Kitabı oku: «Isolatoren und Armaturen für Isolatorketten in Starkstrom-Freileitungen»
Table of Contents
0. Einleitung
1. Bauarten von Isolatoren 1.1. Stütz-Isolatoren
1.1.1. Stützen-Isolatoren
1.1.2. Freileitungs-Stützer
1.1.2.1. Vollkern-Freileitungs-Stützer
1.1.2.2. Verbund-Freileitungs-Stützer
1.2. Ketten-Isolatoren
1.2.1. Schlingen-Isolatoren
1.2.2. Kappen-Isolatoren
1.2.2.1. Keramik-Isolatoren
1.2.2.2. Glas-Isolatoren
1.2.3. Vollkern-Isolatoren
1.2.4. Langstab-Isolatoren
1.2.5. Verbund-Isolatoren
2. Werkstoffe für Isolatoren 2.1. Keramische Isolierstoffe
2.1.1. Porzellan
2.1.2. Steatit
2.1.3. Steinzeug
2.2. Glasisolierstoffe
2.3. Kunststoffe
2.3.1. Einstoff-Systeme
2.3.2. Mehrstoff-Systeme
3. Isolatorketten3.1. Auswahl der Zubehörteile
3.1.1. Befestigung am Mast
3.1.2. Verbindungen zwischen den Isolatoren
3.1.3. Ketten-Abstandhalter für Mehrfachketten
3.1.4. Feldsteuer- und Lichtbogen-Schutzarmaturen
3.1.5. Befestigung der Leiterseile
3.1.5.1. Tragklemmen
3.1.5.2. Abspannklemmen
3.2. Mechanische Bemessung
3.2.1. Tragketten
3.2.2. Abspannketten
3.2.3. Isoliertraversen
3.3. Elektrische Bemessung
3.4. Bemessung gegen Ausnahmeeinwirkungen
3.4.1. Hochleistungs-Lichtbogen
3.4.2. Bruch eines Isolatorstranges
4. Prüfungen an Isolatoren und Isolatorketten4.1. Prüfung der Werkstoffe für Isolatoren
4.1.1. Keramik- und Glasisolierstoffe
4.1.2. Kunststoffe
4.1.2.1. Struktur- und Umhüllungswerkstoffe
4.1.2.2. Kernwerkstoffe
4.2. Prüfungen an Isolatoren4.2.1. Bauartprüfungen
4.2.1.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.1.2. Verbund-Isolatoren
4.2.2. Typprüfungen
4.2.2.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.2.2. Verbund-Isolatoren
4.2.3. Stichprobenprüfungen
4.2.3.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.3.2. Verbund-Isolatoren
4.2.4. Stückprüfungen
4.2.4.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.4.2. Verbund-Isolatoren
4.3. Prüfungen an Isolatorketten
5. Begriffserklärungen
5.1. Allgemeine Begriffe
5.2. Begriffe zu Bauarten von Isolatoren
5.3. Begriffe zu Armierungsteilen von Isolatoren
5.4. Begriffe zu Isolatorketten
5.5. Begriffe zur Prüfung
5.5.1. Begriffe zu elektrischen Prüfungen
5.5.2. Begriffe zu mechanischen Prüfungen
5.6. Begriffe zum Herstellungsprozeß von Isolatoren
5.7. Begriffe zu Werkstoffen von Isolatoren
6. Aktuelle Normen
6.1. Deutsche Normen
6.2. Ausländische Normen
6.2.1. US-amerikanische Normen (American National Standards)
6.2.2. Britische Normen (British National Standards)
6.2.3. Japanische Normen (Japanese Industrial Standards)
6.2.4. Kanadische Normen (Canadien National Standards)
6.3. Internationale Normen
6.3.1. lEC-Normen (International Electrotechnical Commission)
6.3.2. ISO-Normen (International Standards Organization)
6.3.3. CISPR-Normen (Comite International Special des Pertubations Radioelectriques)
6.4. Internationale Normenorganisationen
7. Literaturverzeichnis
8. Verzeichnis der genannten Isolatoren- und Armaturen-Hersteller
9. Sachwortverzeichnis
Impressum - Kontakt
Dr.-Ing. Horst Klengel, VDE
Isolatoren und Armaturen für Isolatorketten in Starkstrom-Freileitungen
Radebeul, 2009
Impressum
Covergestaltung: Johannes Krüger
Unter Verwendung des Bildes "Kraftübertragung" von Georg Richter-Lößnitz (1891 - 1938).
