DE4421343A1 - Hochspannungsisolator aus Keramik - Google Patents
Hochspannungsisolator aus KeramikInfo
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Description
Hochspannungsisolatoren aus keramischen Werkstoffen finden Verwendung
hauptsächlich in Freiluftschaltanlagen und Freileitungen. Sie bestehen aus einem
langestreckten Isolierkörper, der mit Schirmen ausgestattet ist, für die
Ausbildung eines Kriechweges, der den atmosphärischen Bedingungen angepaßt
ist. Die Schirme sind am Isolatorstrunk an geformt, dessen Dicke durch die
mechanischen Anforderungen bestimmt ist. An den Enden des Isolierkörpers
bzw. des Isolatorstrunkes befinden sich Metallkappen, über die die
Kraftübertragung vom Isolatorstrunk zu weiterführenden Bauteilen erfolgt.
Hochspannungsisolatoren sind meistens rotationssymmetrisch ausgeführt, die
Isolatorkappen umgeben konzentrisch die Enden des Isolatorstrunks. Für die
Größe der mechanischen Belastbarkeit ist nicht nur der Strunkdurchmesser des
Isolators entscheidend, sondern auch die Gestaltung der Strunkenden, die Art
der Befestigung der Metallkappen am Strunk und die Gestaltung und der
Werkstoff der Metallkappen sowie die Art der mechanischen Beanspruchungen,
die prinzipiell Zugkräfte, Druckkräfte, Biegekräfte und Torsionskräfte oder
Kombinationen dieser Kräfte sein können. Die Konstruktionen der Metallkappen
richten sich daher nach der jeweils vorherrschenden Beanspruchungsart.
Bei den bekannten Hochspannungsisolatoren - voll oder hohl ausgeführt -
werden die Metallkappen auf das zu amierende Isolatorende gestülpt und der
Spalt zwischen Isolatorstrunk und Metallkappe mit einem aushärtenden
Kittmaterial gefüllt, wie verschiedene Zementsorten, Blei oder Gießharz. Dabei
sind die Isolatorkörperenden unterschiedlich gestaltet. So sind die Enden von
zugbeanspruchten Langstabilisatoren (Hängeisolatoren) konisch und glasiert
ausgebildet und häufig mit einem Bleiverguß in der Metallkappe befestigt. Bei
auf Biegung und/oder Torsion beanspruchten Stützisolatoren werden die
Isolierkörper meistens mit zylindrischen Enden versehen. Dabei können die
Enden in verschiedener Weise rauh gestaltet sein, z. B. geriffelt, gesplittet oder
gewellt. Als Kittwerkstoff wird hauptsächlich Portlandzement verwendet. Die
Biegefestigkeit von Stützisolatoren ist stark vom Verhältnis von Kittiefe zu
Isolatorstrunkdurchmesser abhängig. Metallkappen für Hänge- und
Stützisolatoren bestehen meistens aus verzinktem Gußeisen, weil bei diesen
Isolatoren keine großen Genauigkeiten bei den äußeren Abmessungen verlangt
werden. Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit der äußeren Abmessungen
der Isolatoren bestehen die Metallkappen meistens aus Aluminiumlegierungen,
die maschinell genauestens bearbeitet werden müssen und nach der
maschinellen Bearbeitung keinen zusätzlichen Korrosionsschutz mehr benötigen.
Um die notwendige Präzision der Isolatorenabmessungen während des Kittens
der Kappen zu erreichen, muß ein entspannender Aufwand für die Positionierung
der Kappen erbracht werden.
Nach der DE-36 43 651 A1 ist bekannt, die Metallkappen auf die Enden von
Keramik-Kugelkopfisolatoren aufzuschrumpfen. Danach werden die
Komponenten gemeinsam aufgeheizt, gefügt und gemeinsam abgekühlt, damit
das keramische Werkstück keinen Schaden nimmt. Diese Art der Fügetechnik ist
für Isolatoren sehr aufwendig, da insbesondere Hohlisolatoren Abmessungen im
Meterbereich aufweisen können. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen
Hochspannungsisolator aus keramischem Werkstoff zu schaffen, der präzise
Abmessungen aufweist und sie auch beibehält, einfach und schnell zu amieren
ist und bei dem keine chemischen Reaktionen zwischen den
Werkstoffkomponeten auftreten. Ferner soll die mechanische Festigkeit des
Isolatorwerkstoffs bei möglichst kleiner Einspannlänge der Isolatorenden in die
Metallkappen voll ausgenutzt werden.
