DE3889487T2

DE3889487T2 - Elektrischer Isolator und Verfahren zu dessen Herstellung.

Info

Publication number: DE3889487T2
Application number: DE3889487T
Authority: DE
Inventors: Massimo Alfieri; Zelindo Lodi; Gianfranco Trevisan
Original assignee: Societe Europeenne dIsolateurs en Verre et Composite SEDIVER SA
Current assignee: Societe Europeenne dIsolateurs en Verre et Composite SEDIVER SA
Priority date: 1987-03-19
Filing date: 1988-03-15
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2008-03-16
Also published as: IT8719753A0; ATE105648T1; IT1236576B; JPS64619A; EP0284274B1; US4958049A; CA1312934C; AR241732A1; BR8801172A; JP2669528B2; EP0284274A1; DE3889487D1; ES2052705T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Isolator und auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Beispielsweise aus dem italienischen Patent 1,114,909 ist es bekannt, daß in Verbundisolatoren mit einer rippenförmigen Hülle aus organischem Material die mechanische Haltefunktion einem zentralen zylindrischen Bauteil aus glasfaserverstärktem Harz überlassen wird.
Ein solches Bauteil wird im allgemeinen als ein zylindrischer Vollstab (entweder kontinuierlich oder abschnittsweise) durch ein Strangziehverfahren oder durch Schichtstapeln von Fiberglas-Geweben und nachfolgendes maschinelles Bearbeiten hergestellt.
Eine andere geometrische Form des Produkts ist die eines hohlzylindrischen Körpers, der hergestellt wird, indem eine kontinuierliche, mit einem wärmehärtbaren Harz imprägnierte Faser aufgewickelt wird, wobei dies im allgemeinen gemäß einem Spiralmuster erfolgt.
Eine der kritischen Punkte solcher Verbundisolatoren wird von den Anschlüssen gebildet, d.h. der Verbindung mit der Endarmatur, die die Kräfte von den Isolatoren in Richtung sowohl auf die Trägerelemente als auch auf die elektrischen Leiter übertragen sollen. Die Herstellung dieser Verbindungen hängt ab
- von der geometrischen Form des Endes des Elements aus glasfaserverstärktem Harz,
- von der geometrischen Form der Metallarmatur, die an dieses Element gekoppelt werden soll,
- von dem für die Verbindung des obigen ersten Elements mit dem obigen zweiten Element verwendeten Verfahren und
- von der verwendeten Technologie für die praktische Herstellung dieser Verbindung.
Die am weitesten verbreiteten und bekannten Verbindungen für Verbundisolatoren werden gemäß der wesentlichen Geometrien der Enden der Gegenstände und der Befestigungsverfahren unterteilt. Daher gibt es Verbindungen mit zylindrischen Enden, mit konischen Enden oder mit auf einen Metallkern gewikkelten Enden, der die Aufgabe des Endelements erfüllt.
Für die Verbindung erster Art werden die zylindrischen Vollstäbe wie oben beschrieben verwendet.
Die Verbindung wird durch radiale Kompressionskraft hergestellt gemäß dem folgenden Verfahren:
- Plastische Verformung eines zylindrischen und hohlen Metallendteils, in das das Ende des Stabs eingeführt ist, gemäß der Kompressionstechnik, die in dem US-Patent Nº 3,898,372 beschrieben ist;
- Anwendung von einem Harzkonus auf das Ende des Stabs und dessen Einfügung in metallische Endteile mit entgegengesetzter Konizität (Prinzip des Morsekonus), wie dies in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-102, Nº 9, September 1983, Seite 3,123 beschrieben ist.
Gemäß diesem Verfahren stehen dem Rutschen des Konus auf den Stab teilweise Klebekräfte entgegen und insbesondere eine Vorspannung, die starke radiale Kraftkomponenten erzeugt.
Bei einem alternativen Verfahren kann der Harzkonus durch konische Metallbacken ersetzt werden.
Die Nachteile dieser Verbindung erster Art beruhen hauptsächlich auf der Schwierigkeit, die radiale Kompressionskraft ausreichend zu bemessen, um eine axiale Komponente zu liefern, die der vorgegebenen Drehungskraft des Isolators zumindest gleicht, aber nicht so groß ist, um die Festigkeit am Ende des Stabs in Gefahr zu bringen, wobei zu berücksichtigen ist, daß es sich hier um eine Dauerkraft handelt, die während der ganzen Lebensdauer des Isolators vorliegen soll.
Für die Verbindung zweiter Art, bei der der Gegenstand konische Enden hat, sind diese Enden mit metallischen Endarmaturen entgegengesetzter Konizität gekoppelt, im allgemeinen unter Einfügung eines Füllmaterials (Harz oder Zement), das Kräfte übertragen kann. Diese Technik ist seit langem bekannt und wurde in Kappenisolatoren und Stabisolatoren aus Keramik und Glas erprobt.
