DE69024229T2 - Elektrischer isolator - Google Patents

Elektrischer isolator

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Isolator und insbesondere einen Isolator, der aus einem polymeren Material gebildet ist.
  • Normalerweise sind Isolatoren aus einem länglichen Körper eines elektrisch isolierenden Materials, wie z.B. Porzellan mit oder ohne eine zusätzliche äußere polymere Komponente, oder aus Glasfasermaterial gebildet, das mit einer polymeren Komponente ummantelt ist. Metallanschlüsse sind an jedem Ende für die Verbindung mit einer elektrischen Einrichtung unter hoher Spannung (üblicherweise höher und oft sehr viel höher als 1 kV) bzw. (normalerweise) mit Erde angebracht. Die äußere Oberfläche kann schirmförmig und/oder wellenförmig ausgebildet sein, um zu verhindern, daß Wasser direkt zwischen den endseitigen Anschlüssen fließt, und auch um die Kriechweglänge zu verlängern.
  • Im Fall eines massiven Porzellanisolators können die Schirme und/oder Wellen integral mit dem Porzellankern ausgebildet sein. Alternativ kann auf einer zylindrischen Porzellanstange mit einheitlichem Durchmesser eine polymere Komponente mit schirmförmiger und/oder wellenförmiger Konfiguration angebracht sein. Aufgrund der schlechten elektrischen und Wasser aufnahme-Eigenschaften von Glasfasermaterial ist dann, wenn ein Isolatorkern aus einem solchen Material vorgesehen wird, eine äußere Schutzkomponente notwendig, und diese kann zweckmäßigerweise durch eine schirmförmige und/oder wellenförmige polymere Komponente zur Verfügung gestellt werden.
  • Porzellan ist ein traditionelles Isolatormaterial und wird bei manchen Anwendungsformen immer noch wegen seiner überragenden Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigung durch elektrische Entladungen, Verwitterung und chemischem Angriff bevorzugt. Es ist jedoch verhältnismäßig schwer, und es ist ein sprödes Material, das bei einem Aufprall zerbrechen kann; in dieser Hinsicht sind die Wellen oder Schirme besonders anfällig. Des weiteren hat Porzellan eine hohe freie Oberflächenenergie, so daß Schmutz festgehalten wird. Das Herstellungsverfahren macht das Brennen in einem Brennofen erforderlich, und dies ist für die Herstellung komplexer Formen nicht förderlich. Es ist jedoch kein teures Material zur Herstellung eines Isolators.
  • Polymere Isolatoren sind im allgemeinen für viele Anwendungsbereiche geeignet und werden häufig und erfolgreich verwendet, insbesondere wegen ihres geringen Gewichts, besonders in Relation zu Porzellan oder anderen keramischen Materialien, und ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Verschmutzung unter den schwierigsten Bedingungen, zum Beispiel bei höheren Spannungen und bei ungünstigen Arbeitsbedingungen, besonders bei starken Umweltverschmutzungen. Des weiteren behalten polymere Materialien normalerweise ihre mechanische Unversehrtheit bei, wenn sie mechanischem Mißbrauch unterworfen werden, und sie können verhältnismäßig einfach zu komplexen Profilen geformt werden.
  • Ein Beispiel eines polymeren Isolators ist in dem Britischen Patent Nr. 1292276 offenbart, und weist ein zentrales Trägerelement auf, das ein Stab oder Rohr aus Glasfasermaterial mit einem Metallanschluß an jedem Ende und einer äußeren Oberflächenschicht sein kann, die aus einer wärmeschrumpfbaren, keinen Kriechweg bildenden, isolierenden polymeren Hülle gebildet ist, die sich über die ganze Länge des Trägerelementes erstreckt und über jeden endseitigen Anschluß hinausgeht.
  • Eine weitere vorteilhafte Form eines elektrischen Isolators ist in der EP-B-0125884 offenbart, wobei es sich um einen Isolator handelt, der eine Mischform zwischen einem Porzellanisolator und einem polymeren Isolator ist. Dieser Isolator verbindet die Vorteile der konstruktiven Festigkeit von Porzellan, den Isolatorkern zu bilden, an dessen Enden Metallverbindungsanschlüsse angebracht sind, mit den Vorteilen der Leichtigkeit, Formbarkeit und mechanischen Widerstandsfähigkeit (insbesondere gegen mutwillige Zerstörung) von polymerem Material, um eine äußere Komponente zu bilden. Die äußere Komponente ist längs des Porzellankernes von den Metallendanschlüssen beabstandet, um eine Verschlechterung des Polymers an solchen Stellen aufgrund intensiver lokaler elektrischer Aktivität zu vermeiden.