Die Aufgabe wird durch einen rotationssymmetrischen Hochspannungsisolator
aus einem keramischen Werkstoff mit an den Enden befestigten
Schrumpfkappen gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Enden des
Isolators im Bereich der Fügeflächen gegenüber dem Strunkdurchmesser um
mindestens das 1,05-fache verdickt ausgeführt sind und daß diese verdickten
Enden nach dem Brand zylindrisch und stirnseitig mechanisch bearbeitet sind.
Die Metallkappe kann mit ihrem dem Isolatorkörper zugewandten Kappenende
das verdickte Isolatorende überragen und an ihrer Stirnseite einen Anschlag
aufweisen, der sich auf der Stirnseite des Isolatorendes abstützt. Zwischen
Metallkappe und Isolatorstrunk kann eine glasierte Rinne und an den
Stirnflächen der Isolatorenden eine Phase von mindestens 2 mm Höhe, bevorzugt
von 2-5 mm Höhe, vorgesehen sein. Das verdickte, mechanisch bearbeitete
Isolatorende und die Innenflächen der Metallkappen können eine Rauhigkeit Ra
von 0,5-100 µm, bevorzugt von 1-30 µm, besonders bevorzugt von 1-10 µm
aufweisen und die Rinne mit einem Dichtungsmittel, z. B. Silikongummi
ausgefüllt sein. Die Metallkappen können mit Flanschen versehen sein, die eine
Nut zur Aufnahme einer Dichtung aufweisen. Metallkappen können aus
Gußaluminium, Aluminium-Knetlegierungen, korrosionsbeständigen
Stahlwerkstoffen oder Stahl- und Gußwerkstoffen mit korrosionsschützenden
Oberflächenbeschichtungen bestehen. Als keramische Werkstoffe kommen
Porzellan, aluminiumoxidhaltige Keramik, Zirkon-, Cordierit- und
Steatitwerkstoffe in Betracht.
Die Vorteile der Erfindung sind im wesentlichen in der einfachen Fügetechnik,
der Maßhaltigkeit und der Reproduzierbarkeit der mechanischen Belastungswerte
der Hochspannungsisolatoren insbesondere von Hohlisolatoren zu sehen. Für
letztere ergibt sich der Vorteil einer einfacheren Abdichtbarkeit.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Prüfling für Zugversuche, teilweise geschnitten;
Fig. 2 einen Prüfling für Biegeversuche, teilweise geschnitten;
Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Radialspannung und Biegefestigkeit;
Fig. 4 einen Abschnitt eines hohlen Stützisolators geschnitten und
Fig. 5 eine Variante zu Fig. 4.
Aus Tonerdeporzellan wurden mit Glasur versehene rotationssymmetrische
Prüflinge 1 mit verdickten, mechanisch bearbeiteten Enden 3, sogenannte
Schulterstäbe hergestellt. Der Stabdurchmesser d betrug 75 mm, der
Durchmesser D der Enden 3 95 mm. Die Metallkappen 2 bestanden aus einer
Aluminium-Knetlegierung. Die Enden 3 der Stäbe 1 waren am Umfang und
stirnseitig nach dem Brand geschliffen und wiesen eine Rauhigkeit Ra von 1,3-
2,5 µm auf. Die Rauhigkeit Ra der Metallkappen 2 in der Ausnehmung 6 betrug
1,2-1 ,5 µm. Der Durchmesser der Ausnehmung 6 war kleiner als der
Durchmesser D der Enden 3; ihre Höhe H betrug 65 mm und die Höhe h der
Enden 3 60 mm, wodurch sich eine Rinne 7 zwischen Kappe und Stab
ausbildet. Die Metallkappen wurden auf 250°C erwärmt, danach auf die Enden
der Stäbe gestülpt und auf 25°C abgekühlt, wodurch sich eine Verbindung
Metall-Keramik durch Schrumpfen bildet. Je nach Kappenabmessungen resultiert
eine Radialspannung in der Keramik, die berechnet werden kann.
