EP2182527A1 - Isolierstoffhohlkörper für einen Hochspannungsisolator - Google Patents

Isolierstoffhohlkörper für einen Hochspannungsisolator Download PDF

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EP2182527A1
EP2182527A1 EP08168006A EP08168006A EP2182527A1 EP 2182527 A1 EP2182527 A1 EP 2182527A1 EP 08168006 A EP08168006 A EP 08168006A EP 08168006 A EP08168006 A EP 08168006A EP 2182527 A1 EP2182527 A1 EP 2182527A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hollow body
fiber
isolierstoffhohlkörper
filler
body according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08168006A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Franck
Lars E. Schmidt
Marco Schneider
Nikolaus Zant
Stephen Clifford
Willi Gerig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to EP08168006A priority Critical patent/EP2182527A1/de
Publication of EP2182527A1 publication Critical patent/EP2182527A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B17/00—Insulators or insulating bodies characterised by their form
    • H01B17/36—Insulators having evacuated or gas-filled spaces

Definitions

  • the invention relates to the field of high voltage engineering and relates to a IsolierstoffhohlSystem according to the introductory part of claim 1.
  • the invention also relates to a high voltage insulator, in which this hollow insulating body is contained, and a method for producing the insulating hollow body.
  • the insulating hollow body defined above contains a generally highly filled polymeric composite material, it has a relatively large brittleness. If the IsolierstoffhohlSystem during operation of the high-voltage insulator locally or globally impermissibly high mechanical load, this can lead to bursting of filled with a compressed insulating gas high-voltage insulator, possibly explosively splinters of the composite are released.
  • An insulating hollow body of the aforementioned type is described in US 4,102,851 A .
  • EP 1 172 408 A1 and EP 1 300 439 A1 The insulating hollow body described is part of a high-pressure insulator capable of overpressure and is formed from a composite material based on a polymeric matrix and a filler incorporated in the polymeric matrix.
  • Explosion-proof high-voltage insulators are known, each having a IsolierstoffhohlSystem made of porcelain. Explosion safety is in these insulators by a mounted on the inner wall of the hollow IsolierstoffhohlSystems, mechanically stable Protective coating achieved. When bursting of the porcelain as a result of an impermissibly high force so that contained in the insulator compressed gas is discharged in a controlled manner and so an undesirable leakage of porcelain splinters is largely avoided.
  • the object is to provide a IsolierstoffhohlSystem of the type mentioned and a IsolierstoffhohlSystem containing high voltage insulator, which are each characterized by a large splinter resistance, and to provide a method with the Such a IsolierstoffhohlSystem can be manufactured in a simple and economical manner.
  • a fiber core is embedded in the composite, which is guided at least one limited by Isolierstoffhohl Sciences and exposed to the pressure cavity and above the breaking strength of the composite acts as splinter protection.
  • the IsolierstoffhohlSystem is also characterized by low manufacturing costs, suitability for automatic production and small dimensions.
  • the fiber insert has open pores which pass through the particles of the filler, a rapid and uniform impregnation of the fiber insert with the filler-filled polymer is ensured during manufacture of the hollow insulating body and thus undesirable air-filled pores in the composite material are avoided and good adhesion of the fiber insert to the composite material reached.
  • the mean size of the open pores should be at least 2 to 4 times the maximum size of the filler particles.
  • the fibers of the fiber insert are generally coated with a bonding agent. In order to prevent with certainty that large fragments of the composite material are thrown away at the unacceptably high load, the average size of the pores should be at most a few centimeters.
  • the fiber insert contains a fabric or scrim and forms a grid with the size of the pores determining mesh size.
  • This mesh size is typically a few millimeters.
  • Such a fiber insert can easily be introduced into a mold during production of the insulating hollow body, favors the impregnation of the fiber insert with the filler-filled polymer in the production and also has a high mechanical strength because of their large open pores, which are generally formed as a square mesh on, which secures the rupture of the IsolierstoffhohlSystems formed fragments of the bonding material, whereby exposed fragments of composite material and thus an explosive distribution of such fragments are avoided in the environment.
  • the fiber body may also comprise randomly arranged fibers and is then advantageously designed as a mat.
  • the material used for the fiber insert are mainly inorganic fibers, in particular glass fibers.
  • organic fiber, such as aramid fibers, are particularly suitable.
  • the fiber core is formed as a self-supporting fiber body, it facilitates the production of Isolierstoffhohl emotionss considerably.
  • the fiber insert can now be introduced into the mold without additional fitting and adjustment work and positioned in the mold. It can do so in a simple way IsolierstoffhohlSystem be produced, the mechanical resp. electrical properties, such as breakage and splinter resistance resp. dielectric strength, broadly consistent.
  • the self-supporting fiber body has a formed in the manner of a pipe, a hollow cone or a barrel support member.
  • predominantly radially aligned fiber screens can be attached to this supporting part.
