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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Isolator, speziell
für elektrische Übertragungs- und
Verteilungsleitungen, mit verstärktem
Widerstand gegenüber
Biegebeanspruchungen.
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Spezieller
bezieht sich die Erfindung auf einen hohlen Isolator für Polköpfe zur
Unterstützung von
Pylonen in elektrischen Übertragungs-
und/oder Verteilungsleitungen.
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Es
ist bekannt, das hohle Isolatoren allgemein aus einem Rohr aufgebaut
sind, das aus Verbundmaterial hergestellt ist, typischerweise fiberglasverstärktem Kunststoff,
um das herum Rippen angeordnet sind, die aus Silikonmaterial hergestellt
sind; geeignete metallische Flansche sind an einem oder beiden Enden
der Röhre
befestigt und ermöglichen es,
den Isolator an ein zusätzliches
Element zu koppeln, wie z.B. einen weiteren Isolator oder den Rahmen
des Stützpylons.
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Im
gegenwärtigen
Stand der Technik sind die Flansche in den meisten Fällen an
den Enden des Isolators durch Kleben befestigt: Speziell kann das Kleben
abhängig
von den Erfordernissen und/oder den speziellen Anordnungen und der
geometrischen Konfiguration der Flansche auf der inneren Oberfläche des
Isolators, auf der äußeren Oberfläche, oder sowohl
als auch durchgeführt
werden.
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Diese
Lösung
zieht verschiedene Nachteile nach sich, deren kritische Wichtigkeit
offenbar wird, wenn der Isolator installiert ist und es erforderlich
ist, dass er bestimmten strukturellen Lasten widersteht. Speziell
auf dem Gebiet der elektrischen Übertragungsleitungen
erfordern neue Anwendungen, dass der gesamte Polkopf der Stützpylone
mit hohlen Isolatoren des oben beschriebenen Typs gebildet wird, so
dass einer einzige Komponente sowohl die strukturelle Funktion und
die dielektrische Funktion anvertraut wird; der Zweck dieser Lösung ist
es, die lateralen Dimensionen des Pylons drastisch zu verringern und
damit seine Auswirkungen auf die Umgebung.
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In
diesen Anwendungen wird es von Isolatoren gefordert, dass sie speziell
anspruchsvolle Aufgaben erfüllen;
speziell sind die Arten von Beanspruchungen, denen sie ausgesetzt
sind, hauptsächlich Biegebeanspruchungen
und werden kritisch an den Endflanschen, an denen das ausgeübte Biegemoment
am höchsten
ist.
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Die
isolierte Röhre,
die aus Verbundmaterial hergestellt ist, ist in der Tat an sich
in der Lage, viel größeren Biegemomenten
zu widerstehen, in Abschnitten, die nicht in der Nähe des Flansches
liegen, als proximal zur Kopplung zwischen der Röhre und dem Flansch: Die Biegemomente,
die auf die Röhre ausgeübt werden,
werden jedoch von der Röhre
auf die Schnittstelle zur Verbindung des Flansches und den Flansch
selbst abgegeben, wodurch Bereiche von hoher Spannungskonzentration
bestimmt werden, speziell in speziellen Bereichen der Schnittstelle zwischen
dem Flansch und der Röhre.
Speziell wird die Übertragung
von Spannungen von der Verbundröhre
zum Metallflansch dem Kleben anvertraut, und obwohl die Röhre dazu
in der Lage ist, dem Biegemoment zu widerstehen, das auf sie ausgeübt wird,
ist das schwächste
Element der Verbindung zwischen der Röhre und dem Flansch, d.h. das
Klebeelement, nicht in der Lage, dem Biegemoment zu widerstehen. Entsprechend
bewirken die Spannungen sogar für niedrige
Werte des Biegemoments, das auf die Röhre ausgeübt wird, nicht lediglich Risse
in der Klebstofflage, sondern sogar eine beiderseitige Trennung der
Röhre und
des Flansches, was ein folgliches Problem bewirkt.
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Speziell
zeigen experimentelle Tests und numerische Analysen, dass die Lastaufnahme-Möglichkeit
der Verbindung nicht ausreichend ist in Bezug auf die maximalen
Biegemomente, die durch Lasten erzeugt werden, die auf den Polkopf
einwirken.