Der Hauptunterschied zwischen den verschiedenen Lösungen beruht auf der Technologie, die für die Formung des Endkonus verwendet wird, der in jedem Fall an seiner äußeren Oberfläche das harzimprägnierte Fiberglas aufweist.
Der Endkonus kann entweder durch spanende Bearbeitung eines zylindrischen Stabs oder durch Einwirken auf die Stabenden während der Polymerisierung des Harzes geformt werden, wobei folgende Geometrien entstehen:
- eingezogenes Ende (der Durchmesser beim kleinsten Querschnitt des Konus ist kleiner als der Durchmesser des Stabs),
- Gewinde,
- Konus mit elliptischem Querschnitt, der durch Quetschen des zylindrischen Rohrs entsteht,
- keilförmige Enden, die durch Einschlagen eines Konus mit kleinem Winkel in das Zentrum des stirnseitigen Endes des zylindrischen Stabs entstehen.
Die Nachteile dieser zweiten Kopplungsart liegen in der verwendeten Technologie zur Ausbildung des Konus, die entweder die Entfernung von Fiberglas im Fall einer spanenden Bearbeitung oder die Verformung während der Polymerisierung erfordert, wodurch die Verbindung in allen Fällen unvermeidlich geschwächt wird und einen Schwachpunkt des Isolators bildet.
Die Druckschrift CH-A-576 690 beschreibt einen Isolator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Druckschrift DE-A-2 046 774 beschreibt einen glasfaserverstärkten Isolator. Die Druckschrift SU-1148-050-A beschreibt die Formung eines Glasfaserzylinders für einen Trennschalter mit Lufteinblasung.
Die dritte Art einer Verbindung, d.h. der Verbindungstyp, bei dem das Fiberglas auf eine metallische Endarmatur gewickelt wird, die eine Schulter trägt, ist im französischen Patent 1 390 405 und der französischen Patentanmeldung 73/30,900 hinsichtlich Leitungsisolatoren offenbart.
Gemäß diesen Patenten wird ein Isolierrohr, das mit einem expandierenden Isoliermaterial gefüllt ist, in zwei metallische Endarmaturen eingefügt, die eine Schulter einer geeigneten Form aufweisen.
Die mit Harz imprägnierten Glasfasern werden in einem Spiralmuster mit einem geeigneten Steigungswinkel sowohl auf das Rohr als auch auf die äußeren Oberflächen der beiden metallischen Endarmaturen gewickelt, so daß diese dauerhaft miteinander verbunden werden. Die ganze Struktur wird dann mit einem rippenförmigen Isoliermaterial umhüllt.
Die Hauptnachteile einer derartigen Verbindung sind folgende:
- größerer Durchmesser bei gleicher Festigkeit und damit höhere Kosten und größere Außenabmessungen der Rippenumhüllung, da weder das Rohr noch seine Füllung Längskräfte übertragen,
- Gefahr von Teilentladungen mit der Folge, daß die Isolierung beschädigt wird, und zwar aufgrund des starken elektrischen Feldgradienten, der von den in den Isolator eingefügten Metallteilen verursacht wird, und aufgrund des möglichen Vorliegens von Lufteinschlüssen in der Füllung des Rohrs,
- und geringer Schutz gegen das Eindringen von Staub in Höhe und entlang der Oberfläche der Metallteile, die unter anderem elektrisch nur durch den Zylinder aus Füllmaterial voneinander getrennt sind.
Die vorliegende Erfindung sieht einen elektrischen Isolator vor, mit einer Trägerstruktur und einer Hülle und mit Verbindungen, um den Isolator mit Tragelementen und mit elektrischen Leitern zu verbinden, wobei die Trägerstruktur aus glasfaserverstärktem Harz besteht und einen zentralen zylindrischen Bereich (A) sowie Enden (B) in Form von Körpern mit axialer Drehsymmetrie und mit größeren Durchmessern als dem Durchmesser des zentralen zylindrischen Bereichs (A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Enden (B) stetig in den des zentralen zylindrischen Bereichs (A) übergeht, daß der zentrale zylindrische Bereich (A) und die Enden (B) kreuzweise übereinanderliegende Schichten aus Glasfasern (2) aufweisen, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind und um ein zylindrisches Element (1) mit einem Spiralwicklungswinkel kleiner als 90º gewickelt sind, und daß die kreuzweise übereinanderliegenden Schichten aus Glasfasern (2) in der Nähe der Endbereiche des zylindrischen Elements mit weiteren Glasfaserschichten (3) abwechseln, die mit einem größeren Wicklungswinkel als dem vorhergenannten Wicklungswinkel gewickelt sind.
Mit dem Begriff Wicklungswinkel der Spiralwicklung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet ist, wird der spitze Winkel verstanden, der sich zwischen Projektionen der Wicklung und einer Längsachse des Körpers auf eine gemeinsame Längsebene ergibt.