Digitalisierung: Johannes Krüger
© 2020 andersseitig
ISBN
9783966510707 (ePub 2020 2. Auflage)
9783966510714 (mobi 2020 2. Auflage)
9783955011260 (PDF 2009 1. Auflage)
(mehr unter Impressum-Kontakt)
Das Buch ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das Übersetzen in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlags ist es auch nicht gestattet, diese Bücher oder Teile daraus auf fotomechanischem Wege zu vervielfältigen oder unter Verwendung elektronischer Systeme zu verarbeiten oder zu verbreiten.
0. Einleitung
Bei der Übertragung elektrischer Energie über größere Entfernungen schaffen Starkstrom-Freileitungen nach wie vor die Voraussetzungen für eine sichere, wirtschaftliche und verbraucherfreundliche Versorgung der Abnehmer mit dieser Energie. Der steigende Verbrauch von Elektroenergie sowie die aktuellen Herausforderungen durch
- die Liberalisierung des Strommarktes,
- die Förderung der verteilten Energieerzeugung aus regenerativen Energieformen und
- die unabhängigen Kraftwerksbetreiber,
fordern jedoch eine Anpassung der vorhandenen Verteilungs- und Übertragungs-Freileitungsnetze. Die jetzige Infrastruktur der Netze in Deutschland, die in den vergangenen wachstumsstarken Jahren entstand, erreicht zunehmend das Ende ihrer Lebensdauer. Neue Netzstrukturen müssen errichtet und so dimensioniert werden, damit
- sie den weiteren Ausbau der Windenergieerzeugung bis 2016 durch den Bau von ca. 2000 km neuer Hochspannungs-Freileitungen sichern und
- sie einen vorhersehbarer Stromimport nicht an der Auslegung des Netzes scheitern lassen.
Starkstrom-Freileitungen sind elektrotechnische Anlagen zur oberirdischen Fortleitung elektrischer Energie, die aus frei gespannten Leitungsseilen sowie den dafür erforderlichen Stützpunkten (Mast mit Gründung und Erdung) mit speziellen Bauelementen, wie Isolatoren und Armaturen, bestehen. Zur Planung, Berechnung und Ausführung von Starkstrom-Freileitungen sind zahlreiche deutschsprachige Fachbücher erschienen. Hier seien dazu als Beispiele nur die Bücher von Girkmann/Königshofer aus dem Jahre 1952 [37], von Großpetsch von 1965 [26] oder die von Kießling und Mitarbeitern von 1993 [734] und 2001 [735] genannt.
Die Vielzahl und die Wichtigkeit der in einer Starkstrom-Freileitung eingebauten Isolatoren mit ihren Armaturen sind der Anlaß zu dem Versuch, im vorliegenden Buch in Ergänzung zur vorliegenden Fachliteratur die technische Entwicklung und die Eigenschaften dieser speziellen Bauelemente in den nachfolgenden Abschnitten zu untersuchen und zu beschreiben. Dabei wurde auf eine Betrachtung der Entwicklung und der Eigenschaften der zu einer Starkstrom-Freileitung ebenfalls gehörenden Leitungsseile und Leitungsseil-Armaturen nicht bzw. nur im erforderlichen Umfang eingegangen, da hierfür ein späteres Buch vorgesehen ist.
Die elektrischen Grundaufgaben eines Isolators bzw. einer Isolatorkette in Starkstrom-Freileitungen sind:
- Erzielung einer der vorgesehenen Betriebsspannung der Freileitung entsprechenden Isolierstrecke zwischen dem spannungsführenden Leitungsseil und dem geerdeten Stützpunkt (Mast), die in der freien Atmosphäre unter allen Betriebsverhältnissen, wie Regen, Nebel, Verschmutzung, Vereisung u.a., in ausreichendem Maße sicher erhalten bleibt.
- Wenn infolge widriger Betriebsverhältnisse, wie Überspannungen oder Überbrückung der Isolierstrecke durch Verschmutzung oder durch Fremdkörper, die erforderliche Isolierfähigkeit unterschritten wird und dadurch Lichtbogenüberschläge über der Isolierstrecke entstehen, darf diese Beanspruchung nicht zu solchen Zerstörungserscheinungen an den Isolatoren bzw. Isolatorketten führen, die die Betriebssicherheit der Freileitung unzulässig absenken.