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Eine
der Lösungen,
die hier eingesetzt werden kann, um den Nachteil zu vermeiden, ist
die Verwendung von Verbundröhren,
deren Durchmesser und Dicke beträchtlich überbemessen
sind; diese Lösung
ist natürlich
nachteilig, sowohl vom Gesichtspunkt der Kosten aus, welche sich
beträchtlich
erhöhen
werden, als auch vom Gesichtspunkt der visuellen Auswirkungen, welche
negativ beeinflusst werden würden
durch die anwachsenden Abmessungen des Isolators.
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Eine
weitere Lösung
zur Verbesserung der Biegeleistung von herkömmlichen Isolatoren könnte erreicht
werden, wenigstens theoretisch, durch geeignete Vergrößerung der
Teile der Röhre,
die sich in Kontakt mit dem Flanschen befinden. Jedoch zieht diese
Lösung
eine bestimmte Komplikation des Prozesses des Aufwickelns der Fasern
nach sich, aus welchen die Röhren
hergestellt werden (sogenanntes Filamentaufwickeln), was folglich
eine beträchtliche
Erhöhung
der Herstellungskosten nach sich zieht und deswegen letztlich die
Herstellung eines Produktes, das nicht wettbewerbsfähig ist
vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus.
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Es
sollte beobachtet werden, dass auf jeden Fall die Lösung, die
Kleben enthält,
den ernsthaften Nachteil hat, dass sie einen spröden Bruchmodus aufweist, d.h.,
dass das strukturelle Versagen plötzlich zutage tritt und ohne
Warnung und speziell mit dem Verlassen des elastischen Bereiches
zusammentrifft. Für
Anwendungen, so wie den isolierenden Polkopf, ist es stattdessen
wünschenswert,
dass das Versagen „plastisch" auftritt, d.h.,
dass die Struktur, nachdem sie ihren elastischen Bereich verlässt, dazu in
der Lage ist, extreme Lasten aufzunehmen, indem sie große permanente
Verformungen erfährt,
aber mit dem unstreitbaren Vorteil, in Begriffen der Sicherheit,
dass sie ihre Integrität
behält.
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Eine
weitere Art von Lösung
ist in der japanischen Patentanmeldung
JP02745027 offenbart, die einen Isolator
beschreibt, der aus Verbundmaterial hergestellt ist, der an seinen
beiden Enden mit zwei metallischen Flanschen gekoppelt ist. In diesem
Fall wird die Kopplung durch Installation eines zusätzlichen
Verstärkungsisolators
innerhalb des Isolators und an jedem seiner Enden realisiert, der
ebenso aus Verbundmaterial hergestellt ist, und durch Anpassungsstifte
in Durchgangslöchern,
die an den Flanschen bereitgestellt werden, im Isolator und in den Verstärkungsisolatoren.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen hohlen Isolator bereitzustellen,
speziell für
Polköpfe
von Stützpylonen
in elektrischen Übertragungs-
und/oder Verteilungsleitungen, welche es ermöglichen, beträchtlich
das maximale Biegemoment zu verbessern, dem standgehalten werden
kann in Bezug auf jenes von Isolatoren herkömmlicher Bauart.
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Innerhalb
des Bereiches dieses Zieles ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen hohlen Isolator bereitzustellen, speziell für Polköpfe von Stützpylonen
in elektrischen Übertragungs-
und/oder Verteilleitungen, dessen Bruchmodus nicht spröde sondern
plastisch ist, wodurch folglich eine Erhöhung der Sicherheitsspanne
ermöglicht
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hohlen
Isolator bereitzustellen, speziell für Polköpfe von Stützpylonen in elektrischen Übertragungs-
und/oder Verteilungsleitungen, welcher es ermöglicht, eine beträchtliche
Verbesserung im Niveau des Biegemomentes zu erreichen, dem widerstanden
werden kann, ohne dass die Materialen, die verwendet werden, verändert werden,
die geometrischen Abmessungen und die Herstellungsverfahren für den Isolator.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen hohlen
Isolator bereitzustellen, speziell für Polköpfe von Stützpylonen in elektrischen Übertragungs-
und/oder Verteilungsleitungen, welcher hochzuverlässig ist,
relativ einfach herzustellen und zu wettbewerbsfähigen Kosten.