  • self-supporting fiber bodies designed in this way the throughput times in the production of insulating hollow bodies with a complicated design determined by a shielding are considerably shortened.
  • the fiber insert is designed as a self-supporting fiber body or produced by introducing non-self-supporting sections of fiber fabrics or fiber layers in the mold only during the production of IsolierstoffhohlSystems, reduces a fiber core, which extends into the shielding, the undesirable escape of composite fragments Bursting of an insulating hollow body with a complex design determined by the shielding.
  • the composite should have at least 50, preferably 60 to 90, percent by weight of filler.
  • Such a composite has a higher brittleness than a lower filled composite. Therefore, the fiber insert has proven to be particularly suitable splinter protection in this composite material.
  • a particularly suitable for a high strength of IsolierstoffhohlSystems filler contains at least two filler components with differing average size of the particles and / or with different chemical composition.
  • a suitable filler is an inorganic powder based on an oxide, carbide, boride, nitride or silicate, such as such as quartz, dolomite or corundum flour.
  • the filler may also be coated with an adhesion promoter.
  • the particle sizes of the filler particles are generally between 1 to 100 microns, but may optionally be up to 1 or 2 mm.
  • additives such as wetting and dispersing agents, stabilizers, flexibilizers and / or dyes may be present.
  • the in Fig.1 partially shown IsolierstoffhohlSystem 10 is formed as a tube and has a vertically oriented tube axis 11.
  • the insulating hollow body is formed by a composite material 20 based on an epoxy resin matrix and a powdery filler incorporated in the matrix.
  • a fiber insert 30 is embedded, which is guided around the axis 11 in the circumferential direction and extends in the axial direction to the two end portions of the insulating hollow body 1, of which only the upper end portion 12 in Fig.1 is shown.
  • a metallic annular flange is attached to each of the two end regions of the insulating hollow body 10, for example by gluing.
  • a high voltage insulator is suitable for indoor applications and therefore may be used in a high voltage switch located inside a housing or other high voltage loaded apparatus such as a current feedthrough or a surge arrester. Since it is hollow, it can also be filled with an insulating gas of several, typically 5 to 10, bar pressure and can additionally also a mechanical force transferring part, such as a shift rod or a gear, or a current-carrying active part record, for example, a contact arrangement at the switch, a conductor during the implementation or a voltage-dependent resistor at the surge arrester.
  • the potting compound is then fed to a closed mold 40, in which the potting compound is treated according to an automatic pressure gelling (APG) process described below or a conventional vacuum casting process.
  • APG automatic pressure gelling
  • the mold 40 has two mold half shells, of which the Fig.1 only the half-shell 41 can be seen, and a mold core 42 which can be enclosed by the two half shells.
  • the mold core 42 is removed from the mold 40 when the half shells are open and the fiber core 30 is mounted on the mold core 42.
  • the fiber insert 30 contains a mesh or scrim designed in the manner of a grid with largely square meshes.
  • the mesh size is chosen so that when casting the fiber insert 30 is uniformly impregnated with potting compound, so the filler particles of the potting compound can pass without resistance through the mesh of the grid.
  • a glass fiber fabric with a square mesh structure has proven with a mesh size of about 4.5 mm, which is sold under the product no. R82 a101 from the company. Saint-Gobain.
  • a cavity 30 enclosing the fiber core 30 in a fluid-tight manner is thus formed in the interior of the molding tool.
  • the heated to about 140 ° potting is at a Pressure introduced from 1 to two bar and then cured at a pressure of 4 to 6 bar, so as to compensate for the onset of hardening of the potting compound shrinkage of the potting compound and to reduce the size of pores due to the high pressure on possibly still existing Gas inclusions are due to the potting compound.
  • the hardened IsolierstoffhohlSystem 10 is removed from the open mold 40 and post-cured free-standing in a convection oven.
  • the tubular insulating hollow body made according to the above embodiment by automatic pressure gelation or vacuum casting has excellent open air resistance.
  • a good resistance to weathering for example, by gluing, winding or pouring on the thus manufactured free-air insulating hollow body one from Fig.1 unseen shielding made of a likewise free-air-resistant material, such as a polymer based on a cycloaliphatic epoxy resin or a silicone attached.
  • the embodiment of the Isolierstoffhohl stresses 10 after Fig.2 shows how the embodiment after Fig. 1 a formed in the manner of a pipe central part 13, in which, however, is designed as a shield 14 weather protection formed with predominantly radially oriented screens.
  • This insulating hollow body 10 is according to the embodiment according to Fig.1 manufactured, but the free-air-resistant potting compound B is used in the manufacture and in the two half-shells of the mold 40 of the shield 14 corresponding, annular recesses are formed.
  • the fiber core 30 is formed as a self-supporting fiber body and has a formed in the manner of a tube support member 31 and attached to the support member about by sewing or gluing fiber shades 32.