In der Trägerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung können die Enden mit einer axialen Drehsymmetrie aus mehreren kreuzweise übereinandergeschichteten Lagen von Glasfasern bestehen, die in der Nähe der Endbereiche des zylindrischen Elements mit weiteren Lagen aus Glasfasern abwechseln, die mit einem größeren Wicklungswinkel als dem der Spiralwicklung aufgebracht sind.
Alternativ können die Enden aus kreuzweise übereinandergelegten Schichten von Glasfasern bestehen, die um ein zylindrisches Element gewickelt sind, welches von einem Zylinder aus isolierendem Material gebildet wird, wobei der Endbereich dieses Zylinders bereits als Vollkörper mit axial drehsymmetrischer Symmetrie und einem Durchmesser größer als dem des Zylinders geformt worden sind.
Ein Verfahren zur Herstellung des elektrischen Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung, der eine Trägerstruktur besitzt, enthält:
(a) um ein zylindrisches Element wird mindestens eine kontinuierliche Glasfaser, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, mit einem spiralförmigen Wicklungswinkel kleiner als 90º herumgewickelt;
(b) in der Nähe der Endbereiche des zylindrischen Elements werden abwechselnd und über die Spiralwicklungen weitere Wicklungen mit einem größeren Wicklungswinkel als im vorhergehenden Verfahrensschritt (a) aufgebracht, und
(c) das imprägnierende Harz wird polymerisiert und gehärtet.
Die Enden der Trägerstruktur für einen elektrischen Isolator gemäß der Erfindung sind vorzugsweise kegelstumpfförmig und können erhalten werden, indem in Höhe der Endabschnitte des zylindrischen Elements abwechselnd mit den kreuzweise übereinandergelegten Schichten aus Glasfasern weitere Schichten aus Glasfasern vorgesehen werden, die mit einem angenähert rechten Winkel gewickelt sind und in Längsrichtung immer kürzer werden, indem sie immer näher bei den Endquerschnitten beginnen, so daß der Wicklungsdurchmesser stufenweise und graduell zunimmt.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Trägerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung enthält folgende Schritte:
a) mindestens eine kontinuierliche Glasfaser, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, wird mit einem Wicklungswinkel kleiner als 90º um ein zylindrisches Element gewickelt, dessen Ende bereits als Vollkörper mit einer axial drehsymmetrischen Oberfläche geformt wurde und dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des zylindrischen Elements ist, b) dann polymerisiert man und härtet das Imprägnierharz.
Das zylindrische Element, um das die Spiralwicklung der kontinuierlichen Faser gewickelt wird, besteht vorzugsweise aus einem Bündel paralleler Glasfasern, das mit Harz imprägniert ist.
Dieses Bündel, dessen Dicke einige Millimeter beträgt, wie z.B. bis zu 10 mm, kann durch Verwendung derselben Faser wie für die Wickelfaser erhalten werden.
Alternativ kann das zylindrische Element aus einem Vollzylinderstab mit einigen Millimetern Durchmesser bestehen, der beispielsweise durch Strangziehen erhalten wurde, oder aus einem Hohlzylinder, der mit einem Isoliermaterial zu füllen ist. Solche Zylinder können im Endprodukt eingefügt verbleiben, sofern sie eine gute mechanische Belastbarkeit, optimale elektrische Eigenschaften, physikalische Eigenschaften ähnlich denen des gewickelten Gegenstands und eine ausreichende Elastizität besitzen, um dessen Verformungen nachgeben zu können.
Als zweite Alternative kann die Windung auf starre Stäbe, auch aus Metall, gewickelt werden, die dann am Ende des gleichen Windungsvorgangs entfernt werden. Der so geformte Hohlkörper kann dann mit Isoliermaterial gefüllt werden oder bleibt leer, wenn die Verwendung der Struktur als hohler Isolator in Betracht kommt.
Der Wickelwinkel wird abhängig von den Belastungen gewählt, denen die Trägerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindungen widerstehen muß. Bevorzugt wird ein Winkel im Bereich von 1 bis 60º und noch günstiger von 5 bis 30º gewählt, um dem Gegenstand eine axiale Dehnfestigkeit in derselben Größenordnung wie die eines stranggezogenen Stabs aus parallelen Fasern mit gleichem Durchmesser zu verleihen, wobei zugleich eine Festigkeit gegen eine Radialkomponente in dem Gegenstand erhalten wird.
Eine solche radiale Festigkeit ist sehr nützlich, wenn andere als reine Dehnungskräfte auftreten, wie z.B. Kräfte aufgrund von Windschwingungen, von plötzlichen Lastabwürfen, unsymmetrischen Belastungen usw.