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Dieses
Ziel, diese Aufgaben und anderes, welches nachfolgend offenbar wird,
werden durch einen hohlen Isolator für elektrische Übertragungs- und/oder
Verteilungsleitungen erreicht, der eine Isolationsröhre enthält, die
aus Verbundmaterial hergestellt ist, welche an wenigstens einem
Ende davon mit einem Metallflansch gekoppelt ist mittels einer Vielzahl
von Verbindungsmitteln, die dazu geeignet sind, auf den Flansch
Biegebeanspruchungen zu übertragen,
aufgrund von Biegemomenten, die auf die Röhre ausgeübt werden, wobei diese Verbindungsmittel
im Wesentlichen unter Scherspannungen arbeiten und Stifte beinhalten,
die am Flansch befestigt sind und die entsprechende Löcher erfassen,
die in der Röhre
ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte und
die Löcher
entlang wenigstens zwei parallelen Umfangsreihen angeordnet sind
und eine Achse aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Isolationsröhre
ist, wobei die Stifte und die entsprechenden Löcher, die in der Isolationsröhre ausgebildet
werden und die zu zwei benachbarten umfänglichen Reihen gehören, beiderseitig übereinandergestaffelt
sind in Bezug auf die Längsachse
der Röhre.
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Auf
diese Weise ergibt sich der große
Vorteil, dass die maximalen Biegebeanspruchungen, denen durch das
Gelenk widerstanden werden kann, beträchtlich erhöht werden, und deswegen durch
den Isolator als gesamtes, ohne dass die Geometrie und/oder die
Abmessungen der Isolationsröhre
verändert
werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden zutage
treten, aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten, aber nicht
ausschließlichen
Ausführungsformen
des Isolators gemäß der Erfindung,
die lediglich als nicht-beschränkendes
Beispiel in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind, worin:
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1 eine
perspektivische Teilansicht eines Flansches darstellt, der im Isolator
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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2 eine
schematische Teilansicht einer Verbundröhre darstellt, die im Isolator
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird;
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3 eine
perspektivische Teilansicht einer ersten Ausführungsform der Kopplung zwischen
der Röhre
und dem Flansch im Isolator gemäß der Erfindung
zeigt;
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4 eine
Teilschnittansicht zeigt, die entlang einer longitudinalen Ebene
genommen ist, eines Details einer zweiten Ausführungsform der Kopplung zwischen
der Isolationsröhre
und dem Flansch im Isolator, gemäß der Erfindung.
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Mit
Bezug auf die obigen Figuren, enthält der Isolator gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Isolationsröhre 1,
die aus Verbundmaterial hergestellt ist, bevorzugt fiberglasverstärkter Kunststoff,
und wenigstens einen Metallflansch, der bevorzugt aus Aluminium
hergestellt ist, der allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichnet
ist. Speziell, wie in den 1 und 3 gezeigt,
besteht der Metallflansch 100 im Wesentlichen aus zwei
Teilen, einem scheibenförmigen
Teil 2, der die Kopplung des Isolators mit einem anderen
Element ermöglicht,
z.B. einem weiteren Isolator oder einem Rahmen, und einem zylindrischen
Teil 3, welches in geeigneter Weise mit der Röhre 1 verbunden
ist.
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Vorteilhaft
ist im Isolator gemäß der vorliegenden
Erfindung die Verbindung zwischen dem Flansch 100 und der
Röhre 1 mittels
einer Vielzahl von Verbindungsmitteln bereitgestellt, welche, indem sie
im Wesentlichen unter Scherspannung arbeiten, an den Flansch 100 die
Biegespannungen übertragen,
aufgrund der Biegemomente, die auf die Röhre 1 übertragen
werden.
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Wie
im Detail in 1 und 3 gezeigt,
bestehen die Verbindungsmittel aus metallischen oder Verbundstiften 4,
welche am Flansch 100 befestigt sind und die entsprechende
Löcher 5 erfassen,
die in der Oberfläche
der Röhre 1 ausgebildet
werden; Speziell bestehen im veranschaulichten Ausführungsbeispiel
die Stifte 4 aus Stahlzylindern, von denen wenigstens ein
Endteil 4' mit
einem Gewinde versehen ist, welches in Blindsitze 6 geschraubt
wird, die im Flansch 100 ausgebildet sind.
