EP0092548A1

EP0092548A1 - Verbundisolator.

Info

Publication number: EP0092548A1
Application number: EP81903257A
Authority: EP
Inventors: Martin Kuhl
Original assignee: Ceramtec GmbH
Current assignee: Ceramtec GmbH
Priority date: 1981-11-04
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1983-11-02
Also published as: CA1212436A; JPS58501528A; WO1983001707A1; DE3172780D1; JPH0145684B2; AU7892482A; EP0092548B1; ZA828103B

Description

Verbundisolator

Die Erfindung betrifft einen Verbundisolator aus Kunststoff, insbesondere für Hochspannungsfreileitungen, bestehend aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffstab, am Stab angeordneten Kunststoff schirmen und aus Armaturen an den Stabenden.

Derartige Verbundisolatoren, die z. B. aus der DE-OS 26 50 363 bekannt sind, sollen bestimmten elektrischen Anforderungen genügen. Der Stab soll elektrisch durchschlagsfest sein. Zudem sollen die Schirme derart an dem Stab, der auch Strunk genannt wird, befestigt sein, daß im Kontaktbereich keine elektrischen Durchschläge auftreten. Die Schirme selbst sollen so dick dimensioniert sein, daß elektrische Durchschläge vermieden werden; sie sollen außerdem aus einem witterungs-,UV- und ozonbeständigen Material bestehen, das eine sehr hohe Kriechstromfestigkeit aufweist.

Neben der elektrischen Festigkeit muß der glasfaserverstärkte Kunststoffstab erhebliche mechanische Festigkeiten gewährleisten. Die mechanische Festigkeit ergibt sich aus der Materialzusammensetzung der Art und Lage der Fasern und aus dem Verbund zwischen Glasfasern und Kunststoff.

Es ist bekannt, daß die elektrische und mechanische Festigkeit des glasfaserverstärkten Stabes eines Verbundisolators beim langzeitigen Einsatz , insbesondere in Freiluftleitungen, durch Einflüsse der Umwelt erheblich beeinträchtigt werden kann. Zur Verminderung der Einflüsse versucht man, den Stab mit den Schirmen derart zu ummanteln, daß Atmosphärilien nicht bis an den Stab dringen. Befriedigend ist dies bisher jedoch noch nicht gelungen, so daß Isolatorbrüche immer noch auftreten können.

Ein anderer Vorschlag (DE-OS 26 50 363) geht davon aus, daß insbesondere der Wasserangriff auf den mit Glasfasern verstärkten Kunststoffstab für das Nachlassen der Festigkeit verantwortlich ist. Es werden deshalb Glasfasern eingesetzt, die zwar der üblichen Zusammensetzung entsprechen, die aber besonders alkaliarm sind, weil älkaliarme Gläser von Hause aus eine geringere Wasserlöslichkeit gewährleisten und das herausgelöste Alkali die Hydrolyse des Bindeharzes auslösen und beschleunigen kann. Zudem sollen die alkaliarmen Glasfasern mit einem unverseifbaren Bindeharz kombiniert werden, das gegen Wasserangriff beständig sein soll.

Trotz der beschriebenen Maßnahmen sind insbesondere bei Freileitungsverbundisolatoren Brüche aufgetreten, die zunächst unerklärbar waren und schon nach verhältnismäßig kurzer Betriebszeit bei relativ geringen mechanischen Belastungen auftraten. Die Bruchbilder der in Freileitungen gebrochenen Isolatoren unterscheiden sich optisch deutlich von Bruchbildern, die z. B. bei Zug versuchen im Laboratorium und auch bei langjährigen Langzeitfestigkeitsuntersuchungen in Freiluft-Prüffeldern auftreten; denn ein achsparallel mit endlosen Glasfasern verstärkter Kunststoffstab bricht unter mechanischer Belastung, indem sich das Bindeharz von den Glasfasern löst und die Glasfasern zerreißen. Dabei zersplittert der Stab in Längsrichtung. Die in situ auftretenden Brüche verlaufen dagegen nahezu senkrecht zur Stablängsachse, wobei die Bruchfläche glatt ausgebildet ist.

In überraschender Weise haben Versuche ergeben, daß die glatten, senkrecht zur Stablängsachse verlaufenden Brüche durch die Einwirkung von wässeriger Salpetersäure entstehen. Es ist seit langem bekannt, daß sich infolge eines elektrischen Lichtbogens bei Anwesenheit von Luft und Wasser aus dem Luftstickstoff Salpetersäure bildet. Offenbar geschieht dies auch durch eine elektrische Entladungstätigkeit auf der Isolatorschirmhülle bei Verschmutzung und Feuchtigkeit, wobei die Salpetersäure durch die Schirmhüllen hindurchdiffundiert oder über Spalten und Risse weitergeleitet wird, zum glasfaserverstärkten Kunststoffstab gelangt und dann den glatten Querbruch verursacht. Damit ist verständlich, daß die Stabquerbrüche bisher nicht bei Laborprüfungen auftraten und auch sonst in der Literatur über glasfaserverstärkte Kunststoffe unbekannt sind.