  • a self-supporting fiber body is together with the mold core in accordance with the embodiment according to Fig.2 trained mold introduced. After closing the mold, the free-air-resistant potting compound of the composition B is introduced into the cavity enclosed by the mold and the insulating hollow body 10 after Figure 3 manufactured by automatic pressure gelling or by casting under vacuum.
  • IsolierstoffhohlSystems 10 are - as in the embodiment according to Fig. 1 described - metal flanges attached.
  • a high-voltage insulator manufactured in this way and a high-voltage insulator manufactured for comparison purposes and therefore appropriately designed, whose hollow insulating body does not have a fiber core 30, are tested locally and globally for their bursting behavior.
  • both high-voltage insulators consist of a solid because of the high filler content composite material, the two insulators can be globally charged with the usual operating pressure by ten times the internal pressure of 80 bar without visible damage to the insulating hollow bodies of both high-voltage insulators occurs.
  • This fiber insert is integrated without bias in the composite material and therefore does not increase the mechanical strength of Isolierstoffhohl Sciencess 10, but acts at a local overload splintering of Isolierstoffhohl Sciencess resp. a chipping of parts of the insulating hollow body.
  • Such local overload may typically be a bullet fired from a firearm.
  • the effect of such a bullet was simulated by means of a 26.5 kg metal body with a conically tapered tip.
  • the high-voltage insulator according to the invention and the comparative insulator were each arranged horizontally and the metal body - led in a vertically aligned pipe with the tip ahead - from about 7.5 m height in the same place, for example in the middle of the IsolierstoffhohlSystem pitched both pressure loaded insulators.
  • the tip of the metal body pierced a hole in the central part of the hollow insulating body and splintered a considerable part of the shield and the central part in the area of the hole.
  • the diameter of the hole was much smaller and splintered only a few small parts of the shield 14 from.
  • a particularly high local splinter resistance have high-voltage insulators, in accordance with the FIGS. 1 and 3 trained Isolierstoffhohl Sciences are installed. Since in these two Isolierstoffhohl phenomena the fiber insert 30 corresponds to the outer shape of the IsolierstoffhohlMechs 10 and therefore in the embodiment according to Figure 3 is also inserted into the shield 14, an explosive throwing away large fragments of IsolierstoffhohlMechs is completely avoided.

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  • Insulators (AREA)

Abstract

Der Isolierstoffhohlkörper (10) ist für einen mit Überdruck belastbaren Hochspannungsisolator bestimmt. Er ist aus einem Verbundwerkstoff (20) auf der Basis einer polymeren Matrix und eines in die polymere Matrix eingelagerten Füllstoffs gebildet und weist eine in den Verbundwerkstoff (20) eingebettete Fasereinlage (30) auf. Diese Fasereinlage ist zumindest um einen vom Isolierstoffhohlkörper (10) begrenzten und dem Überdruck ausgesetzten Hohlraum geführt und wirkt oberhalb der Bruchfestigkeit als Splitterschutz.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Hochspannungstechnik und betrifft einen Isolierstoffhohlkörper nach dem einleitenden Teil von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch einen Hochspannungsisolator, in dem dieser Isolierstoffhohlkörper enthalten ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Isolierstoffhohlkörpers.
  • Da der vorstehend definierte Isolierstoffhohlkörper einen im allgemeinen hochgefüllten polymeren Verbundwerkstoff enthält, weist er eine relativ grosse Sprödigkeit auf. Wird der Isolierstoffhohlkörper während des Betriebs des Hochspannungsisolators lokal oder global unzulässig hoch mechanisch belastet, so kann dies zum Bersten des mit einem komprimierten Isoliergas gefüllten Hochspannungsisolators führen, wobei gegebenenfalls explosionsartig Splitter des Verbundwerkstoffs freigesetzt werden.
    • Stand der Technik
  • Ein Isolierstoffhohlkörper der vorgenannten Art ist beschrieben in US 4,102,851 A , EP 1 172 408 A1 und EP 1 300 439 A1 . Der beschriebene Isolierstoffhohlkörper ist Teil eines mit Überdruck belastbaren Hochspannungsisolators und ist aus einem Verbundwerkstoff auf der Basis einer polymeren Matrix und eines in die polymere Matrix eingelagerten Füllstoffs gebildet.
  • Aus EP 350 289 A2 und EP 488 764 B1 sind explosionsgeschützte Hochspannungsisolatoren bekannt, die jeweils einen Isolierstoffhohlkörper aus Porzellan aufweisen. Explosionssicherheit wird bei diesen Isolatoren durch eine auf der Innenwand des Isolierstoffhohlkörpers angebrachte, mechanisch stabile Schutzbeschichtung erreicht. Beim Bersten des Porzellans infolge einer unzulässig hohen Krafteinwirkung wird so das im Isolator enthaltene komprimierte Gas kontrolliert ausgestossen und wird so ein unerwünschtes Austreten von Porzellansplittern weitgehend vermieden.
    • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 bis 14 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isolierstoffhohlkörper der eingangs genannten Art und einen diesen Isolierstoffhohlkörper enthaltenden Hochspannungsisolator zu schaffen, welche sich jeweils durch eine grosse Splitterfestigkeit auszeichnen, sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem ein solcher Isolierstoffhohlkörper in einfacher und wirtschaftlicher Weise gefertigt werden kann.
  • Beim Isolierstoffhohlkörper nach der Erfindung ist in den Verbundwerkstoff eine Fasereinlage eingebettet, welche zumindest um einen vom Isolierstoffhohlkörper begrenzten und dem Überdruck ausgesetzten Hohlraum geführt ist und oberhalb der Bruchfestigkeit des Verbundwerkstoffs als Splitterschutz wirkt.
  • Durch Einbetten der Fasereinlage in den Isolierstoffhohlkörper werden bei einer unzulässig hohen Belastung des Isolierstoffhohlkörpers ein unerwünschtes Zersplittern des Isolierstoffhohlkörpers und ein explosionsartiges Absplittern von Teilen des Verbundwerkstoffs vermieden. Eine solche Belastung entsteht typischerweise bei Vandalenakten oder bei Naturkatastrophen, kann aber auch durch anderweitige Störungen hervorgerufen werden, die vor allem bei der Montage, dem Betrieb oder der Wartung eines den Isolierstoffhohlkörper enthaltenden Hochspannungsisolators auftreten können. Oberhalb der Bruchfestigkeit des Verbundwerkstoffs nimmt die Fasereinlage lokal oder global in den Isolierstoffhohlkörper eingeleitete mechanische Kräfte auf. Sie wirkt so als Splitterschutz und verhindert ein explosionsartiges Auseinanderfallen des Isolierstoffhohlkörpers. Da die Fasereinlage bei der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers ohne zusätzliche Verfahrensschritte direkt in den Verbundwerkstoff des Isolierstoffhohlkörpers eingebettet wird, zeichnet sich der Isolierstoffhohlkörper darüber hinaus auch durch geringe Fertigungskosten, Eignung für eine automatische Fertigung und geringe Abmessungen aus.
  • Weist die Fasereinlage offene, die Partikel des Füllstoffs durchlassende Poren auf, so ist bei der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers eine rasche und gleichmässige Imprägnierung der Fasereinlage mit dem füllstoffgefüllten Polymer gewährleistet und werden so dielektrisch unerwünschte luftgefüllte Poren im Verbundwerkstoff vermieden und eine gute Haftung der Fasereinlage am Verbundwerkstoff erreicht. Um bei der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers ein schnelles und gleichmässiges Eindringen des füllstoffgefüllten Polymers in die Fasereinlage zu ermöglichen, sollte die mittlere Grösse der offenen Poren mindestens das 2- bis 4-fache der maximalen Grösse der Füllstoffpartikel betragen. Zur Verbesserung der Haftung am Verbundwerkstoff sind die Fasern der Fasereinlage im allgemeinen mit einem Haftvermittler beschichtet. Um mit Sicherheit zu verhindern, dass bei der unzulässig hohen Belastung grosse Bruchstücke des Verbundwerkstoffs weggeschleudert werden, sollte die mittlere Grösse der Poren höchstens einige Zentimeter betragen.
  • Mit Vorteil enthält die Fasereinlage ein Gewebe oder Gelege und bildet ein Gitternetz mit einer die Grösse der Poren bestimmenden Maschenweite. Diese Maschenweite beträgt typischerweise einige Millimeter. Eine solche Fasereinlage kann bei der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers leicht in ein Formwerkzeug eingebracht werden, begünstigt wegen ihrer grossen offenen Poren, die im allgemeinem als quadratische Maschen ausgebildet sind, die Imprägnierung der Fasereinlage mit dem füllstoffgefüllten Polymer bei der Fertigung und weist zudem eine hohe mechanische Festigkeit auf, welche beim Bersten des Isolierstoffhohlkörpers gebildete Bruchstücke des Verbindwerkstoffs sichert, wodurch freiliegende Splitter aus Verbundwerkstoff und damit auch ein explosionsartiges Verteilen solcher Splitter in der Umgebung vermieden werden.
  • Je nach Anwendung kann der Faserkörper auch wirr angeordnete Fasern aufweisen und ist dann mit Vorteil als Matte ausgebildet. Als Material für die Fasereinlage eignen sich vor allem anorganische Fasern, insbesondere Glasfasern. Gegebenenfalls sind organische Faser, etwa Aramidfasern, besonders geeignet.
  • Ist die Fasereinlage als selbsttragender Faserkörper ausgebildet, so erleichtert sie die Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers erheblich. Die Fasereinlage kann nun ohne zusätzliche Anpass- und Justierarbeiten ins Formwerkzeug eingebracht und im Formwerkzeug positioniert werden. Es können so in einfacher Weise Isolierstoffhohlkörper hergestellt werden, deren mechanische resp. elektrische Eigenschaften, wie Bruch- und Splitterfestigkeit resp. dielektrische Festigkeit, weitgehend übereinstimmen.