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Speziell
sind die Stifte 4, welche vom zylindrischen Teil 3 des
Flansches vorspringen, auf einem solchen Teil 3 entlang
einer oder mehreren umfänglichen
Reihen angeordnet, und die Achse 7 jedes Stiftes 4 ist
im Wesentlichen senkrecht auf die longitudinale Achse 8 der
Röhre 1.
Diese Lösung
ermöglicht es,
dass die Stifte 4 lediglich Scherspannungen ausgesetzt
werden, und erleichtert die Abläufe
zur beiderseitigen Befestigung des Flansches 100 und der Röhre 1.
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Im
Isolator gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Stifte 4 wenigstens entlang zwei parallelen
Umfangsreihen angeordnet, und, mit Bezug auf die Längsachse 8 der
Röhre 1,
sind die Stifte 4, die zu einer Reihe gehören, in
Bezug auf jene der benachbarten Reihe gestaffelt. Entsprechend sind
die zugeordneten Löcher 5,
die in der Röhre 1 ausgebildet
werden, die zu zwei benachbarten Reihen gehören, ebenso gestaffelt, wie
das in 2 gezeigt wird. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise,
die Löcher
gegenseitig zu beabstanden und den Widerstand leistenden Querschnitt
der Röhre 1,
was dazu beiträgt, die
gesamte strukturelle Stärke
des Isolators zu verbessern.
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Ein
weiterer Vorteil des Isolators gemäß der vorliegenden Erfindung
ist jener, dass die Stifte 4 eine Höhe 20 aufweisen, welche
gleich ist, oder auf jeden Fall kleiner als der Abstand 30,
der zwischen dem Boden der Sitze 6 gebildet wird, welche
im Flansch 100 ausgebildet werden, und der äußeren Oberfläche der
Isolationsröhre 1.
Auf diese Weise springen die Stifte 4, wenn sie einmal
befestigt sind, nicht von der Röhre 1 vor
und ermöglichen
es ebenso, den Röhrenflanschkopplungsbereich
mit Isolationsrippen 21 abzudecken, welche typischerweise aus
Silikongummi hergestellt sind. Dies stellt den doppelten Effekt
sicher, dass die Lecklänge
des Isolators unverändert
bleibt und mittels der Abdichtung der Durchgangslöcher 5 verhindert
wird, dass Feuchtigkeit auf irgendeine Weise in die Röhre 1 durchtritt, welche
die dielektrische Stärke
des Isolators gefährden
könnte.
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Wie
aus den 3 und 4 erkannt
werden kann, ist der Flansch mit der inneren Oberfläche der
Röhre verbunden.
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In
Praxis wurde beobachtet, dass der Isolator gemäß der vorliegenden Erfindung
es ermöglicht, dass
die beabsichtigten Ziele und Aufgaben vollständig erreicht werden, weil
er es ermöglicht,
dass das maximale Biegemoment, dem widerstanden werden kann, in
Bezug auf Isolatoren herkömmlicher
Bauart beträchtlich
erhöht
werden kann; ferner haben experimentelle Tests und numerische Analysen
gezeigt, dass der Isolator einen Bruchmodus aufweist, der nicht
spröde
ist, sondern plastisch, weil zwischen dem Biegemoment und der Streckgrenze
(erstes Lagenversagen) und dem Bruchbiegemoment (endgültiges Laminatversagen)
eine beträchtliche
Spannweite liegt, über
welche die Isolationsröhre
die Lasten, die ausgeübt
werden, zurückhält, indem
sie große permanente
Verformungen erfährt
(Delaminierung), aber wobei sie ihre strukturelle Integrität behält und dadurch
die Sicherheit erhöht.
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Der
gegenwärtige
Isolator, der derartig erdacht wurde, kann zahlreichen Abwandlungen
und Veränderungen
unterzogen werden, innerhalb des Bereiches der beigefügten Ansprüche. In
der Praxis können
die verwendeten Materialien so wie die Abmessungen irgendwelche
gemäß den Erfordernissen und
dem Stand der Technik sein.