Aufgabe der Erfindung ist, bei Verbundisolatoren der eingangs beschriebenen Art die in situ auftretenden Querbrüche zu verhindern.

Diese Aufgabe wird bei einem Verbundisolator aus Kunst stoff, bestehend aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffstab, am Stab angeordneten Kunststoffschirmen sowie Armaturen an den Stabenden, dadurch gelöst, daß die achsparallel angeordneten Glasfasern im Kunststoffstab aus borarmem, vorzugsweise borfreiem Aluminium-Silikat-Glas bestehen. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem borarmen Glas ein Glas verstanden, das Bor oder eine Borverbindung, berechnet als B₂O₃, von höchstens einem Gew.-% aufweist.

Borfreie Gläser sind Gläser, die Bor oder Borverbindungen, berechnet als B₂O₃, von weniger als 0,01 Gew.-% besitzen, weil geringere Borgehalte nur noch spurenanalytisch zu ermitteln und für den erfindungsgemäßen Zweck unwirksam sind.

Besonders günstig sind Glasfasern aus einem Glas folgender Zusammensetzung (in Gew.-%):

SiO₂ 55-80

Al₂O₃ 20-30

MgO 5-15

CaO 0-10

Na₂O 0- 1

Bevorzugt werden Glasfasern aus einem Glas folgender Zusammensetzung:

SiO₂ 60-80

Al₂O₃ 20-30

MgO 5-15

C aO 0- 2

Na₂O - Glasfasern ohne CaO sind besonders resistent und werden deshalb bevorzugt verwendet.

Die Glasfasern sollten zweckmäßigerweise mit einer Dicke von 5 bis 4,0 μ m und in einer endlosen Länge achsparallel zur Stabachse verarbeitet werden.

In Kombination mit den erfindungsgemäß verarbeiteten Glasfasern ist von Vorteil, wenn der Alkalioxidgehalt des Glases weniger als 1 Gew. -% beträgt. Vorzugsweise sollten die Glasfasern alkalifrei sein. Dadurch kann bekanntermaßen der Wasserangriff verhindert bzw. die elektrische Durchschlagsfest igkeit erhöht werden.

Als weitere erfindungsgemäße Kombination ist zur Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit des Stabes vorgesehen, daß als die Glasfasern umgebendes Bindeharz ein Bindeharz verwendet wird, das gegen Wasserangriff beständig ist. Vorzugsweise wird daher ein Bindeharz eingesetzt, das keine hydrolisierbaren Moleküle aufweist. Besonders geeignet ist insofern ein Epoxidharz des Glycidyläthertyps.

Um den Isolator nach der Erfindung möglichst wirtschaftlieh herstellen zu können, ist es zweckmäßig, für die Schirmhülle vorgefertigte Isolierteile zu benutzen. Auf diese Weise können beliebig lange Isolatoren hergestellt werden; denn auch der glasfaserverstärkte Kunststoffstab kann z. B. in einem Endlos-Ziehverfahren hergestellt werden. Staboberfläche und Schirme können in bekannter Weise mit Haftmitteln behandelt und - wie üblich - zusammengefügt werden, z. B. durch Angießen, Anvulkanisieren, Ankleben oder dergleichen. Dabei spielen die auftretenden radialen Verbindungsfugen zwischen den Schirmteilen keine dominante Rolle mehr, da der glasfaserverstärkte Kunststoffstab resistent gegen Salpetersäure sowie gegen Wasser ist.

Bei Kenntnis des beschriebenen, vor der Erfindung bekannten Sachverhalts könnten sich allenfalls ohne weiteres zwei denkbare Lösungswege des Problems ergeben. Zum einen könnte man versuchen zu verhindern,daß die wässerige Salpetersäure an den Kunststoffstab gelangt. Diese

Möglichkeit erscheint derzeit praktisch nicht praktikabel, weil die Salpetersäure durch Kunststoff diffundiert und langfristig nicht gewährleistet werden kann, daß in der Schirmhülle oder zwischen Schirmhülle und den Armaturen keine Spalten auftreten. Zum anderen läge der Lösungsweg nahe, für den Isolatorstab Stoffe auszuwählen, die salpetersäurefest sind.