  • Je nach Ausbildung des Isolierstoffhohlkörpers weist der selbsttragende Faserkörper ein nach Art eines Rohrs, eines Hohlkegels oder eines Fasses ausgebildetes Tragteil auf. An dieses Tragteil können bei Freiluftanwendungen des Isolierstoffhohlkörpers vorwiegend radial ausgerichtete Faserschirme angebracht sein. Insbesondere durch die Verwendung derart ausgebildeter selbsttragender Faserkörper werden die Durchlaufzeiten bei der Fertigung von Isolierstoffhohlkörpern mit einem durch eine Beschirmung bestimmten komplizierten Design ganz wesentlich verkürzt.
  • Unabhängig davon, ob die Fasereinlage als selbsttragender Faserkörper ausgeführt ist oder durch Einbringen nicht selbsttragender Abschnitte von Fasergeweben oder Fasergelegen in das Formwerkzeug erst während der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers hergestellt wird, vermindert eine Fasereinlage, die bis in die Beschirmung hineinreicht, das unerwünschte Entweichen von Verbundwerkstoffsplittern beim Bersten eines Isolierstoffhohlkörpers mit einem durch die Beschirmung bestimmten komplizierten Design.
  • Um eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Kriechstromfestigkeit zu erreichen, sollte der Verbundwerkstoff mindestens 50, vorzugsweise 60 bis 90, Gewichtsprozent an Füllstoff aufweisen. Ein solcher Verbundwerkstoff weist eine höhere Sprödigkeit auf als ein niedriger gefüllter Verbundwerkstoff. Daher hat sich bei diesem Verbundwerkstoff die Fasereinlage als besonders geeigneter Splitterschutz bewährt. Ein für eine hohe Festigkeit des Isolierstoffhohlkörpers besonders geeigneter Füllstoff enthält mindestens zwei Füllstoffkomponenten mit voneinander abweichender mittlerer Grösse der Partikel und/oder mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung Ein geeigneter Füllstoff ist ein anorganisches Pulver auf der Basis eines Oxids, Carbids, Borids, Nitrids oder Silikats, wie etwa Quarz-, Dolomit- oder Korundmehl. Zur Verbesserung der Haftung am Polymer kann der Füllstoff auch mit einem Haftvermittler beschichtet sein. Die Teilchengrössen der Füllstoffpartikel liegen im allgemeinen zwischen 1 bis 100 µm, können gegebenenfalls aber auch bis zu 1 oder 2 mm betragen.
  • Als Polymere können vor allem Duroplaste auf der Basis Epoxid oder Polyester, aber auch Thermoplaste eingesetzt werden. Im Verbundwerkstoff können Zusatzstoffe, wie etwa Benetzungs- und Dispersionsmittel, Stabilisatoren, Flexibilisatoren und/oder Farbstoffe, vorhanden sein.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von drei Figuren näher erläutert, in denen gleichwirkende Elemente jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Alle drei Figuren zeigen jeweils eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch eine von drei Ausführungsformen des erfindungsgemässen Isolierstoffhohlkörpers, welche jeweils ein rohrförmiges Zentralteil aufweisen und jeweils gebrochen dargestellt sind.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung
  • Der in Fig.1 teilweise dargestellte Isolierstoffhohlkörper 10 ist als Rohr ausgebildet und weist eine vertikal ausgerichtete Rohrachse 11 auf. Der Isolierstoffhohlkörper ist von einem Verbundwerkstoff 20 auf der Basis einer Epoxidharzmatrix und eines in die Matrix eingelagerten pulverförmigen Füllstoffs gebildet. In den Verbundwerkstoff 20 ist eine Fasereinlage 30 eingebettet, welche in Umfangsrichtung um die Achse 11 herumgeführt ist und sich in axialer Richtung bis in die beiden Endbereiche des Isolierstoffhohlkörpers 1 erstreckt, von denen lediglich der obere Endbereich 12 in Fig.1 gezeigt ist.
  • Zur Fertigung eines Hochspannungsisolators wird - etwa durch Verkleben - an jedem der beiden Endbereiche des Isolierstoffhohlkörpers 10 ein metallener Ringflansch befestigt. Ein solcher Hochspannungsisolator ist für Innenraumanwendungen geeignet und kann daher in einen im Inneren eines Gehäuses angeordneten Hochspannungsschalter oder einem anderen mit Hochspannung belasteten Apparat verwendet werden, wie etwa einer Stromdurchführung oder einem Überspannungsableiter. Da er hohl ausgebildet ist, kann er zugleich mit einem Isoliergas von mehreren, typischerweise 5 bis 10, bar Druck gefüllt werden und kann zusätzlich auch ein mechanische Kraft übertragendes Teil, wie etwa eine Schaltstange oder ein Getriebe, oder ein mit Strom belastbares Aktivteil aufnehmen, beispielsweise eine Kontaktanordnung beim Schalter, einen Stromleiter bei der Durchführung oder einen spannungsabhängigen Widerstand beim Überspannungsableiter.
