DE4437064A1 - Isolator für Hochspannungseinrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein elektrische Isolatoren für eine elektrische Hochspannungs­ einrichtung, beispielsweise einen Leistungsschalter oder einen Trennschalter.

Bei elektrischen Hochspannungseinrichtungen befindet sich zwischen dem spannungsfüh­ renden Teil und dem auf Erdpotential liegenden Teil üblicherweise ein Isolator. Dieser elektrische Isolator ist mechanisch fixiert. Für Freiluft-Hochspannungsanlagen verwendet man üblicherweise Porzellan-Isolatoren, während bei Innenraum-Hochspannungsanlagen üblicherweise Isolatoren aus einem organischen Isolierstoff eingesetzt werden, die wegen ihrer mechanischen Festigkeit und der Eignung zur Massenfertigung Vorteile haben. Wenn man Kunststoff, wie zum Beispiel Epoxyharz oder Polyesterharz als organischen Stoff zur Fertigung von Isolatoren verwendet, läßt sich die Form des Isolierkörpers praktisch frei wählen. Hinzu kommt, daß das Gewicht der aus Kunststoff bestehenden Isolatoren kleiner ist als das von Porzellan-Isolatoren. Folglich lassen sich solche aus organischem Isolier­ stoff hergestellte Isolatoren nicht nur als Durchführung oder als Tragisolator einsetzen, sondern auch für ein elektrisches Isoliergehäuse zur Aufnahme beispielsweise einer Vakuumröhre, das einen sehr komplizierten Aufbau besitzt.

Das Problem bei den herkömmlichen Isolatoren aus organischem Isolierstoff besteht jedoch darin, daß die Durchschlagfestigkeit der Oberfläche dieses Isolierkörpers bei entsprechen­ den Umweltbedingungen während der Verwendung schlechter werden kann.

Wenn sich die Hochspannungseinrichtung in einer Umgebung befindet, in der leitender Staub schwebt und/oder ein Wind bläst, der zum Beispiel Salzteilchen enthält, so bleibt der Staub bzw. bleiben die Teilchen an den Oberflächen des Isolierkörpers haften. Auch dann, wenn die Hochspannungseinrichtung in einem umschlossenen Schaltbrett aufgenommen ist, bei dem eine absolute Dichtigkeit praktisch nicht erreichbar ist, treten Staub und/oder Teil­ chen in das Innere der Schalteinrichtung ein. Erfolgt eine rasche Temperaturänderung bei gleichzeitig hoher Luftfeuchtigkeit, so bleiben die in die Schalteinrichtung eingedrungenen Staubteilchen und andere Teilchen an der Isolierung durch Kondensation haften, so daß der Isolierwiderstand der Oberflächen abgesenkt wird. Gelangt nun unter diesen Umständen eine Hochspannung an die genannten Flächen, so erfolgt eine Teil- oder Vorentladung (Kriechüberschlag). Hierdurch werden die Oberflächen des organischen Isolators aufgrund der Lichtbogenhitze verkohlt, wodurch sich ein leitender Weg aus den verkohlten organi­ schen Isolierstoffen bildet, der als "Kriechspur" (tracking mark) bezeichnet wird. Diese Kriechspur erstreckt sich auf der Oberfläche des organischen Isolierkörpers zwischen dem spannungsführenden Teil und dem auf Erdpotential liegenden Teil. Früher oder später bildet sich ein leitender Weg aus, der den hochspannungsführenden Teil mit dem Erdpol­ tentialteil verbindet, wodurch es zu einem Erdschluß kommt.