Dieser Weg. ist im Rahmen der Erfindung zunächst auch eingeschlagen worden. Versuche, bei denen Stabmaterial handelsüblicher Verbundisolatoren in Salpetersäure gelagert wurde, ergaben jedoch, daß weder die Glasfasern noch der Kunststoff des Stabmaterials durch wässerige Salpetersäure angegriffen werden, so daß man erwarten mußte, daß eine Stoffauswahl zu keiner

Lösung führt. Es ist daher in hohem Maße überraschend, daß dennoch der Austausch des normalerweise verwendeten Glasfasertyps gegen borfreie Glasfasern die Querbruchgefahr beseitigt. Woraus dieses Phänomen resultiert, ist bisher nicht bekannt geworden. Als Ursache der Isolatorquerbrüche kann der Angriff von wässriger Salpetersäure auf borhaltiges Glas angenommen werden. Setzt man borhaltiges Glas gleichzeitig einer Zugspannung und Salpetersäure aus, dann bilden sich möglicherweise in der Oberfläche der einzelnen Glasfasern Rißkeime aus, die spiralig um die Glasfaser herum laufen. Diese Rißkeime sind zumindest für den Stabquerbruch im Labor verantwortlich. Es handelt sich offenbar nicht um einen chemischen Angriff im Sinne einer Quellung oder Auflösung, sondern eher um eine Art Spannungsrißkorrosion, die. offenbar bei borfreien Glasfasern nicht oder bei höheren Dehnungen oder höheren Säurekonzentrationen auftritt.

Bekannt ist zwar, daß bor- und borverbindungenfreie, alkaliarme Glasfasern mechanisch beanspruchte Isolierteile für Schwefelhexafluorid-Gas enthaltende Hochspannungs-Schaltanlagen ausreichend beständig machen .(Europäische Patentanmeldung 0 028 281). Die Kenntnis dieser bekannten Wirkung der Glasfasern aus einem sogenannten R Glas ist jedoch nicht ohne weiteres auf die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe übertragbar, weil die Zersetzungsprodukte des SF₆ im Einsatzgebiet der Freiluftverbundisolatoren nicht auftreten, so daß insoweit kein Zusammenhang gegeben ist.

Die erfindungsgemäße Auswahl der borarmen bzw. bor freien Glasfasern lag auch deshalb nicht nahe, weil Fasern aus borhaltigen Gläsern, sogenannten E-Gläsern, wegen ihrer sehr guten elektrischen Widerstandsfähigkeit üblicherweise für elektrotechnische Bauteile verwendet werden und E-Glas durch wässerige Salpetersäure nicht an gegriffen wird, so daß ein Austausch gegen andere Glasfasern vernünftigerweise nicht ohne v/eiteres in Betracht kommen kann. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe mußte diese Hemmschwelle überwunden werden, wobei die erfindungsgemäße Auswahl durch keine Anregung nahegelegt war.

Anhand der Zeichnung soll im folgenden die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Versuchsanordnung zur

Prüfung der Querbruchfestigkeit, Fig. 2 ein Diagramm eines Prüfergebnisses, Fig. 3 einen Isolator gemäß der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Prüfling besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffstab 1 und den Aufhängearmaturen 2, an die eine Zugkraft Z angelegt werden kann. Auf der freien Länge des Stabes befin- det sich ein Säurereservoir 3, das z. B. eine aufgeschnittene Polyäthylenflasche sein kann, die auf den Stab aufgeschoben und mit Isolierband abgedichtet ist.

Fig. 2 stellt einen funktioneilen Zusammenhang zwischen Zugkraft Z und der Bruchzeit des Prüflings nach Fig. 1 dar. Die Linie 4 gibt den Zugkraft/Zeit-Zusammenhang (Zeit, die bis zum 3ruch eines Stabes vergeht) eines glasfaserverstärkten KunststoffStabes an, der keiner Säureeinwirkung ausgesetzt ist. Die Linie 5 verdeutlicht den Zugkraft/Zeit-Zusammenhang, wenn in das Säurereservoir 3 eine In HNO₃ (Salpetersäure ca. 6,5 %-ig) eingefüllt wird und Glasfasern mit einem Borgehalt im glasfaserverstärkten Kunststoffstab enthalten sind, der berechnet als B₂O₃ zwischen 2 und 6 % liegt. Das Bruch/Zeit-Verhalten eines glasfaserverstärkten Kunststoffstabes, dessen Glasfasern kein Bor enthalten, zeigt die Linie 6. Das Diagramm in Fig. 2 stellt somit den Bruchzeitunterschied dar, der zwischen den glasfaserverstärkten Kunststoffstäben bisheriger Zusammensetzung (borhaltiges Glas) und denjenigen nach der Erfindung (borfreies Glas) besteht.