  • Als Ausgangskomponenten für den Verbundwerkstoff werden verwendet:
    • 100 Gewichtsteile aromatisches Epoxidharz Aradite ® CY 225 (Huntsman),
    • 80 Gewichtsteile Anhydridhärter Aradur ® HY 925 (Huntsman) und
    • 270 Gewichtsteile Quarzmehl des Typs W12EST mit Teilchengrössen zwischen 4 und 28 µm (Quarzwerke Frechen).
  • Diese Komponenten werden in der von Harzhersteller angegebenen bekannten Weise zu einer Vergussmasse der Zusammensetzung A miteinander vermischt. Die Vergussmasse wird sodann einem geschlossenen Formwerkzeug 40 zugeführt, in dem die Vergussmasse nach einem nachfolgend beschriebenen automatischen Druckgelier (APG) -Verfahren oder einem konventionellen Vakuum-Giessverfahren behandelt wird. Das Formwerkzeug 40 weist zwei Formhalbschalen auf, von denen aus der Fig.1 nur die Halbschale 41 ersichtlich ist, und einen von den beiden Halbschalen umschliessbaren Formkern 42. Der Formkern 42 wird bei geöffneten Halbschalen aus dem Formwerkzeug 40 herausgenommen und die Fasereinlage 30 auf den Formkern 42 aufgezogen.
  • Die Fasereinlage 30 enthält ein nach Art eines Gitternetzes ausgeführtes Gewebe oder Gelege mit weitgehend quadratischen Maschen. Die Maschenweite ist so gewählt, dass beim Vergiessen die Fasereinlage 30 gleichmässig mit Vergussmasse imprägniert wird, die Füllstoffteilchen der Vergussmasse also ohne Widerstand durch die Maschen des Gitternetzes treten können. Als Material für den Faserkörper 30 hat sich ein Glasfasergewebe mit quadratischer Netzstruktur mit eine Maschenweite von ca. 4,5 mm bewährt, welches unter der Produkt Nr. R82 a101 von der Fa. Saint-Gobain vertrieben wird.
  • Nach Einlegen des die Fasereinlage 30 tragenden Formkerns 42 und Verschliessen der beiden Halbschalen des Formwerkzeugs 40 wird so im Inneren des Formwerkzeugs ein die Fasereinlage 30 flüssigkeitsdicht einschliessender Hohlraum gebildet. In diesen Hohlraum wird die auf ca. 140° erhitzte Vergussmasse bei einem Druck von 1 bis zwei bar eingebracht und nachfolgend bei einem Druck von 4 bis 6 bar gehärtet, um so die beim Härten der Vergussmasse einsetzende Schrumpfung der Vergussmasse zu kompensieren und um durch den hohen Druck die Grösse von Poren zu reduzieren, die auf möglicherweise noch vorhandene Gaseinschlüsse in der Vergussmasse zurückzuführen sind. Der gehärtete Isolierstoffhohlkörper 10 wird dem geöffneten Formwerkzeug 40 entnommen und freistehend in einem Umluftofen nachgehärtet.
  • Soll der Isolierstoffhohlkörper 10 in einem für Freiluftaufstellung geeigneten Hochspannungsisolator eingesetzt werden, dann wird bei der Fertigung des Isolierstoffhohlkörpers anstelle der zuvor beschriebenen Vergussmasse eine Vergussmasse auf der Basis einer cycloaliphatischen Epoxidharzverbindung verwendet. Eine geeignete Zusammensetzung dieser Verbundmasse hat beispielsweise folgende Zusammensetzung B:
    • 100 Gewichtsteile cycloaliphatisches Epoxidharz Aradite ® CY 184 (Huntsman),
    • 80 Gewichtsteile Anhydridhärter Aradur ® HY 1235 (Huntsman), 0,5 Gewichtsteile Beschleuniger DY 062 (Huntsman) und
    • 290 Gewichtsteile Quarzmehl des Typs W12EST mit Teilchengrössen zwischen 4 und 28 µm (Quarzwerke Frechen).
  • Der entsprechend dem vorstehenden Ausführungsbeispiel durch automatisches Druckgelieren oder durch Vakuumvergiessen gefertigte rohrförmige Isolierstoffhohlkörper weist ausgezeichnete Freiluftbeständigkeit auf. Um eine gute Beständigkeit gegen Witterungseinflüsse zu erreichen, wird beispielsweise durch Verkleben, Aufwickeln oder Aufgiessen auf den so gefertigten freiluftbeständigen Isolierstoffhohlkörper eine aus Fig.1 nicht ersichtliche Beschirmung aus einem ebenfalls freiluftbeständigen Material, beispielsweise einem Polymer auf der Basis eines cycloaliphatischen Epoxidharzes oder eines Silicons, angebracht.