Darüberhinaus müssen die statischen und dynamischen mechanischen Kräfte einer Starkstrom-Freileitung, die durch das Leitungsseil in den Isolator oder die Isolatorkette eingeleitet werden, mit ausreichender Sicherheit von diesen Bauelementen aufgenommen werden.
Die erwartete Nutzungsdauer von Freileitungs-Isolierungen beträgt mehrere Jahrzehnte. In dieser Zeit soll der Aufwand für Überprüfung, Instandhaltung und Reparatur minimal sein. Deshalb ist deren Bemessung und Auswahl besonders nach folgenden Kriterien vorzunehmen:
- elektrische Anforderungen (Isolationspegel),
- Funkstörfestigkeit, Koronaverhalten,
- Verhalten unter Verschmutzung (Fremdschicht),
- Leistungslichtbogenverhalten,
- mechanische Anforderungen,
- Dauerhaftigkeit (Alterung, Korrosion, Vandalismus).
Die Isolatoren und Isolatorketten für Starkstrom-Freileitungen haben als Bauelemente mit der ständigen Weiterentwicklung der Drehstrom-Übertragung zu immer höheren Betriebsspannungen einen besonders großen Wandel erfahren. Antrieb für diese Entwicklung waren die ständig steigenden Anforderungen an deren elektrische und mechanische Festigkeit. Der spätere Übergang zur Gleichstrom-Übertragung über Starkstrom-Freileitungen stellte an die Isolatoren-Hersteller weitere neue Entwicklungsaufgaben, die gegenwärtig noch weitere umfangreiche Arbeiten erfordern.
1. Bauarten von Isolatoren
1.1. Stütz-Isolatoren
Stütz-Isolatoren sind Isolatoren, die aus einem Isolierkörper bestehen, der mittels einer metallenen Armatur (Stütze oder Kappe) am Mast befestigt wird und an dem sich das Leiterseil durch einen Drahtbund oder durch andere Mittel befestigen läßt.
Es wird unterschieden in:
Stützen-Isolatoren (pin type insulators) mit Innenbefestigung der metallenen Armatur.
Diese besitzen einen aus einem Stück oder mehreren dauerhaft miteinander verbundenen Stücken bestehenden glockenförmigen Isolierkörper mit einem oder mehreren Schirmen. Typisch für diesen Isolator ist die in die Bohrung im Isolierkörper ragende metallene Stütze, die durch Kittung oder auf andere Art fest mit dem Isolierkörper verbunden ist und gleichzeitig zur Befestigung des Stützen-lsolators am Mast dient. Der auf unterschiedliche Weise mit dem Leiterseil verbundene Isolator wird auf Biegung beansprucht, der Isolierkörper auf Druck und Scherung.
Der Isolierkörper kann aus Porzellan, Glas oder Kunststoff bestehen.
In elektrischer Hinsicht ist der Stützen-Isolator ein durchschlagbarer Isolator (Typ B).
Stützen-Isolatoren werden
* allgemein für Nennspannungen unter 1 kV und
* auch für Nennspannungen > 1 kV bis zu 70 kV verwendet.
Freileitungs-Stützer (line-post type insulators) mit Außenbefestigung der metallenen Armatur.
Diese haben einen zylinderförmigen Vollkern- oder Verbund-Isolierkörper mit mehreren Schirmen. Kennzeichnend für diesen Isolator ist die am unteren Ende des Isolierkörpers aufgekittete metallene Kappe (Fußarmatur), in die Metallteile (Schrauben, Bolzen usw.) zur Befestigung des Freileitungs-Stützers am Mast eingeschraubt werden. Der mit dem Leiterseil auf unterschiedliche Weise verbundene Isolator wird nur auf Biegung belastet.
Der Vollkern-Isolierkörper kann aus Keramik oder Kunststoff bestehen. Verbund-Isolierkörper bestehen aus zusammengesetzten Kunststoffteilen (GfP-Kern mit aufgesetzten Kunststoffschirmen) und besitzen am oberen Ende des Isolierkörpers zusätzlich eine metallische Kappe (Kopfarmatur).
