DE4426927A1 - Elektrischer Isolator aus Silikongummi für Hochspannungsanwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsisolator aus Kunststoff umfassend wenigstens einen Glasfaserstab, wenigstens eine den Glasfaserstab umgebende Schirmhülle aus Silikongummi, die längsaxial angeordnete, konzentrische, so schirmförmig gebogene Auswölbungen aufweist, daß sie eine konvexe Ober- und eine konkave oder flache Unterseite bilden, sowie Metallarmaturen an beiden Isolatorenden.

Hochspannungsisolatoren für Freileitungen werden seit langer Zeit aus keramischen, elektrisch isolierenden Materialien wie Porzellan oder Glas hergestellt. Daneben gewinnen Isolatoren enthaltend eine Glasfaserseele und eine Schirmhülle aus Kunststoff in Verbundbauweise 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 zählen. Die Schirmhüllen solcher Verbundisolatoren sind dabei meistens aus cycloaliphatischen Epoxidharzen, aus Polytetrafluorethylen, aus Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuken oder aus Silikongummi aufgebaut.

Verbundisolatoren mit einer Schirmhülle aus Silikongummi weisen gegenüber Verbundisolatoren aus anderen Schirmwerkstoffen und auch gegenüber konventionellen Isolatoren den Vorteil auf, daß sie exzellente Isolationseigenschaften beim Einsatz in Gebieten mit stark verschmutzter Atmosphäre besitzen. Deshalb werden Silikongummi-Isolatoren zunehmend dazu verwendet, bestehende Freileitungen mit elektrischen Isolationsproblemen, die aus atmosphärischen Verunreinigungen resultieren, zu ertüchtigen, indem man die konventionellen Isolatoren gegen Verbundisolatoren mit einer Schirmhülle aus Silikongummi austauscht.

Die Überlegenheit von Verbundisolatoren aus Silikongummi gegenüber anderen Kunststoffverbundisolatoren und konventionellen Isolatoren hinsichtlich des Isolationsverhaltens in stark verschmutzter Atmosphäre ist begründet durch zwei Fähigkeiten bestimmter Silikongummis:

• - Silikongummis sind wasserabweisend. Auf Silikongummi-Oberflächen perlt das Wasser ab.
• - Silikongummis senden aus ihrem Inneren niedermolekulare Siloxane an ihre Oberfläche, die ebenfalls wasserabweisend sind. Befindet sich Schmutz auf einer Silikongummi-Oberfläche, dann bewegen sich die niedermolekularen Siloxane auf die einzelnen Schmutzpartikel zu und umhüllen diese, so daß die Schmutzpartikel ebenfalls wasserabweisend werden.

Diese Silikongummi-Effekte sind näher beschrieben in der Publikation von J. Kindersberger und M. Kuhl "Effect of Hydrophobicity on Insulator Performance", veröffentlicht 1989 zum 6th International Symposium on High Voltage Engineering, Paper 12.01, New Orleans 1989. Bei Hochspannungsisolatoren für Freileitungen führen diese Effekte dazu, daß Schmutzflächen auf den Isolatoren nicht durchfeuchtet werden können und damit die elektrische Oberflächenleitfähigkeit niedrig bleibt. Die Entstehung von stromstarken Teilentladungen wird unterdrückt, und elektrische Überschläge über die gesamte Isolatorenlänge finden nicht statt.

Hochspannungsisolatoren für Freileitungen in Verbundbauweise mit einer Schirmhülle aus Silikongummi werden für viele Anwendungsfälle mit Schirmen versehen, die an ihrer Unterseite flach ausgebildet sind und können gemäß DE-A 27 46 870 hergestellt werden, indem einzeln vorgefertigte Schirme mit radialer Vorspannung auf einen mit Silikongummi überzogenen Glasfaserstab aufgeschoben und mit diesem zusammenvulkanisiert werden. Der für den Isolatorbetrieb erforderliche Kriechweg kann durch die Zahl und den Durchmesser der Schirme erhalten werden. Bei sehr starker atmosphärischer Verschmutzung im Einsatzgebiet der Isolatoren muß der Kriechweg der Isolatoren größer sein als in Einsatzgebieten geringer atmosphärischer Verschmutzung. Dabei existieren physikalische Grenzen für Schirmausladung und Schirmabstand, die in der IEC Publikation 815 definiert sind. Um einen bestimmten Kriechweg je Isolatorenlänge zu erhalten, kann man die Schirme nicht beliebig groß im Durchmesser gestalten und nicht beliebig eng zusammen anordnen. Für flache Schirme sind hier also natürliche Grenzen gesetzt.