Gemäß Fig. 1 wurden die Prüflinge einer Zerreißprüfung unterworfen, wobei
die Zugkräfte Fz in Pfeilrichtung angreifen. Es ergaben sich Bruchwerte zwischen
190 und 230 kN, was einer Zugfestigkeit des Keramikwerkstoffes von 43-52
N/mm² entspricht. Der Bruch dieser Prüflinge erfolgte immer im Bereich der
Rinne 7, d. h. im Bereich des Übergangs vom Strunk 8 zum verdickten
Strunkende 3.
Gemäß Fig. 2 wurden die Prüflinge einer Biegefestigkeitsprüfung unterzogen,
wobei die Biegekräfte FB in Pfeilrichtung angreifen und der sich in Fig. 3
dargestellte Zusammenhang zwischen Radialspannung und Biegefestigkeit
ergibt. Die Festigkeitswerte zwischen 50 und 100 N/mm² stammen von
Prüflingen, deren Bruchstelle im Bereich der Schulter 5 der Rinne 7 ist. Die
niedrigen Festigkeitswerte (<20 N/mm²) sind auf Scheibenbrüche innerhalb der
Metallkappe 2 zurückzuführen.
Fig. 3 zeigt einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Biegefestigkeit und
Radialspannung im Bereich der Verbindungsstelle, ohne daß Streuungen
auftraten, wie nach dem Stand der Technik beobachtet. Fig. 3 zeigt ferner,
daß für die technisch interessanten Biegefestigkeiten Radialspannungen benötigt
werden, die <40 N/mm² sind. Untersuchungen im Temperaturbereich von
-25°C bis +125°C , also einem Temperaturintervall von 150° bestätigten die
Reproduzierbarkeit der Meßpunkte in Fig. 3, wobei eine Radialspannung von
60 N/mm² nicht unterschritten wurde. Damit konnte gezeigt werden, daß
aufgeschrumpfte Metallkappen auf die Enden von Hochspannungsisolatoren
gemäß den Merkmalen der Erfindung auch im Freien eingesetzt werden können,
wo Temperaturdifferenzen in extremen Klimagebieten von bis zu 100°C zu
erwarten sind.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Hohlisolator aus Porzellan ist der Strunk 8 mit
angeformten Schirmen 4 versehen. Das Ende 3 des Isolierkörpers weist einen
größeren Durchmesser D auf als der Durchmesser d des Strunkes 8. Durch
Schleifen der äußeren Umfangfläche des Endes 3 und der Stirnseite des Endes 3
wird die Länge des Isolierkörpers auf ein präzises Maß gebracht. Die
Metallkappe 2, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung oder aus Edelstahl
bestehend, ist mit radialer Spannung auf dem geschliffenen Ende 3 des
Isolierkörpers angeordnet. Die Metallkappe 2 kann mit einem umlaufenden
Anschlag 9 versehen werden, der bei der Armierung des Isolierkörpers auf der
Stirnfläche des Endes 3 des Isolierkörpers aufliegt. Auf diese Weise wird ein
präzises Anschlußmaß des Isolators erreicht. Die Montage der Metallkappen 2
ist sehr einfach. Die aufgeheizten Metallkappen werden einfach auf die Enden
des Isolierkörpers aufgesteckt und kühlen dann in einigen Sekunden soweit ab,
daß der Isolator sofort gehandhabt werden kann. Nach etwa 30 Minuten kann
der Isolator bereits mechanisch geprüft werden, ohne daß ein Setzen der
Metallkappen auftritt.
Von großer Bedeutung sind die Rauhigkeiten der Fügeflächen des
Schrumpfsitzes, da das Abziehen der Kappe in Folge mechanischer
Beanspruchung nicht nur von der Radialspannung im Schrumpfsitz abhängt,
sondern auch vom Reibbeiwert zwischen den Fügeflächen. Als vorteilhaft hat
sich eine Rauhigkeit Ra von 1-10 µm bei der Paarung Aluminium/Porzellan
herausgestellt. Von großer Bedeutung bei Hohlisolatoren ist auch die Abdichtung
zu Bauteilen, die an dem Hohlisolator aus Porzellan befestigt werden. Es hat sich
gezeigt, daß Rauhigkeiten der Paarung Aluminium/Porzellan von 1-10 µm wasser- und
gasdicht sind, so daß Dichtungen 10 auch in einer Nut 13 im Flansch 11
der Metallkappe 2 angeordnet werden können (Fig. 4). Dichtungen 10 können
jedoch auch gemäß Fig. 5 auf der Stirnseite des Endes 3 des Isolierkörpers
angeordnet werden.