Weil bei dem herkömmlichen Isolator die Gefahr einer Zerstörung durch den Kriechüber­ schlag besteht, wird die Spannungszufuhr zu der Hochspannungseinrichtung in bestimmten Zeitabständen unterbrochen, um an den Oberflächen des Isolators haftende Staubteilchen und andere Teilchen abzuwischen, und außerdem ist eine Heizvorrichtung zum Unterbin­ den einer Kondensation vorgesehen, damit ein Erdschluß vermieden wird. Der Aufwand für die Zusatzeinrichtungen an oder bei dem Isolator ist beträchtlich.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen Isolators, bei dem das Entste­ hen der erwähnten "Kriechspur" auf der Oberfläche des Isolierkörpers verhindert wird und auch die Durchschlagfestigkeit nicht vermindert wird. Der erfindungsgemäße Isolator soll hierbei auch mit einer komplizierten Form und mit geringem Gewicht ausgebildet werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Der erfindungsgemaße elektrische Isolator besitzt einen aus organischem Material beste­ henden Isolierkörper, auf den eine anorganische Isolierschicht aufgebracht ist. Diese Iso­ lierschicht kann eine Keramikschicht, zum Beispiel eine Aluminiumoxid- oder eine Zirkonoxidschicht sein. Die Isolierschicht läßt sich zum Beispiel durch Plasmasprühen oder durch Aufdampfen auf den Isolierkörper auftragen. Letzterer kann aus einem Polyesterharz oder Epoxyharz bestehen.

Der Isolator kann als Tragisolator mit Rippen oder auch als Durchführung ausgebildet sein. Der Isolator kann ferner die Form eines Isoliergehäuses besitzen, welches in sich den spannungsführenden Teil aufnimmt.

Zwischen dem organischen Isolierkörper und der anorganischen Isolierschicht kann sich ei­ ne Zwischenschicht befinden, die bevorzugt durch Aufsprühen eines Gemisches aus einem anorganischen und einem organischen Pulver auf den Isolierkörper aufgetragen wird.

Der erfindungsgemäße Isolator ist derart ausgebildet, daß eine anorganische Isolierschicht aus zum Beispiel Keramikmaterial auf der Oberfläche des organischen Trägerkörpers gebildet ist. Auch wenn bei diesem Aufbau eine Teilentladung entsteht, bildet sich keine Kriechspur aus, wie sie oben erläutert wurde, weil das anorganische Material sich che­ misch nicht ändert und mithin keine Beeinträchtigung der Oberflächenbeschaffenheit er­ folgt. Die Durchschlagfestigkeit des Isolators bleibt also erhalten.

Das Auftragen der anorganischen Isolierschicht erfolgt vorzugsweise durch Aufdampfen des Isolierstoffs auf den organischen Isolierkörper mit Hilfe eines physikalischen Auf­ dampfverfahrens oder mit Hilfe des Plasmasprühverfahrens.

Da die anorganische Schicht auf der Oberfläche des zum Beispiel aus Epoxyharz oder Polyesterharz bestehenden Trägerkörpers aufgebracht ist, bildet sich keine Kriechspur auf dem organischen Material der Durchführung, des Tragisolator oder des Isoliergehäuses aus. Selbst wenn in feuchter Umgebung relativ viel Staub vorhanden ist, kommt es nicht zu einem Erdschluß.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Vakuum-Leistungsschalters mit einem elektrischen Iso­ lator gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Luft-Leistungsschalters mit einem elektrischen Isolator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Freiluft-Leistungsschalters mit einem elektrischen Iso­ lator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 eine Schnittansicht, die in vergrößertem Maßstab einen wesentlichen Teil eines erfindungsgemäßen Isolators für eine Hochspannungseinrichtung darstellt.