  • Porzellan- und Hybrid-Isolatoren leiden jedoch immer noch unter den Problemen, die mit der hohen Dichte, und damit dem Gewicht, von Porzellan zusammenhängen, und dieser Nachteil gilt auch für andere Keramikarten, wie z.B. Glas. Isolatorkerne aus Glasfaser sind auf der anderen Seite anfällig gegen das Eindringen von Feuchtigkeit, die dann die ganze Länge des Isolators entlangkriecht, da sich die Glasfasern von dem einen Ende des Isolators bis zum anderen erstrecken, so daß sich eine leitende Bahn bildet und seine Betriebsbereitschaft zerstört. Des weiteren kann bei Anwendungen, die Telekommunikationsverbindungen betreffen, und insbesondere bei Hochfrequenz jede mechanische Bewegung zwischen den Metallendanschlüssen des Isolators und der zugeordneten elektrischen Einrichtung zu intermittierenden Kontakten führen, die elektrische Störungen erzeugen können.
  • Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Isolator zur Verfügung zu stellen, der einige oder sogar alle der vorstehend erwähnten Nachteile überwindet, oder wenigstens abmildert,
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrischer Isolator zur Verfügung gestellt, der folgendes aufweist:
  • i) eine äußere Komponente mit einer im allgemeinen rohrförmigen Konfiguration, die aus einem elektrisch isolierenden, im wesentlichen keinen Kriechweg bildenden polymeren Material gebildet ist, und
  • ii) eine innere Komponente, die aus einem elektrisch isoherenden polymeren Material gebildet ist,
  • und ist dadurch gekennzeichnet,
  • daß das elektrisch isolierende Material der inneren Komponente aus einem im wesentlichen homogenen, nicht-hygroskopischen polymeren Material gebildet ist, das einen Biegemodul von ungefähr 0,5 bis 20,0 GPa bei 23 ºC hat.
  • Die inneren und die äußeren Komponenten bestehen vorzugsweise aus getrennten Teilen, und die äußere Komponente ist auf der inneren Komponente angebracht.
  • Dieser Aspekt der Erfindung stellt somit einen Zweikomponenten-Isolator zur Verfügung, bei dem die innere Komponente aus polymerem Material besteht, das hinsichtlich seiner mechanischen Eigenschaften so ausgewählt wurde, daß es steif genug ist, ein Element mit geeigneter Festigkeit zu bilden, das auch wasserbeständig ist, und bei dem die äußere Komponente ein polymeres Material ist, das hinsichtlich seiner elektrischen Eigenschaften so ausgewählt wurde, daß es eine wetterbeständige äußere Oberfläche zur Verfügung stellt, die keinen Kriechweg bildet. Das Material, das die innere Komponente bildet, ist so beschaffen, daß es keine Metallendanschlüsse benötigt, wie sie bei den bekannten Isolatoren bentigt werden, da mechanische Kräfte zu oder von der inneren Komponente direkt übertragen werden können, indem zum Beispiel Löcher eingebohrt und mit einem Gewinde versehen werden.
  • Im Gegensatz zu einem Isolator, der einen Glasfaserkern hat, gibt es keine durchgehenden Verstärkungsfasern, die durch ein solches Bohren aufgebrochen werden können, was sonst wieder die Möglichkeit für das Eindringen von Wasser schaffen würde. Aufgrund der dem Material innewohnenden Eigenschaften besteht des weiteren keine Notwendigkeit durch herkömmliche Endanschlüsse sicherzustellen, daß die planen Enden der inneren Komponente gegen das Eindringen von Feuchtigkeit abgedichtet werden.
  • Der Biegemodul geeigneter Materialien für die innere Komponente liegt im Bereich von ungefähr 0,5 GPa bis ungefähr 20 Gpa bei 23 ºC. Für einige Materialien kann es notwendig oder wünschenswert sein, einen verstärkenden Füllstoff hinzuzufügen, um die benötigte mechanische Festigkeit herzustellen, und in solchen Fällen kann der Füllstoff aus zerhacktem Fasermaterial bestehen, das zum Beispiel Glas sein kann. Es sollte selbstverständlich sein, daß, obwohl der Isolator der vorliegenden Erfindung Glasfasern enthalten kann, diese von kurzer Länge sind, sich nicht kontinuierlich von dem einen Ende des Isolators bis zum anderen erstrecken und somit nicht seine Homogenität zerstören, mit anderen Worten, daß es keine bevorzugte Ausrichtung des Materials der inneren Komponente gibt.
  • Die Konfiguration des Isolators der Erfindung wird im allgemeinen länglich sein, wobei die innere Komponente ein zylindrischer Stab ist, wobei die äußere Komponente darauf angebracht ist, so daß die äußere Oberfläche der inneren Komponente im wesentlichen eingeschlossen und somit elektrisch geschützt ist. Abhängig davon, wie die Verbindung zwischen dem Isolator und der zugeordneten elektrischen Einrichtung ausgebildet ist, können die im allgemeinen planen Enden der inneren Komponente bei einer anderen Ausführungsform eine hohle rohrförmige Konfiguration haben, vorausgesetzt, daß jedes Ende ordnungsgemäß abgedichtet ist, um Wasser oder Feuchtigkeit draußen zu halten.