Die Verwendung von borhaltigem Glas in der Elektrotechnik und insbesondere auch in Form von Fasern in glasfaserverstärkten Kunststoffstäben bei Verbundisolatoren ist üblich (vgl. DE-OS 27 46 870, Seite 10). In der Elektrotechnik wird das sogenannte "E-Glas" verwendet, wobei "E" für "Elektro" steht. Alle handelsüblichen

Glasfasern, die unter der Bezeichnung "E-Glas" erhältlich sind, enthalten Bor in unterschiedlicher Menge. Deshalb kann sich für die Linie 5 in Fig. 2 ein gewisses Streuband ergeben, das auch auf unterschied liehe Borgehalte der E-Gläser zurückgeführt werden kann. Im Vergleich zum Verhalten von Stäben nach der Erfindung (Fig. 2, Linie 6) ist dieses Streuband jedoch unbedeutend.

Fig. 3 stellt den Verbundisolator gemäß Erfindung dar. Er besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffstab 7, der aus einem Epoxidharz des Glycidyläther typs und Glasfasern aus achsparallel angeordneten endlosen Fasern besteht, die einen Borgehalt, berechnet als B₂O₃, von weniger als 0,01 % und einen Alkaligehalt, berechnet als Na₂O, von weniger als 1 % aufweisen. Der Isolator besteht außerdem aus einer Schirmhülle aus einzelnen vorgefertigten Schirmen 8, die auf den Stab aufgeschoben und mit- ihm mechanisch und elektrisch fest verbunden sind. Ferner sind metallische Aufhängearmaturen S vorgesehen, die an den Enden des Verbundisolators befestigt sind. Diese Verbindung zwisehen Stab 7 und Armatur 9 kann nach bekannten Techniken wie Aufkeilen oder Umpressen des Stabes hergestellt werden.

Je nach Art des Materials der Schirmhülle kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die Schirmhülle vorzufertigen und in einem Arbeitsgang aufzubringen. Andere Werkstoffe für Schirmhüllen können auch ein komplettes Umgießen, Umpressen, Extrudieren oder Umspritzen der Schirmhülle in einer ein- oder mehrteiligen Form als wirtschaftlichste Lösung erfordern.

Vorteilhaft setzt man für die Schirmhülle Silikonelastomere ein, die sich als Isolatorwerkstoffe schon gut bewährt haben. Silikonelastomere verschiedener Konsistenz mit entsprechend dem Anwendungszweck eingearbeiteten Füllstoffen wie z. B. Quarzmehl oder Aluminiumoxid-Hydrat, der chemischen Struktur entsprechenden Pigmenten und Vernetzern lassen sich leicht verarbeiten. Für bestimmte Anwendungszwecke können als Schirmwerk Stoff auch Elastomere der Basis Äthylen-Propylen geeignet sein. Andere Schirmwerkstoffe wie cycloaliphatische Epoxidharze oder Polytetrafluoräthylen können ebenfalls beim Isolator nach der Erfindung zweckmäßig Anwendung finden.

Claims

Ansprüche

1. Verbundisolator aus Kunststoff, insbesondere für Hochspannungsfreileitungen, bestehend aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffstab, diesen Stab umhüllen_den Kunststoffschirmen und aus Armaturen an den Stabenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die achsparallel angeordneten Glasfasern im Kunststoffstab aus borarmem, vorzugsweise borfreiem Glas bestehen.

2. Verbundisolator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Borgehalt der Glasfasern, berechnet als B₂O₃, höchstens 1 Gew.-% beträgt.

3. Verbundisolator nach Anspruch 1 und/oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Borgehalt d.er Glasfasern weniger als 0,01 Gew.-% beträgt.

4. Verbundisolator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Glasfasern aus einem Glas folgender Zusammensetzung bestehen: SiO₂ 55-80 Gew.-%, vorzugsweise 60-80 Gew.-%

Al₂O₃ 20-30 Gew.-%, vorzugsweise 20-30 Gew.-%

MgO 5-15 Gew.-%, vorzugsweise 5-15 Gew.-%

CaO 0-10 Gew.-%, vorzugsweise 0- 2 Gew.-%

Na₂O 0- 1 Gew.-%, vorzugsweise - Gew.-%

5. Verbundisolator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Stab endlose Glasfasern in achsparalleler Anordnung mit einer Dicke von 5 bis 40 μm enthält.

6. Verbundisolator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Glasfasern einen Alkalioxidgehalt von weniger als 1 Gew.-% aufweisen.

7. Verbundisolator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Glasfasern alkalifrei sind.

8. Verbundisolator nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das die Glasfasern umgebende Bindeharz ein gegen Wasserangriff beständiges Bindeharz ist.

9. Verbundisolator nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bindeharz keine hydrolisierbaren Moleküle aufweist.

10. Verbundisolator nach Anspruch.9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bindeharz ein Epoxidharz des Glycidyläthertyps ist.