Es ist daher schon vorgeschlagen worden, die Schirme von Kunststoff- Verbundisolatoren auf ihrer Unterseite mit Rillen zur Kriechwegverlängerung auszurüsten. Solche Isolatoren sind z. B. in der EP-A 0 223 777 oder in DE-A 11 80 017 dargestellt. Die dort beschriebenen Isolatoren haben sich in der Praxis nicht bewährt. Rillen an den Schirmunterseiten, wie sie auch von Kappenisolatoren aus Glas oder Porzellan bekannt sind, neigen dazu, sich mit Schmutz aus der Atmosphäre zu füllen. Die Selbstreinigungseigenschaften derartiger Isolatoren sind schlecht, da die Rillen nicht vom Regen ausgewaschen werden können. Hohe Oberflächen-Leitfähigkeiten bei Nebel sind die Folge, so daß derartige Isolatoren aus konventionellen Werkstoffen zu elektrischen Überschlägen neigen und solche aus Kunststoffen der Gefahr der Kriechspurbildung oder teilweisen Verbrennung ausgesetzt sind. Deshalb verwendet man heute, wegen des besseren Selbstreinigungsvermögens, konventionelle wie auch Verbundisolatoren mit flachen Schirmen ohne Rillen auf der Unterseite in Gebieten mit starker atmosphärischer Verschmutzung. Ihre erforderlichen Kriechwege erhalten diese Isolatoren durch große Schirmdurchmesser und eine entsprechend große Isolatorenlänge, die jedoch unerwünscht ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, einen Hochspannungs-Isolator zu schaffen, der bei minimaler Baulänge einen maximalen Kriechweg aufweist, der gleichzeitig die physikalischen Grenzabmessungen gemäß IEC Publikation 815 erfüllt und der exzellente Isolationseigenschaften beim Einsatz in stark verschmutzter Atmosphäre aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Isolator der eingangs genannten Gattung gelöst, dessen kennzeichnendes Merkmal darin zu sehen ist, daß die schirmförmig gebogenen Auswölbungen jeweils unterseitig wenigstens eine Rille aufweisen.

Überraschend wurde gefunden, daß bei Verbundisolatoren aus Silikongummi mit einer Rille auf der Unterseite der Schirme, entgegen den Erwartungen der Isolatorenhersteller und -anwender, bessere Isolationseigenschaften resultieren als bei bisher bekannten Isolatoren aus anderen Werkstoffen, aber mit gleichartiger geometrischer Schirmausbildung.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist, daß mehrere Rillen im Bereich der Unterseite der schirmförmig gebogenen Auswölbungen angeordnet sind. Die Rillen sollen dabei eine Mindesttiefe, gemessen als Abstand von der Spitze zum Tal, von wenigstens 1 mm besitzen, vorzugsweise soll ihre Tiefe im Bereich von 5 bis 50 mm liegen. Die Breite der Rillen, gemessen als Abstand zwischen zwei benachbarten Spitzen, kann im Bereich von 3 bis 200 mm, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 80 mm, liegen. Bevorzugt ist ferner, daß im Bereich der Rillen und ihrer Ränder keine scharfkantigen Ecken und Spitzen auftreten, sondern diese verrundet ausgebildet sind. Die zwischen den Rillen hervorstehenden, herausragenden Stege können senkrecht oder steil geneigt sein. Bei konzentrischer Anordnung benachbarter Rillen ergeben sich dann zylinderförmige oder konische Stege. Die Rillen bzw. Stege verlaufen bevorzugt konzentrisch um die Längsachse, sie können aber auch azentrisch geführt sein.

In einer erfindungsgemäß bevorzugten Ausgestaltungsform ist gemäß IEC Publikation 815 das Verhältnis von I₄/d auf den Wert von 5 nach oben zu begrenzen: Während die Variable I₄ den realen Kriechweg auf der Oberfläche eines Schirmes zwischen zwei Punkten, bevorzugt im Querschnitt unter Einbeziehung der Längsachse in die Querschnittsfläche, bezeichnet, steht d für die kürzeste Distanz zwischen diesen Punkten auf dem Luftweg.