Fig. 1 ist eine Ansicht eines Vakuum-Leistungsschalters unter Verwendung eines elek­ trischen Isolators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 1 entspricht eine Vakuumröhre 1 einem hochspannungsführenden Teil, welches innerhalb eines elek­ trischen Isoliergehäuses 2 untergebracht ist, welches hier als elektrisch isolierender Rahmen ausgebildet ist. Das Isoliergehäuse 2 ist an einem Traggestell 3 fixiert, welches einem Erdpotentialteil entspricht. Innerhalb dieses Traggestells 3 befindet sich eine (nicht dargestellte) Betätigungseinheit, mit der interne Kontakte der Vakuumröhre 1 über einen Betätigungshebel 4 und einen elektrischen Isolierstab 5 geöffnet/geschlossen werden können. Der Betätigungshebel 4 ist von einer Trägereinheit 2a des Isoliergehäuses 2 mittels eines Zapfens 101 schwenkbar gelagert. Dieser Zapfen durchsetzt den Betätigungshebel 4 senkrecht zu dessen Längserstreckung. Ein Ende des Betätigungshebels 4 ist über einen Zapfen 102 schwenkbar an der oben erwähnten Betätigungseinheit angebracht, während sein anderes Ende über einen weiteren Zapfen 103 mit dem oberen Ende des Isolierstabs 5 gekoppelt ist. Das untere Ende des Isolierstabs 5 ist mit den (nicht gezeigten) oberseiti­ gen Kontaktgliedern in der Vakuumröhre 1 verbunden. Die oberen Kontaktglieder sind zusammen mit der vertikalen Bewegung des Isolierstabs 5 in vertikaler Richtung beweg­ lich. Die oberen Kontaktglieder sind über eine flexible Leitung 8 und einen Hochspan­ nungsanschluß 7 mit einem Hauptstromkreis einer (im einzelnen nicht dargestellten) Hochspannungsquelle verbunden. Untere Kontaktglieder (ebenfalls nicht dargestellt) innerhalb der Vakuumröhre 1 sind über einen Hochspannungsanschluß 6 mit dem Haupt­ schaltkreis der Hauptspannungsquelle verbunden.

In Fig. 1 ist die Anlage derart dargestellt, daß die vordere Seitenfläche des Isoliergehäuses 2 von letzterem abgenommen ist, damit die Vakuumröhre 1 im Inneren des Isoliergehäuses 2 zu erkennen ist. Senkrecht zur Zeichnungsebene in Fig. 1 sind drei Exemplare dieses Isoliergehäuses 2 mit jeweils zur rechten Seite hin offener Bauweise angeordnet. Jedes Iso­ liergehäuse 2 nimmt eine Vakuumröhre 1 für eine zugehörige Phase auf, so daß für drei Phasen insgesamt drei Vakuumröhren 1 vorhanden sind, die mit einem einzigen Betäti­ gungshebel 4 gleichzeitig geöffnet/geschlossen werden können. Das Isoliergehäuse 2 be­ steht aus Epoxyharz (es kann auch aus Polyesterharz bestehen), und auf der gesamten Oberfläche des Isoliergehäuses 2 ist eine Schicht aus anorganischem Material, hier ins­ besondere Keramikmaterial in Form einer Aluminiumoxidschicht aufgebracht. Die Alumi­ niumoxidschicht wird vorzugsweise mit Hilfe des Plasmasprühverfahrens aufgebracht, wozu Aluminiumoxidpulver einer Plasmadüse zugeführt wird, und dann das durch die Dü­ se gebildete Plasma-Aluminiumoxidpulver auf die Innenseiten und die Außenseiten des Iso­ liergehäuses 2 aufgesprüht wird. Vorzugsweise wird hier Gebrauch gemacht von einem Doppelbeschichtungsverfahren, bei dem zunächst ein Gemisch aus Aluminiumoxidpulver und Pulver aus organischem Material auf das aus organischem Kunststoff bestehende Ge­ häuse aufgetragen wird, so daß eine Zwischenschicht entsteht, woraufhin auf diese Zwi­ schenschicht Muminiumoxidpulver aufgebracht wird, durch das eine Beeinträchtigung des aus organischem Material gefertigten Isoliergehäuses unterbunden wird. Diese Wirkung wird durch das bei hoher Temperatur erfolgende Niederschlagen von Aluminiumoxidpulver auf die Gehäuseoberfläche erreicht. Dieses Doppelbeschichtungsverfahren eignet sich besonders dann, wenn die Dicke des Isoliermaterials gering ist.

Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Aufbaus eines Luft-Leistungsschalters, bei dem eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Isolators verwendet ist. Gemäß Fig. 2 sind Hochspannungsanschlüsse 12 und 13, die einem Hochspannung führenden Teil entsprechen, über einen Tragisolator 10, welcher mit Rippen ausgebildet ist, auf einer Unterlage 9 angeordnet, die dem Erdpotentialteil entspricht. Ein Metallteil 16 an der festen Seite eines Messerkontakts 11 ist an dem Hochspannungsanschluß 13 angebracht, während ein weiteres Metallelement 14 an der Aufnahmeseite des Messerkontakts 11 an dem Hochspannungsanschluß 12 angebracht ist. Der Messerkontakt 11 ist um einen als Dreh­ punkt fungierenden Zapfen 15 entlang der Pfeilrichtung 11A gemäß Fig. 2 schwenkbar.

Der Messerkontakt 11 kann einen (nicht dargestellten) Hochspannungs-Hauptschaltkreis, der an die Hochspannungsanschlüsse 12 und 13 angeschlossen ist, ein-/ausschalten.

In Fig. 2 besteht der jeweilige Tragisolator 10 aus Epoxyharz, und eine Keramikschicht aus zum Beispiel Zirkonoxid ist als anorganisches Material auf die Gesamtfläche des Tragisolatorkörpers 10 aufgebracht. Die Zirkonoxidschicht kann durch Aufdampfen unter Vakuum aufgetragen werden, wozu Zirkonoxid mit Hilfe von Elektronenstrahlen erhitzt und verdampft wird und das so erhaltene dampfförmige Zirkonoxid auf die Oberfläche des Tragisolatorkörpers aufgebracht wird. Man kann auch von anderen Schichtbildungsverfah­ ren Gebrauch machen, zum Beispiel von Zerstäubungsverfahren oder von Ionen-Auftrag­ verfahren, bei dem im Inneren einer Vakuumkammer eine Plasmaentladung stattfindet.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines Aufbaus eines Freiluft-Leistungsschalters unter Verwen­ dung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Isolators. Ein Behälter 21 entspricht dem Erdpotentialteil, in welchem ein (nicht dargestellter) Leistungsschalter eingebaut ist. Der Behälter befindet sich auf einem Gestell 22. An dem Behälter 21 sind Durchführungen 20 mit Rippen angebracht, und diese Durchführungen 22 entsprechen dem erfindungsgemäßen Isolator. Beide Enden des Leistungsschalters im Inneren des Behälters 21 führen über die Durchführungen 20 zu den Hochspannungsanschlüssen 17 und 18, die hier den spannungsführenden Teil darstellen. Die Hochspannungsanschlüsse 17 und 18 sind mit einem (nicht gezeigten) Hochspannungs-Hauptstromkreis verbunden.

Die Durchführung 20 nach Fig. 3 besteht aus Epoxyharz. Eine Keramikschicht aus Aluminiumoxid ist als anorganische Schicht auf die Gesamtfläche der Durchführung 20 aufgebracht. Die Aluminiumoxidschicht kann in ähnlicher Weise aufgetragen werden wie bei der ersten Ausführungsform.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die einen vergrößerten Hauptteil des in der Hochspannungs­ einrichtung verwendeten Isolators gemäß der Erfindung darstellt. Gemäß Fig. 4 entspricht der elektrische Isolatoraufbau 25 zum Beispiel dem oben in Fig. 1 angesprochenen Isolier­ gehäuse 2, dem Tragisolator 10 gemäß Fig. 2 oder der Durchführung 20 nach Fig. 3. Auf einer Oberfläche eines organischen isolierenden Trägers 23 ist eine anorganische Schicht 24 gebildet.

Wenn es zu einer Teilentladung (Kriechüberschlag) auf der Oberfläche des anorganischen Isolierstoffs kommt, entsteht niemals eine sogenannte "Kriechspur" ("tracking mark"). Dieser Umstand ist deutlich beschrieben in der japanischen Ausgabe des "Discharge Handbook (überarbeitete Fassung)", herausgegeben vom Electrical Engineering Institute 1974, Seite 471. Das Nicht-Zustandekommen der Kriechspur erklärt sich auch dadurch, daß bei einem Freiluft-Tragisolator oder einer Freiluft-Durchführung, der bzw. die vollständig aus Keramikmaterial besteht, es niemals zu der Ausbildung einer Kriechspur kommt, auch wenn es nach Regen zu einer Teilentladung kommen sollte.