Die Glasfaser zur Vorbereitung der Trägerstruktur für erfindungsgemäße Isolatoren hat eine Stärke von vorzugsweise im Bereich von 600 bis 4800 tex und ist vorzugsweise mit zykloaliphatischen Epoxyharzen imprägniert, wie z.B. Epoxyharzen auf der Basis von Diphenylolpropan und Epichlorhydrin.
Weitere Beispiele von wärmehärtenden Harzen, die verwendet werden können, sind Vinylesterharze, ungesättigte Polyesterharze, Polyurethanharze usw.
Glasfasern werden bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Trägerstrukturen bevorzugt, da neben den wohlbekannten und hervorragenden dielektrischen, chemischen und physikalischen Eigenschaften dieses Material dem Verbund die optimale Elastizität verleiht.
Die Wahl von Glasfasern zur Herstellung der erfindungsgemäßen Trägerstruktur sollte jedoch nicht begrenzend zu verstehen sein, sofern Fasern aus anderem Material verwendet werden, deren Eigenschaften denen von Glas ähneln. Beispiele für solche Materialien sind aramidische Polymere, wie sie beispielsweise für die Herstellung von Kevlarfasern verwendet werden.
Die Trägerstruktur für erfindungsgemäße elektrische Isolatoren besitzt vorzugsweise Enden in Form eines Kegelstumpfes, die zum Zusammenbau mit Metallteilen entgegengesetzter Konizität unter Zwischenfügung eines Klebematerials geeignet sind, gemäß auf dem Gebiet der Isolatoren bekannten Techniken, ohne daß die Nachteile aufgrund solcher Verfahren zur Bildung eines Konus auftreten, die oben beschrieben wurden. Die äußere Oberfläche des konischen Endes ist nämlich vollständig mit kreuzweise gewickelten Schichten von Glasfasern bedeckt, d.h. ohne Störung der Kontinuität und mit einer geometrischen Genauigkeit und einer gleichmäßigen Spannung, wird dann sorgfältig mit Harz imprägniert und in einer Heizeinrichtung polymerisiert und wärmebehandelt, so daß Unterbrechungen des Prozesses, erzwungene Verformungen oder Faserrisse vermieden werden, wie sie bei anderen Verfahren auftreten.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung betrifft die Enden des Gegenstands und die Möglichkeit, diese Enden genau an den Radius des zylindrischen Abschnitts anzupassen, so daß Verringerungen der Festigkeit aufgrund plötzlicher Querschnittsveränderungen vermieden werden, wie sie für andere strukturelle Lösungen typisch sind.
Aus denselben Gründen der Gleichmäßigkeit in der Herstellung weist der zylindrische Teil erhebliche Vorteile im Vergleich zu Lösungen mit stranggezogenen Stäben auf, abgesehen vom Vorteil der Festigkeit gegenüber auch mit anderen als axialen Dehnungskräften. In stranggezogenen Stäben ergeben sich Schwächungen oft aufgrund einer ungleichmäßigen Zugkraft der Glasfasern, die alle zusammen parallel zum Extruder gezogen werden. Eine ungleichmäßige Zusammenarbeit und Verteilung von Kräften zwischen den Fasern kann daraus resultieren, wodurch die Festigkeit in Dehnrichtung abnimmt.
Gegenstände, die aus glasfaserverstärktem Harz gemäß der Erfindung hergestellt wurden, können, wie sie sind, als mechanischer Träger für jede Art Verbundisolator in Umspannstationen verwendet werden, aber auch für elektrische Freileitungen, und mit beliebigen geeigneten äußeren Hüllen. Ihre Durchmesser können zwischen 10 und 800 mm und ihre Länge zwischen 100 und 6000 mm betragen.
Sie können außerdem mit beliebigen Spannungswerten, selbst größer als 300 kV, für Gleichstrom oder Wechselströme, für geschlossene Räume und Freianlagen verwendet werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert, die einen Längsschnitt und eine Ansicht einer Trägerstruktur für elektrische Isolatoren gemäß der Erfindung zeigt.
In der Zeichnung enthält die Trägerstruktur einen zylindrischen zentralen Körper A und Enden B.
Der zylindrische zentrale Körper A enthält seinerseits ein zylindrisches Element 1, bestehend aus einem Bündel von Fasern und darüber kreuzweise angeordnete Schichten 2, die durch Aufwickeln der Faser gemäß einem Spiralmuster um das oben beschriebene zylindrische Element 1 herum erhalten werden.
Die Enden B, deren Radius an den des zentralen Körpers ohne Kontinuitätsbruch angepaßt ist, enthalten das zylindrische Element 1, die Schichten 2 und weitere Schichten 3, die durch Glasfaserwicklungen von nahezu rechtem Wicklungswinkel in Höhe der Endbereiche des zylindrischen Elements 1 gebildet werden.