Isolatoren gemäß der Erfindung können nach dem in der DE-A-27 46 870 beschriebenen Verfahren hergestellt werden, indem die Schirme separat hergestellt, auf einen mit Silikongummi beschichteten Glasfaserstab unter Radialspannung aufgeschoben und mit dieser Silikongummischicht zusammenvulkanisiert werden. Das Verfahren gestattet weitgehende Freiheit in der Wahl der Baulänge der Isolatoren und der Wahl der gewünschten Kriechwege unter Beachtung der in IEC 815 vorgegebenen Grenzen für Schirmausladung und Schirmabstand.

Als Material für die Schirmhülle, insbesondere für die Schirme, wird vorzugsweise Silikongummi verwendet, dessen Shore A Härte mehr als 40 beträgt. Bevorzugt können Shore A Härten zwischen 60 und 90 verwendet werden, wie sie HTV-Silikongummis (HTV = Heiß-Temperatur-vernetzend) liefern, die aus Polyvinyldimethylsiloxanen und Füllstoffen bestehen und mit Hilfe von Peroxiden vernetzt werden. Andere Silikongummis, soweit sie Polyorganodimethylsiloxane sind, können ebenfalls verwendet werden. Silikongummis, die erfindungsgemäß besonders geeignet sind, sind vorzugsweise flammwidrig eingestellt, so daß die Entflammbarkeitsklasse FVO nach der IEC Publikation 707 erreicht wird. Dies kann durch Einarbeiten des Füllstoffes Aluminiumoxidhydrat oder Verwendung eines Platin-Guanidin- Komplexes erreicht werden. Neben der verbesserten Flammwidrigkeit wird so auch die Hochspannungs-Kriechstromfestigkeit HK2 und die Hochspannungs- Lichtbogenfestigkeit HL2 gemäß DIN VDE 0441 Teil 1 mindestens erreicht. Zur Erfüllung der Hochspannungs-Kriechstromfestigkeit in HK-Klasse 2 müssen 5 Prüflinge in einem mehrstufigen Test eine Spannung von 3,5 kV über 6 Stunden Dauer bestehen. Um die Hochspannungs-Lichtbogenfestigkeit in HL-Klasse 2 zu erreichen, müssen 10 Prüflinge über mehr als 240 sec Brenndauer einem Lichtbogen erfolgreich ausgesetzt werden können. Der erfindungsgemäße Hochspannungsisolator aus Silikongummi erfüllt die Hochspannungs- Diffusionsfestigkeit nach Klasse HD2 gemäß DIN VDE 0441 Teil 1.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Isolatoren ist zusätzlich zu beachten, daß bei der Formgebung der mit Rillen zu formenden Schirme die Verfüllung der Form, in der die Schirme geformt werden, vollständig und möglichst ohne Lufteinschlüsse erfolgt.

Die erfindungsgemäße Kombination von Schirmkonstruktion und Werkstoff bietet noch weitere Vorteile. Silikongummi ist bekanntermaßen ein teurer Werkstoff, weil die Silikonsynthese vom reinen Silizium ausgeht. Flachschirmkonstruktionen von Isolatoren aus Silikongummi sind deshalb darauf ausgerichtet, den Materialeinsatz zu minimieren, was zu dünnen Schirmen führt. Dünne Schirme aus Silikongummi, insbesondere solche größeren Durchmessers sind daher mechanisch instabil, sie neigen zur Deformation während Lagerung und Transport und können auch mechanisch leicht beschädigt werden. Durch die Verwendung von Rillen an den Schirmunterseiten können die Schirme bei gleichem oder noch größerem Kriechweg kleiner im Durchmesser gehalten werden als flache Schirme und gewinnen dabei durch die versteifende Wirkung der Rillen an den Schirmunterseiten, einen erheblichen Grad an mechanischer Stabilität. Der Materialeinsatz für die Rillen ist gering und wird bei weitem durch die dadurch gewonnene Kriechweglänge kompensiert, da eine Verlängerung des Kriechweges bei Flachschirmen nur über die Durchmesservergrößerung erreicht werden kann, die in die Materialrechnung quadratisch eingeht.