  • Das Material der inneren Komponente kann vorteilhafterweise ausgewählt werden aus: durch Reaktionsspritzgießen geformtem Polyharnstoff; Polyethylen hoher Dichte; Polyethylenterephthalat; NORYL, einem durch Polystyrol modifizierten Polyphenylenoxid, erhältlich von General Electric Corporation; Polyetheretherketon; Polybutylenterephthalat; Polypropylen; Polyethersulfon und Polyetherimid. Das Material der inneren Komponente hat vorteilhafterweise eine Dielektrizitätskonstante (Permittivität), die nicht größer als 4 ist, was weniger ist als die Werte (größer als 5) für Porzellan, Glas oder Glasfaser. Die innere Komponente hat somit eine verhältnismäßig geringe Kapazität, was bedeutet, daß der Wert des erzeugten Funkrauschens gering ist. Solche Isolatoren sind somit besonders für die Verwendung bei Funkantennen geeignet.
  • Die nachfolgenden Materialien, bei denen der Biegemodul eines entsprechenden Stabes (in GPa bei 23ºC) in Klammern angegeben ist, sind besonders geeignet für die Verwendung als innere Komponente des Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung: Polyetheretherketon (PEEK), gefüllt mit 30 Gew.% zerhackten Glasfasern (10); eine Verbindung aus ungefülltem Polyethersulfon oder Polyetherimid (2,6); Polyethylenterephthalat (PET), gefüllt mit 50 Gew.% oder 30 Gew.% zerhackten Glasfasern (18,3 bzw. 11,3); ungefülltes PET (2,5); Polypropylen, gefüllt mit 30 Gew.% zerhackten Glasfasern (6,0); ungefülltes Polybutylenterephthalat (PBT) (2,0); Polyethylen hoher Dichte (HDPE) (1,0); und durch Reaktionspritzguß geformter (RIM) Polyharnstoff (0,5 - 0,1). Solche Materialien sind für die Verwendung im Temperaturbereich von -40 ºC bis +80 ºC geeignet, sie haben eine Durchschlagsfestigkeit, die größer kV/mm ist, sie haben eine niedrige Wasserabsorption, und behalten ihre gute Durchschlagsfestsigkeit sogar dann bei, wenn sie mit Wasser gesättigt sind.
  • Für die Außenanwendung und/oder in verunreinigten Umgebungen, hat die äußere Oberfläche des Isolators vorteilhafterweise eine schirmförmige und/oder wellenförmige Konfiguration. Dies kann zweckmäßigerweise erreicht werden, indem die äußere Komponente in der Form eines Gegenstandes zur Verfügung gestellt wird, wie er in der GB-A-1530994 oder der GB-A-1530995, oder der EP-A-0147978 angegeben ist, das heißt als hohler Gegenstand mit einer schirmförmigen und/oder wellenförmigen Konfiguration. Solche Gegenstände sind durch Wärmeeinwirkung rückstellbar, aber es ist auch daran gedacht, daß die äußere Komponente ohne Wärmeeinwirkung angebracht werden kann, und zum Beispiel ein Gegenstand der Art sein kann, wie er in der EP-B-0210807 angegeben ist.
  • Alternativ kann die äußere Komponente auf die innere Komponente aufgeformt werden.
  • Geeignete wärmerückstellbare Gegenstände für die Verwendung als äußere Komponente des Isolators sind von Raychem unter der Bezeichnung 2005-Teile erhältlich. Diese Teile sind sowohl wetterbeständig, d.h. sie haben einen guten Widerstand gegen ultraviolette Strahlung, Ozon, Salze und Wasser, und sie bilden auch keinen Kriechweg, d.h. sie entsprechen der ASTM D2303 für schiefe Ebene und der IEC 112 Vergleichsspezifikation für Kriechwegindex. Beispiele geeigneter Materialien für die äußere Komponente sind in der GB-A-1337951 und 1337952 angegeben.
  • Die vollständigen Darlegungen der GB-A-1530994, der GB-A-1530995, der EP-A-0147978, der EP-B-0210807, der GB-A-1337951 und der GB-A-1337952 werden hier summarisch einbezogen.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die innere Komponente oder das Festigkeitselement selbst zu einer schirmförmigen und/oder wellenförmigen Konfiguration geformt sein, und die äußere Komponente kann aus einem einheitlichen rohrförmigen Teil gebildet sein. Das einheitliche rohrförmige Teil wird dann auf der inneren Komponente angebracht, um sich ihr im wesentlichen anzupassen. Eine solche Anpassung kann vorteilhafterweise dadurch erreicht werden, daß die äußere Komponente aus einem rückstellbaren, zum Beispiel wärmerückstellbaren, Rohr aus polymerem Material mit im wesentlichen einheitlichem Durchmesser und einheitlicher Wandstärke gebildet ist, das auf die innere Komponente rückgestellt wird.