Claims

1. Elektrischer Isolator mit einer Trägerstruktur und einer Hülle und mit Verbindungen, um den Isolator mit Tragelementen und mit elektrischen Leitern zu verbinden, wobei die Trägerstruktur aus glasfaserverstärktem Harz besteht und einen zentralen zylindrischen Bereich (A) sowie Enden (B) in Form von Körpern mit axialer Drehsymmetrie und mit größeren Durchmessern als dem Durchmesser des zentralen zylindrischen Bereichs (A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Enden (B) stetig in den des zentralen zylindrischen Bereichs (A) übergeht, daß der zentrale zylindrische Bereich (A) und die Enden (B) kreuzweise übereinanderliegende Schichten aus Glasfasern (2) aufweisen, die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert sind und um ein zylindrisches Element (1) mit einem Spiralwicklungswinkel kleiner als 90º gewickelt sind, und daß die kreuzweise übereinanderliegenden Schichten aus Glasfasern (2) in der Nähe der Endbereiche des zylindrischen Elements mit weiteren Glasfaserschichten (3) abwechseln, die mit einem größeren Wicklungswinkel als dem vorhergenannten Wicklungswinkel gewickelt sind.

2. Elektrischer Isolator nach Anspruch 1, in dem die Trägerstruktur einen Durchmesser zwischen 10 und 80 mm und eine Länge zwischen 100 und 600 mm besitzt.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einer Trägerstruktur für den Isolator folgende Verfahrensschritte enthält:

um ein zylindrisches Element (1) wird mindestens eine kontinuierliche Glasfaser (2), die mit einem wärmehärtenden Harz imprägniert ist, mit einem spiralförmigen Wicklungswinkel kleiner als 90º herumgewickelt;

(b) in der Nähe der Endbereiche (B) des zylindrischen Elements werden abwechselnd und über die Spiralwicklungen weitere Wicklungen (3) mit einem größeren Wicklungswinkel als im vorhergehenden Verfahrensschritt (a) aufgebracht, und

(c) das imprägnierende Harz wird polymerisiert und gehärtet.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Trägerstruktur vorzugsweise kegelstumpfförmig sind und dadurch erhalten werden, daß abwechselnd in Höhe der Endbereiche des zylindrischen Elements auf die übereinandergelegten und gekreuzten Schichten von Glasfasern (2) weitere Faserschichten (3) aufgebracht werden, die mit einem Wicklungswinkel von etwa 90º aufgebracht werden, in Längsrichtung immer kürzer werden und immer näher bei den Endquerschnitten beginnen, so daß der Durchmesser der Wicklung schrittweise und graduell zunimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Element (1) ein Bündel paralleler Glasfasern enthält, die mit einem Harz imprägniert sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserbündel aus denselben Fasern wie die Wicklung besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Element (1) Vollstabzylinder enthält oder Hohlzylinder, die mit einem isolierenden Material gefüllt werden können.

8. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Element (1) steife Stäbe enthält, die nach dem Wickeln entfernt werden können.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Wicklungswinkel zwischen 1º und 60º gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der spiralförmige Wicklungswinkel im Bereich zwischen 5º und 30º liegt.