Die in Fig. 4 dargestellte Schicht 24 auf der Oberfläche des organischen Isolierkörpers 23 wird vorzugsweise durch Aufdampfen gebildet, zum Beispiel mit Hilfe des Plasmasprüh­ verfahrens oder des physikalischen Aufdampfverfahrens. Als Material für die Schicht 24 kommt ein Material mit elektrischer Isoliereingenschaft in Betracht. Auch ein anderes Material als das bei der Ausführungsform nach Fig. 3 verwendete Oxid, beispielsweise ein Nitrid, ein Borid, ein Karbid oder dergleichen können unter dieser Voraussetzung einge­ setzt werden. Die Dicke der Schicht 24 ist sehr gering, sie liegt im Bereich von 1 bis 5 Mikrometern.

Wie oben im einzelnen beschrieben, entsteht wegen der anorganischen Keramikschicht auf der Oberfläche des organischen Isolierträgers keine Kriechspur, während die Vorteile des Materials des Isolatorkörpers beibehalten werden, nämlich mögliche komplizierte Form und geringes Gewicht bei einfacher Herstellung. Die Durchschlagfestigkeit wird nicht ge­ ringer, und es kommt auch nicht zu Erdschlüssen in ungünstiger Umgebung der Hoch­ spannungseinrichtung. Das periodische Reinigen der Oberfläche des Isolierkörpers ist nicht mehr erforderlich, und man muß auch keine Heizvorrichtung zum Unterbinden einer Kon­ densierung vorsehen.

Da der erfindungsgemäße Isolator Ultraviolettstrahlung verträgt, läßt sich der Isolator auch im Freien einsetzen. Es sind nicht nur die Vorteile von mit Rippen versehenen Durch­ führungen und Tragisolatoren vorhanden, welche vollständig aus Keramikmaterial gemäß dem Stand der Technik bestehen, sondern zusätzlich noch die Vorteile geringen Gewichts und hoher mechanischer Festigkeit. Da die endgültige Form des Isolatorkörpers frei wählbar ist, ist auch ein elektrisches Isoliergehäuse, das eine sehr kompliziert Struktur aufweist relativ einfach herstellbar, im Gegensatz zu Teilen aus massivem Keramikma­ terial.

Claims (11)

1. Elektrischer Isolator für eine elektrische Hochspannungseinrichtung, ange­ ordnet zwischen einem spannungsführenden Teil der Einrichtung und einem auf Erdpoten­ tial liegenden Teil der Einrichtung, umfassend:
einen aus organischem Material bestehenden Isolierkörper gewünschter Form, und
eine auf der Oberfläche des Isolierkörpers gebildete anorganische Isolierschicht.

2. Isolator nach Anspruch 1, bei dem die Isolierschicht eine Keramikschicht ist.

3. Isolator nach Anspruch 2, bei dem die Isolierschicht eine Aluminiumoxid­ schicht ist.

4. Isolator nach Anspruch 2, bei dem die Isolierschicht eine Zirkonoxidschicht ist.

5. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Isolierschicht eine Schicht ist, die mit Hilfe eines Plasmasprühverfahrens auf einer Oberfläche des organi­ schen Isolierkörpers aufgebracht ist.

6. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Isolierschicht eine Schicht ist, die auf der Oberfläche des organischen Isolierkörpers aufgedampft ist.

7. Isolator nach Anspruch 5, bei dem zwischen der Isolierschicht und dem or­ ganischen Isolierkörper durch Aufsprühen eines Gemisches aus anorganischem Pulver und organischem Pulver eine Zwischenschicht gebildet ist.

8. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der organische Isolier­ körper aus einem Harz gefertigt ist, welches aus der Gruppe Polyester- und Epoxy-Harz ausgewählt ist.

9. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ausgebildet in Form eines mit Rippen versehenen Tragisolators.

10. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ausgebildet als Durchführung.

11. Isolator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ausgebildet als Isoliergehäuse zur Aufnahme des spannungsführenden Teils.