  • Die Ausführungsform des Isolierstoffhohlkörpers 10 nach Fig.2 weist wie die Ausführungsform nach Fig. 1 ein nach Art eines Rohrs ausgebildetes Zentralteil 13 auf, in das jedoch ein als Beschirmung 14 ausgebildeter Wetterschutz mit vorwiegend radial ausgerichteten Schirmen eingeformt ist. Dieser Isolierstoffhohlkörper 10 wird entsprechend der Ausführungsform gemäss Fig.1 gefertigt, wobei jedoch die freiluftbeständige Vergussmasse B bei der Herstellung verwendet wird und in die beiden Halbschalen des Formwerkzeugs 40 der Beschirmung 14 entsprechende, ringförmige Vertiefungen eingeformt sind.
  • Im Unterschied zur Ausführungsform des Isolierstoffhohlkörpers 10 nach Fig.2 ist bei der Ausführungsform des Isolierstoffhohlkörpers nach Fig.3 die Fasereinlage 30 als selbsttragender Faserkörper ausgebildet und weist ein nach Art eines Rohrs ausgebildetes Tragteil 31 und an das Tragteil etwa durch Nähen oder Kleben angesetzte Faserschirme 32 auf. Ein solcher selbsttragender Faserkörper wird zusammen mit dem Formkern in das entsprechend der Ausführungsform gemäss Fig.2 ausgebildete Formwerkzeug eingebracht. Nach Verschliessen des Formwerkzeugs wird die freiluftbeständige Vergussmasse der Zusammensetzung B in den vom Formwerkzeug umschlossenen Hohlraum eingebracht und der Isolierstoffhohlkörper 10 nach Fig.3 durch automatisches Druckgelieren oder durch Vergiessen unter Vakuum gefertigt.
  • An den Endbereichen eines gemäss Fig. 2 ausgebildeten Isolierstoffhohlkörpers 10 werden - wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 beschrieben - Metallflansche angebracht. Ein so gefertigter Hochspannungsisolator und ein zu Vergleichszwecken gefertigter und daher entsprechend ausgebildeter Hochspannungsisolator, dessen Isolierstoffhohlkörper jedoch keine Fasereinlage 30 aufweist, werden lokal und global auf ihr Berstverhalten geprüft. Zu diesem Zweck werden der Hohlraum des Hochspannungsisolators nach Fig. 2 und der entsprechend ausgebildete Hohlraum des Vergleichsisolators mit einem kompressiblen Medium, wie etwa Wasser, gefüllt und dieses Wasser unter Druck gesetzt. Da beide Hochspannungsisolatoren aus einem wegen des hohen Füllstoffanteils festen Verbundwerkstoff bestehen, können die beiden Isolatoren global mit einem den üblichen Betriebsdruck um das Zehnfache übersteigenden Innendruck von 80 bar belastet werden, ohne dass ein sichtbarer Schaden an den Isolierstoffhohlkörpern beider Hochspannungsisolatoren auftritt.
  • Da während des Betriebs des Hochspannungsisolators neben der global auf den gesamten Isolierstoffhohlkörper wirkenden Innendruckbelastung aber auch lokale Kräfte wirken können, die etwa durch Vandalenakte oder Naturkatastrophen hervorgerufen sind, weist der Isolierstoffhohlkörper nach der Erfindung die Fasereinlage 30 auf. Diese Fasereinlage ist ohne Vorspannung in den Verbundwerkstoff integriert und erhöht daher zwar nicht die mechanische Festigkeit des Isolierstoffhohlkörpers 10, wirkt aber bei einer lokalen Überlastung einer Zersplitterung des Isolierstoffhohlkörpers resp. einem Absplittern von Teilen des Isolierstoffhohlkörpers entgegen. Solche lokale Überlastung kann typischerweise ein aus einer Feuerwaffe abgegebenes Geschoss sein.
  • Die Wirkung eines solches Geschosses wurde mit Hilfe eines 26,5 kg schweren Metallkörpers mit einer sich konisch verjüngenden Spitze simuliert. Bei der Simulation wurden der Hochspannungsisolator nach der Erfindung und der Vergleichsisolator jeweils horizontal angeordnet und wurde der Metallkörper - in einem vertikal ausgerichteten Rohr mit der Spitze voraus geführt - aus ca. 7,5 m Höhe am gleichen Ort, beispielsweise in der Mitte, auf den Isolierstoffhohlkörper beider druckbelasteter Isolatoren aufgeschlagen. Beim Vergleichsisolator bohrte die Spitze des Metallkörpers ein Loch in das Zentralteil des Isolierstoffhohlkörpers und splitterten ein erheblicher Teil der Beschirmung und des Zentralteils im Bereich des Lochs ab. Beim Isolator nach der Erfindung war der Durchmesser des Lochs wesentlich kleiner und splitterten nur einige kleine Teile der Beschirmung 14 ab.