Für den Fügevorgang ist es zweckmäßig wie in Fig. 5 dargestellt, das Ende 3
des Isolierkörpers mit einer Fase 12 von mindestens 2 mm Höhe zu versehen, die
einen Winkel von 2-45 Grad, insbesondere von 5-30 Grad mit der Isolatorachse
einschließt.
Die eingehenden Untersuchungen der Schrumpfverbindung mit dem Isolatorende
haben gezeigt, daß unter allen Umständen jegliche Bewegung zwischen dem
Isolator und der Metallkappe vermieden werden muß. Um diese Bedingung auch
für den Bereich zu erfüllen, wo der Ort der höchsten mechanischen
Beanspruchung für den Isolierwerkstoff liegt, nämlich im Übergangsbereich Ende
3 - Strunk 8, ist es zweckmäßig, die Höhe H der Kappe 2 größer zu wählen als
die Höhe h des Isolierkörperendes 3. Die sich dabei bildende Rinne 7 kann zur
Vermeidung von Wasserlachenbildung mit einem
Einkomponentensilikonkautschuk ausgefüllt werden. Silikonkautschuke auf
Acetoxy-Essigsäurebasis haften hervorragend auf Aluminium und glasiertem
Porzellan.
Die glasierte Rinne 7 bildet wegen ihrer Kerbwirkung bei hoher mechanischer
Beanspruchung eine Sollbruchstelle. Da die Lage der Sollbruchstelle vom
Überstand der Kappe 2 abhängt, ist es zweckmäßig die Rinne 7 möglichst flach
zu gestalten und mit einem Radius am Isolatorstrunk zu versehen.
Die Erfindung wurde am Beispiel des Hohlisolators näher erläutert, weil sie hier
am vorteilhaftesten anwendbar ist. Selbstverständlich können
Hochspannungsisolatoren gemäß der Erfindung auch als Vollkörper-Stützisolatoren
oder als Hängeisolatoren ausgeführt werden. Andere
Anwendungen der Erfindung bei Bauteilen höchster Präzision, z. B. bei Schalt- und
Betätigungsstangen für elektrische Hochspannungseinrichtungen, sind
möglich.
Claims (9)
1. Rotationssymmetrischer Hochspannungsisolator aus keramischem
Werkstoff, bestehend aus einem Strunk mit angeformten Schirmen, an
dessen Enden Metallkappen durch Schrumpfsitz befestigt sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enden (3) des Isolierkörpers im Bereich der
Fügeflächen gegenüber dem Strunkdurchmesser (d) um mindestens das
1,05-fache verdickt ausgeführt sind und daß die verdickten Enden (3)
zylindrisch und stirnseitig mechanisch bearbeitet sind.
2. Hochspannungsisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Metallkappe (2) mit ihrem dem Isolierkörper zugewandtem
Kappenende das verdickte Isolierkörperende (3) überragt.
3. Hochspannungsisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß an den Kappen stirnseitig ein Anschlag (9)
vorgesehen ist, der sich auf der Stirnseite des Endes (3) abstützt.
4. Hochspannungsisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß eine glasierte Rinne (7) zwischen Metallkappe (2)
und Isolatorstrunk (8) vorgesehen ist.
5. Hochspannungsisolator nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Fase (12) von mindestens 2 mm, bevorzugt von
2-5 mm Höhe an den Stirnflächen der Enden (3) vorgesehen ist.
6. Hochspannungsisolator nach den Ansprüchen 1, 2, 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die verdickten Isolatorenden (3) eine Rauhigkeit Ra
von 0,5-100 µm, bevorzugt von 1-30 µm, besonders bevorzugt von 1-
10 µm aufweisen.
7. Hochspannungsisolator nach den Ansprüchen 1, 2, 4, 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rinne (7) zwischen Kappe (2) und Isolatorstrunk
(8) mit einem Dichtungsmittel ausgefüllt ist.
8. Hochspannungsisolator nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallkappe (2) mit einem Flansch (11) versehen
ist, der eine Nut (13) zur Aufnahme einer Dichtung (10) aufweist.
9. Hochspannungsisolator nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Metallkappen (2) aus Gußaluminium,
Aluminium/Knetlegierung, korrosionsbeständigen Stahlwerkstoffen oder
Stahl- und Gußwerkstoffen mit korrosionsschützenden
Oberflächenbeschichtungen bestehen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8130 | Withdrawal |