  • Es ist auch ins Auge gefaßt, daß gemäß der Erfindung ein elektrischer Isolator vollständig aus einem homogenen, elektrisch isolierenden, im wesentlichen keinen Kriechweg bildenden, nicht-hygroskopischen polymeren Material gebildet sein kann, das ein Biegemodul von wenigstens ungefähr 0,5 GPa bei 23 ºC hat. Der Isolator kann somit aus einer einzigen Komponente gebildet werden, die die geforderten mechanischen und elektrischen Eigenschaften hat. Es ist einzusehen, daß Isolatoren aus den vorstehend aufgeführten Materialien oder aus Kombinationen davon gebildet werden können.
  • Anhand von Beispielen werden nachstehend Isolatoren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Querschnittszeichungen beschrieben.
  • Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist der 250 mm lange Isolator, der für die Verwendung bei 3 kV geeignet ist, einen länglichen zylindrischen Stab auf, der eine innere Komponente 2 und ein schirmförmiges Rohr bildet, das eine äußere Komponente 4 bildet. Die innere Komponente 2 mit einem Durchmesser von 20 mm verjüngt sich an jedem Ende leicht, wobei der Kegel ferner dazu dient, die äußere Komponente 4, die durch Wärme auf die innere Komponente 2 rückgestellt wurde, zu sichern. Ein Loch 6 mit einem Durchmesser von 10 mm ist jeweils durch beide Komponenten an den Enden mit den verringerten Durchmessern gebohrt und mit einem Gewinde versehen, so daß der Isolator direkt mit der zugeordneten elektrischen Einrichtung verbunden werden kann. Die äußere Komponente 4 hat eine Reihe von Schirmen 8 mit einem größeren Durchmesser, die über die Länge des Isolators mit einer Reihe von Schirmen 10 mit kleinerem Durchmesser abwechseln, so daß sich ein Gesamtkriechweg von 650 mm ergibt.
  • Wie aus Figur 2 ersichtlich, wird die innere polymere Festigkeitskomponente 20 des Isolators selbst aus einem Vollkörper mit Schirmen 22 gebildet, die integral damit gebildet sind. Die äußere Komponente wird hergestellt, indem ein hohles, wärmeschrumpfbares Rohr 24 mit einem einheitlichen Außendurchmesser über das Kernteil 20 in Anpassung an dieses geschrumpft wird.

Claims (11)

1. Elektrischer Isolator, der folgendes aufweist:
i) eine äußere Komponente (4; 24) mit einer im allgemeinen rohrförmigen Konfiguration, die aus einem elektrisch isolierenden, im wesentlichen keinen Kriechweg bildenden polymeren Material gebildet ist, und
ii) eine innere Komponente (2; 20), die aus einem elektrisch isolierenden polymeren Material gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch isolierende Material der inneren Komponente (2; 20) aus einem im wesentlichen homogenen, nicht-hygroskopischen polymeren Material gebildet ist, das einen Biegemodul von ungefähr 0,5 bis 20,0 GPa bei 23 ºC hat.
2. Isolator nach Anspruch 1, wobei die innere Komponente als ein mechanisches Trägerelement für die äußere Komponente dient.
3. Isolator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Komponente ein massives Element oder alternativ ein rohrförmiges Element ist.
4. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das polymere Material der inneren Komponente durch einen Füllstoff verstärkt ist.
5. Isolator nach Anspruch 4, wobei der verstärkende Füllstoff zerhacktes Fasermaterial, vorzugsweise Glas, aufweist.
6. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der inneren Komponente aus folgenden Materialien ausgewählt ist: durch Reaktionsspritzgießen geformter Polyharnstoff, Polyethylen hoher Dichte, Polyethylenterephthalat, Polyetheretherketon, Polybutylenterephthalat, Polypropylen, Polyethersulfon und Polyetherimid.
7. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der inneren Komponente so ausgewählt ist, daß es eine Dielektrizitätskonstante hat, die nicht größer als ungefähr 4 ist.
8. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Fläche der äußeren Komponente eine schirmförmige und/oder wellenförmige Konfiguration hat.
9. Isolator nach Anspruch 8, wobei die schirmförmige und/oder wellenförmige Konfiguration durch die Konfiguration der inneren Komponente geschaffen wird.
10. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Komponente die innere Komponente im wesentlichen vollständig umschließt.
11. Isolator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die äußere Komponente an der inneren Komponente dadurch angebracht ist, daß sie vorzugsweise durch Hitze in ihre Position zurückgestellt ist.
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