Der erfindungsgemäße Hochspannungsisolator in Verbundbauweise soll beispielhaft anhand einer Zeichnung verdeutlicht werden. Fig. 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt des erfindungsgemäßen Isolators. Der Isolator besteht aus einem Glasfaserstab (1), der aus epoxidharzgetränkten Glasfasern bestehen kann, die endlos achsparallel im Stab angeordnet sind. Der Glasfaserstab (1) ist umhüllt von einer nahtlos durchgehenden Silikongummischicht (2), die an die Oberfläche des Glasfaserstabes (1) anvulkanisiert ist. Auf der Oberfläche der Silikongummischicht (2) sind Schirme (3) aus Silikongummi angeordnet, die an ihrer Unterseite mit Rillen (4) ausgestattet sind. Die Schirme (3) sind vorgefertigt, mit radialer Vorspannung auf die Silikongummischicht (2) aufgeschoben und mit dieser zusammenvulkanisiert. Am Isolatorenende befindet sich eine der beiden Metallarmaturen (5) des Isolators zur Übertragung der Zugkraft vom Glasfaserstab (1) zu der nicht dargestellten Isolatorenaufhängung. Die Metallarmatur (5) kann z. B. aus Stahl, Gußeisen oder anderen metallischen Werkstoffen bestehen und durch radiale Kompression mit dem Ende des Glasfaserstabes (1) verbunden sein. Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Isolators mit alternierenden Schirmdurchmessern; es können auch Schirme gleichen Durchmessers oder Schirme mit in der Schirmabfolge anders variierenden Durchmessern verwendet werden.

Die Erfindung wurde vorstehend beispielhaft an einem Hochspannungsisolator für Freileitungen näher erläutert. Selbstverständlich kann sie auch für Hochspannungsverbundisolatoren mit einer Schirmhülle aus Silikongummi genutzt werden, die als Stützisolatoren oder als Hohlisolatoren verwendet werden, die als Gehäuse für Wandler, Durchführungen und dergleichen dienen. Die Erfindung kann 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 kann.

Claims (13)

1. Elektrischer Hochspannungsisolator aus Kunststoff umfassend wenigstens einen Glasfaserstab (1), wenigstens eine den Glasfaserstab (1) umgebende Schirmhülle (2) aus Silikongummi, die längsaxial angeordnete, konzentrische, schirmförmig so gebogene Auswölbungen (3) aufweist, daß sie eine konvexe Ober- und eine konkave oder flache Unterseite bilden, sowie Metallarmaturen (5) an beiden Isolatorenden, dadurch gekennzeichnet, daß die schirmförmig gebogenen Auswölbungen unterseitig mindestens eine Rille (4) aufweisen.

2. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rillen (4) im Bereich der Unterseite der schirmförmig gebogenen Auswölbungen (3) angeordnet sind.

3. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille(n) eine Mindesttiefe, gemessen als Abstand von der Spitze zum Tal, von wenigstens 1 mm besitzen.

4. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille(n) eine Tiefe im Bereich von 5 bis 50 mm besitzen.

5. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rille(n), gemessen als Abstand zwischen zwei benachbarten Spitzen, im Bereich von 3 bis 200 mm liegt.

6. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rille(n) im Bereich von 5 bis 80 mm liegt.

7. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille(n) und ihre Ränder verrundet ausgebildet sind.

8. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die Schirmhülle (2), insbesondere für die schirmförmig gebogenen Auswölbungen (3), Silikongummi ist, dessen Shore A Härte mehr als 40 beträgt.

9. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmhülle (2) Polyvinyldimethylsiloxan plus Füllstoffe enthält und mit Hilfe von Peroxiden vernetzt ist.

10. Elektrischer Hochspannungsisolator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmhülle anorganische Füllstoffe wie pyrogene Kieselsäure enthält.

11. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmhülle Aluminiumoxidhydrat oder einen Platin-Guanidin-Komplex enthält.

12. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß er einen Hochspannungs-Lichtbogenfestigkeitstest über eine Einbrenndauer von mehr als 240 s übersteht.

13. Elektrischer Hochspannungsisolator nach einem der Ansprüche 1 bis 12., dadurch gekennzeichnet, daß er einen Hochspannungs- Kriechstromfestigkeitstest mit einer Prüfspannung von mindestens 3,5 kV über eine Zeitdauer von 6 Stunden übersteht.