45 mm jeweils voneinander beabstandet sind. Der Schirmdurchmesser beträgt jeweils 223 mm.

Versuch 1B)

Es werden Hochspannungsisolatoren vom Typ L60/5 gemäß DIN 48 006 mit einem Strunkdurchmesser von 60 mm und fünf gleich be­ abstandete Schirmrippen geprüft. Die Form der Anschlußkappen spielt dabei keine Rolle. Dieser Typ wird oft als Bahnisola­ tor eingesetzt.

Ergebnis

Das Isolationsvermögen der Isolatoren mit Glasur unterschei­ det sich nicht von dem Isolationsvermögen der Isolatoren ohne Glasur mit direkt auf der Keramik aufgebrachtem Plasmapoly­ mer. Dies bedeutet, daß der unglasierte Isolator mit hydro­ phober, plasmapolymerer Beschichtung in seinen Eigenschaften einem gemäß Stand der Technik hergestellten Isolator mit gla­ sierter Keramik in nichts nachsteht. Innerhalb der gemessenen Werte ist die Streuung sehr gering.

Versuch 2

Zur Beurteilung des Fremdschichtverhaltens werden gemäß Ver­ such 1A ausgebildete Hochspannungsisolatoren mit einer direkt auf der Keramik des Formkörpers aufgebrachten plasmapolymeren Beschichtung einem 1000-stündigen Salzsprühtest in Anlehnung an IEC-1109 für Kunststoffisolatoren oder Kunststoff-be­ schichtete Isolatoren unterzogen.

Ergebnis

Auch nach dem 1000-stündigen Einsatz in einem Salznebel weist der Hochspannungsisolator ohne Glasur noch dieselben Eigen­ schaften wie zu Beginn des Versuches auf. Dies belegt die Dauerhaftigkeit und die Beständigkeit der Hydrophobie des Plasmapolymers.

Versuch 3

Es wird ein gemäß Versuch 1B ausgebildeter Hochspannungsiso­ latoren mit Glasur (Isolator G) und ein gemäß Versuch 1B aus­ gebildeter unglasierter Hochspannungsisolator mit einem di­ rekt auf der Keramik des Formkörpers aufgebrachten hydropho­ ben Plasmapolymer (Isolator P) einer Salznebelprüfung in An­ lehnung an IEC 507 (1991) und VDE 0448, Teil 1, 1994, unterzo­ gen. Die Ergebnisse werden verglichen.

Zur Vorbereitung werden die Hochspannungsisolatoren mit Tri­ natriumphosphat gewaschen. Anschließend werden die Hochspan­ nungsisolatoren gemäß IEC 507 (1991) vorkonditioniert. Die vorkonditionierten Hochspannungsisolatoren werden einer Steh­ prüfung bei jeweils vorgegebenen Salzmassenkonzentrationen in Luft unterzogen. Jede Prüfung dauert mindestens eine Stunde, vorausgesetzt, es findet vorher kein Überschlag statt. Es wird bei einer Prüfspannung von 15 kV (Wechselspannung) je­ weils die maximale Stehsalzmassenkonzentration gemäß IEC 507 (1991), Seite 19, ermittelt, d. h. die höchste Salzmassen­ konzentration, bei welcher der untersuchte Hochspannungsiso­ lator bei drei Versuchen maximal einen Überschlag innerhalb der einstündigen Versuchsdauer zeigt.

Ergebnis

Das Ergebnis der Salznebelprüfung ist in Tabelle 1 zusammen­ gefaßt.

Tabelle 1

Man erkennt deutlich, daß dem unglasierten Hochspannungsiso­ lator mit plasmapolymerer Beschichtung (Isolator P) eine Stehsalzmassenkonzentration von 40 kg/m³ und dem glasierten Hochspannungsisolator (Isolator G) eine Stehsalzmassenkonzen­ tration von 28 kg/m³ zuzuordnen ist. In drei aufeinanderfol­ genden Versuchen mit der Salzmassenkonzentration von 40 kg/m³ (Isolator P) bzw. 28 kg/m³ (Isolator G) erfolgte jeweils le­ diglich ein Überschlag bei einer jeweiligen Versuchsdauer von einer Stunde. Bei der jeweils höheren Salzmassenkonzentration von 56 kg/m³ (Isolator P) bzw. 40 kg/m³ (Isolator G) erfolg­ ten bei zwei aufeinanderfolgenden Versuchen jeweils innerhalb der Versuchsdauer von einer Stunde Überschläge.

Die ermittelte Stehsalzmassenkonzentration ist damit für den unglasierten, mit einem Plasmapolymer beschichteten Hochspan­ nungsisolator höher als für den glasierten Hochspannungsiso­ lator gemäß Stand der Technik.

Da gemäß IEC 507 (1991), Tabelle B1, für den untersuchten Iso­ latortyp eine Stehsalzmassenkonzentration von 28 kg/m³ und eine Stehsalzmassenkonzentration von 40 kg/m³ innerhalb des Toleranzbereiches einer einzelnen Salzstufe liegen, sind die erzielten Ergebnisse zumindest als gleichwertig zu betrach­ ten. Der unglasierte, mit einem hydrophoben Plasmapolymer be­ schichtete Hochspannungsisolator steht also in seinem elek­ trischen Verhalten dem glasierten Hochspannungsisolator in nichts nach.

Das Weglassen der Glasur und deren Ersatz durch ein hydropho­ bes Plasmapolymer liefert also für einen Hochspannungsisola­ tor mit einem keramischen Formkörper keine unterschiedlichen Ergebnisse im Vergleich zu einem glasierten Hochspannungsiso­ lator desselben Typs. Die hydrophobe plasmapolymere Oberflä­ che des unglasierten Hochspannungsisolators zeigt das gleiche Fremdschichtverhalten wie die Oberfläche des glasierten Hoch­ spannungsisolators.