In elektrischer Hinsicht ist der Freileitungs-Stützer ein nichtdurchschlagbarer Isolator (Typ A).
Freileitungs-Stützer werden bis zu Nennspannungen von 500 kV eingesetzt.
1.1.1. Stützen-Isolatoren
1891 baute Oskar von Miller die erste deutsche Drehstrom-Fernübertragung über eine Entfernung von 175 km von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main mit 15 kV bzw. später mit 25 kV Betriebsspannung unter Verwendung von 3282 Holzmasten und der entsprechenden Anzahl von Porzellan-Isolatoren [21], [492]. Man glaubte damals, dass man sich nicht allein auf das Porzellan verlassen kann. Es wurden deshalb Stützen-Isolatoren aus Porzellan mit ölgefüllten Innenrinnen (sog. "Öl-Isolatoren") verwendet, die bei der Ausführung dieser Freileitung
- zu 2/3 aus den damals bereits bekannten Glocken-Isolatoren, jedoch mit einem nach innen eingezogenen, ölgefüllten unterem Rand (Bild 1) für die Teilstrecke Eberbach-Frankfurt und
- zu 1/3 aus von der Margarethenhütte Großdubrau der Porzellanfabrik Schomburg & Söhne gelieferten zweiteiligen Porzellan-Stützen-Isolatoren mit 3 ölgefüllten Rinnen im Inneren für die Teilstrecke Lauffen-Eberbach (Bild 2)
bestanden [22] bis [27].
Bei der Fertigung der helmartigen 2-teiligen Stützen-Isolatoren (Bild 2) traten damals zahlreiche Trockenrisse auf. Deshalb konnten zum Zeitpunkt des Liefertermines nur 1/3 der ursprünglich für die gesamte Leitungsstrecke vorgesehenen Isolatoren zur Verfügung gestellt werden. Die Reststrecke mußte mit den lieferbaren einteiligen Glocken-Isolatoren (Bild 1) bestückt werden [28]. Während des Betriebes der Freileitung ergab sich dann jedoch, dass die Glocken-Isolatoren mit nur einer Ölrinne den Anforderungen vollkommen gerecht wurden.
Bild 1: Glocken-Isolator mit eingezogenem Rand und 1 Ölrinne
Bild 2: Stützen-Isolator von Schomburg & Söhne, mit 3 Ölrinnen (1891)
Der Grundgedanke dieser Öl-Isolatoren war (nach Johnson und Phillips, 1876), den Kriechweg entlang der Porzellanoberfläche, der durch Schmutz und Feuchtigkeit leitfähig werden könnte, durch eine "Ölstrecke", die gegen Regen und Wind geschützt ist, zu unterbrechen. Nachteilig und wirtschaftlich kaum vertretbar war dabei, dass die Isolatoren öfters "nachgeölt" werden mußten, das heißt, das Öl in den Rinnen mußte aufgefüllt werden.
Die Anordnung der Stützen-Isolatoren und die Befestigung der Stützen am Holzmast der Freileitung Lauffen-Frankfurt zeigt Bild 3.
Bild 3: Anordnung der Stützen-Isolatoren der ersten deutschen Drehstrom-Fernübertragung 1891 (Mastbild)
Diese Fernübertragung wurde der Auftakt für die Entwicklungsgeschichte des Freileitungs-Isolators.
Vorbild für die Konstruktion der ersten Hochspannungs-Isolatoren und der Isolatoren nachfolgender Starkstrom-Freileitungen waren die Telegrafen-Stützen-Isolatoren der bereits bekannten oberirdischen Telegrafenleitungen, nämlich
- der Glockenisolator von Werner von Siemens (1849) und
- die Doppelglocke von v. Chauvin (1858) [20], [22], [24] (Bild 4).
Bild 4: Erste Isolatoren für oberirdische Telegrafenleitungen links: Glocken-Isolator (1849), rechts: Doppelglocke (1858)
Praktische Bedeutung hat nur die Doppelglocke erlangt. Sie wurde in vielen Ländern, teilweise in abweichender äußerer Form, eingesetzt. Ihre technische Überlegenheit beruhte auf folgenden Vorteilen [20], [24]:
- Zwischen den beiden Glocken befand sich eine ruhende Luftschicht, wodurch die Taubildung in dieser Zone erschwert wurde.