  • Diese vorteilhafte Wirkung ist der Fasereinlage 30 zu verdanken, an deren Fasern der Verbundwerkstoff 20 haftet. Bei der durch das Aufschlagen des Metallkörpers hervorgerufenen lokalen Überlastung des Vergleichsisolators wird die Bruchfestigkeit des Verbundwerkstoffs 20 überschritten und bilden sich im Isolierstoffhohlkörper Risse aus, welche die Festigkeit des Isolierstoffhohlkörpers zumindest lokal, gegebenenfalls aber auch global, schwächen. Unter der Wirkung des im Inneren des Isolierstoffhohlkörpers befindlichen komprimierten Isoliergases werden daher beim Vergleichsisolator zumindest lokal explosionsartig im Zentimeter- bis Dezimeterbereich liegende, grosse Bruchstücke des Isolierstoffhohlkörpers weggeschleudert, wohingegen beim Hochspannungsisolator nach der Erfindung durch die als Splitterschutz wirkende, in den Verbundwerkstoff 20 eingelagerte Fasereinlage 30 ein explosionsartiges Wegschleudern grosser Bruchstücke des Isolierstoffhohlkörpers 10 nahezu vollständig vermieden wird.
  • Eine besonders hohe lokale Splitterfestigkeit weisen Hochspannungsisolatoren auf, in die gemäss den Figuren 1 und 3 ausgebildete Isolierstoffhohlkörper eingebaut sind. Da bei diesen beiden Isolierstoffhohlkörpern die Fasereinlage 30 der äusseren Form des Isolierstoffhohlkörpers 10 entspricht und daher bei der Ausführungsform nach Fig.3 auch in die Beschirmung 14 eingelegt ist, wird ein explosionsartiges Wegschleudern grosser Bruchstücke des Isolierstoffhohlkörpers vollständig vermieden.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Isolierstoffhohlkörper
    11
    Achse
    12
    Endabschnitt
    13
    Zentralteil
    14
    Beschirmung
    20
    Verbundwerkstoff
    30
    Fasereinlage
    31
    Tragteil
    32
    Faserschirme
    40
    Formwerkzeug
    41
    Formhalbschalen
    42
    Form kern

Claims (14)

  1. Isolierstoffhohlkörper (10) für einen mit Überdruck belastbaren Hochspannungsisolator aus einem Verbundwerkstoff (20) auf der Basis einer polymeren Matrix und eines in die polymere Matrix eingelagerten Füllstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbundwerkstoff (20) eine Fasereinlage (30) eingebettet ist, welche zumindest um einen vom Isolierstoffhohlkörper (10) begrenzten und dem Überdruck ausgesetzten Hohlraum geführt ist und oberhalb der Bruchfestigkeit des Verbundwerkstoffs als Splitterschutz wirkt.
  2. Isolierstoffhohlkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinlage (30) offene, die Partikel des Füllstoffs durchlassende Poren aufweist.
  3. Isolierstoffhohlkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Grösse der offenen Poren mindestens das 2- bis 4-fache der maximalen Grösse der Füllstoffpartikel beträgt.
  4. Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinlage (30) ein Gewebe oder Gelege enthält und ein Gitternetz bildet mit einer die Grösse der Poren bestimmenden Maschenweite.
  5. Isolierstoffhohlkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschenweite des Gitternetzes einige Millimeter beträgt.
  6. Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinlage (30) als Matte ausgebildet ist.
  7. Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinlage (30) als selbsttragender Faserkörper ausgebildet ist.
  8. Isolierstoffhohlkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkörper (30) ein nach Art eines Rohrs, eines Hohlkegels oder eines Fasses ausgebildetes Tragteil (31) aufweist.
  9. Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an das Tragteil (31) vorwiegend radial ausgerichtete Faserschirme (32) angebracht sind.
  10. Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Füllstoff am Verbundwerkstoff mindestens 50, vorzugsweise 60 bis 90, Gewichtsprozent, beträgt.
  11. Isolierstoffhohlkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff eine Mischung von mindestens zwei Füllstoffkomponenten enthält mit voneinander abweichender mittlerer Grösse der Partikel der beiden Füllstoffkomponenten und/oder mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung.
  12. Hochspannungsisolator mit einem Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffhohlkörper eine Beschirmung aufweist und als Polymer eine gehärtete cycloaliphatische Epoxidharzverbindung enthält.
  13. Hochspannungsisolator mit einem Isolierstoffhohlkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffhohlkörper beschirmungsfrei ausgebildet und als Polymer eine gehärtete aromatische Epoxidharzverbindung enthält.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Isolierstoffhohlkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasereinlage (30) in einem geöffneten Formwerkzeug (40) angeordnet wird, dass nach Verschliessen des Formwerkzeugs (40) eine vorgefertigte Mischung von flüssigem Polymer und Füllstoff in das Formwerkzeug (40) eingebracht und hierbei die Fasereinlage (30) in die eingebrachte Mischung eingebettet wird, und dass der Isolierstoffhohlkörper (30) nachfolgend durch Verfestigung des Polymers im Formwerkzeug (40) gebildet wird.
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