Im folgenden nun zu den Figuren:

In Fig. 1 ist ein als Hochspannungsisolator ausgebildeter Isolator 1 in teilweise aufgebrochener Darstellung gezeigt. Der Isolator 1 weist einen Formkörper 2 aus einer Keramik K, sowie Anschlußkappen 4 zum Anschluß und/oder zur Führung von stromführenden Leitungen auf. Der Formkörper 2 ist als ein im wesentlichen zylindrischer Strunk 5 mit einer Anzahl von dar­ auf aufgebrachten tellerförmigen Rippen 6 ausgebildet. An­ stelle einer üblichen Glasur auf der Oberfläche der Keramik K des Formkörpers 2 ist ein Plasmapolymer P aufgebracht. Das Plasmapolymer P ist durch Plasmaabscheidung aus einem unpola­ ren oder unpolare Gruppen aufweisenden Gas erzeugt und stark hydrophob. Als Gase eignen sich insbesondere silizium- oder fluororganische Verbindungen und insbesondere Hexamethyldisi­ loxan. Der Benetzungswinkel von entionisiertem Wasser liegt zwischen 90 und 140°.

In Fig. 2 ist ebenfalls in teilweise aufgebrochener Darstel­ lung ein als Hochspannungsisolator ausgebildeter Isolator 7 gezeigt. Gegenüber dem Isolator 1 gemäß Fig. 1 ist die An­ zahl der Rippen 6 des Formkörpers 2 aus Keramik K reduziert. Die Länge der Isolatoren 7 und 1 ist hierbei identisch. Es sind jedoch lediglich zwei Rippen 6 vorhanden.

In Fig. 3 ist ein als Hochspannungsisolator ausgebildeter Isolator 10 gezeigt, wobei gegenüber den Isolatoren 1 und 7 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 der Formkörper 2 aus Keramik K auf den Strunk 5 reduziert ist. Schirme zur Erhöhung der Kriech­ strecke eines Ableitstromes zwischen den beiden Anschlußkap­ pen 4 sind nicht vorgesehen. Da horizontale Flächen fehlen, ist der Isolator 10 zusätzlich gegen Staubablagerungen ge­ schützt. Gegenüber den Isolatoren 1 und 7 ist der Isolator 10 wesentlich günstiger herzustellen, da das keramische Material K der Schirme 6 eingespart wird. Die Herstellungskosten für den Isolator 10 sind zudem wesentlich niedriger als für die Isolatoren 1 und 7, da die aufwendige Formgebung für die Schirme 6 entfällt. Das teure Abdrehen der Schirme 6 aus dem noch ungebrannten, weichen Formkörper 2 entfällt.

Fig. 4 zeigt vergrößert Ausschnitt IV aus Fig. 1. Deutlich ist das direkt auf der Oberfläche der Keramik K des Formkör­ pers aufgebrachte Plasmapolymer P zu erkennen. Das gezeigte Plasmapolymer P ist ein plasmapolymerisiertes Hexamethyldisi­ loxan. Man erkennt den hohen Vernetzungsgrad der einzelnen Molekülgruppen untereinander. Die Vernetzung wird in diesem Plasmapolymer P hauptsächlich über Sauerstoffbrücken er­ reicht. Die Bindung des Plasmapolymers P an die Keramik K ge­ schieht über Hydroxyl-Verbindungen. Infolge der unpolaren CH₃-Gruppen des Hexamethyldisiloxans weist die Oberfläche des plasmapolymerisierten Hexamethyldisiloxans eine niedrige Energie auf und ist damit hochgradig hydrophob. Durch die Sauerstoffbindungen der einzelnen Siliziumatome weist das Plasmapolymer P eine hohe Härte auf. Durch die hohe Vernet­ zung weist das Plasmapolymer P des weiteren eine hohe Struk­ turdichte auf, so daß damit das Hindurchdiffundieren von Mo­ lekülen wie Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxid verhin­ dert ist. Die Keramik K ist durch das Plasmapolymer P vor Um­ welteinflüssen geschützt. Gerichtete Strukturen wie in einem herkömmlichen Polymer sind nicht zu erkennen. Vielmehr han­ delt es sich um eine amorphe Struktur.

Claims (7)

1. Isolator (1, 7, 10) mit einem Formkörper (2) aus Keramik (K) und einer auf der Oberfläche des Formkörpers (2) aufgebrach­ ten hydrophoben Beschichtung (3), dadurch gekennzeichnet, daß als hy­ drophobe Beschichtung (3) ein Plasmapolymer (P) direkt auf der Keramik (K) aufgebracht ist.

2. Isolator (1, 7, 10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plas­ mapolymer (P) durch Plasmaabscheiden aus einem unpolaren oder unpolare Gruppen aufweisenden Gas hergestellt ist.

3. Isolator (1, 7, 10) nach Anspruch 1 oder 2, daß das Plasmapolymer (P) eine plasmapolymerisierte silizum- und/oder fluororganische Verbindung ist.

4. Isolator (1, 7, 10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plas­ mapolymer (P) ein plasmapolymerisiertes Hexamethyldisiloxan, ein plasmapolymerisiertes Tetraethylorthosilicat, ein plasma­ polymerisiertes Vinyltrimethylsilan, ein plasmapolymerisier­ tes Octofluorcyclobutan oder eine Mischung hiervon umfaßt.

5. Isolator (1, 7, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ schichtung eine Dicke zwischen 50 nm und 10 µm aufweist.

6. Isolator (1, 7, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kera­ mik ein Porzellan ist.

7. Isolator (1, 7, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als ein Hochspannungsisolator ausgebildet ist.