- Es war ein langer Kriechweg längs der trocken bleibenden inneren Mantelflächen vorhanden.
- Gegenüber mechanischer Zerstörung war eine größere Sicherheit vorhanden, da zumeist nur die äußere Glocke zu Bruch ging.
1862 führte die deutsche Reichspost für Fernmelde-Freileitungen 2 unterschiedlich große Doppelglocken-Isolatoren ein (Bild 5), die sog. "Reichspost-Modelle" (RM) [28]. Der Doppelglocken-Isolator RM I war auch lange Zeit für Freileitungen bis 0,5 kV zugelassen. Es war hierfür lediglich eine Kennzeichnung der Isolatoren vorgeschrieben, um sie nicht mit denen für Fernmelde-Freileitungen zu verwechseln.
Bild 5: "Reichspost-Modelle" (RM) für Femmelde-Freileitungen (1862)
Parallel dazu entstand 1869 ein französischer Stützen-Isolator mit Luftkammer für Starkstrom-Freileitungen (Bild 6) [24]. Bei diesem 2-teiligen Isolator wurde die Taubildung auf den Oberflächen im Inneren des Isolierkörpers völlig unterbunden. Dieser Isolator setzte sich jedoch auf Grund seiner schwierigen Herstellungsweise nicht durch.
Bild 6: Stützen-Isolator mit Luftkammer für Starkstrom-Freileitungen (Lenoir und Prudhomme, 1869)
1901 wurde von der Porzellanfabrik Hermsdorf aus der bewährten Telegrafen-Doppelglocke nach Bild 5 ein Dreifachglocken-Isolator für Hochspannung bis 13 kV entwickelt und hergestellt (Bild 7) [28]. Die Formgebung dieses Isolators war jedoch noch nicht ausgereift. Im Vordergrund der Entwicklung standen die Verbesserung der Porzellanqualität durch intensive Werkstoffentwicklung sowie eine verbesserte Brandführung des keramischen Sinterprozesses und nicht die elektrotechnischen Eigenschaften des Isolierkörpers.
Bild 7: Dreifachglocken-Isolator für Hochspannungs-Freileitungen bis 13 kV (1901)
Parallel dazu entstanden ebenfalls in der Porzellanfabrik Hermsdorf für Betriebsspannungen bis 500 V NS-Starkstrom-Isolatoren, die sog. "Rillen-Tellerisolatoren" mit der Bezeichnung "RTI" (Bild 8) [28].
Bild 8: NS-Starkstrom-Isolatoren RTI bis 500 V (Rillen-Tellerisolatoren, 1901)
1920 wurden für diese NS-Starkstrom-Isolatoren Normenentwürfe veröffentlicht [29]. Als Grundsatz galt, dass schon äußerlich durch die Formgebung der Isolatoren zum Ausdruck zu bringen ist, dass es sich um Starkstrom-Isolatoren handelt. Außerdem wurde bei diesen Isolatoren die Halsrille merklich vergrößert, der Kriechweg wurde kleiner und der funktionswichtige Überschlagweg größer. Es wurde außerdem festgelegt, die Bezeichnung für diese Isolatorentypen von "RTI" in "N" zu ändern. 1921 wurde diese VDE-Norm als verbindlich erklärt [30].
Später, 1941, entstand daraus die Norm DIN 48 150, in der zusätzlich ein Nullleiter-Stützen-Isolator mit der Bezeichnung "NO" aufgenommen wurde (Bild 9).
Bild 9: Nullleiter-StützenIsolator "NO" (1941)
Die ersten Hochspannungs-Isolatoren waren mehr oder weniger "gefühlsmäßig" entstanden. Mit Beginn des umfassenden Freileitungsbaues lernte man jedoch, die Isolatoren den tatsächlich auftretenden elektrischen und mechanischen Anforderungen anzupassen. Eine systematische, wissenschaftlich begründete Isolationskeramik begann sich zu entwickeln.
So entstand 1896/97 eine neue Bauform des Hochspannungs-Stützen-Isolators, und zwar fast gleichzeitig
- in Italien die "Paterna-Glocke" von Ginori, Mailand und
- in Deutschland die "Delta-Glocke" [31].
Die "Delta-Glocke" (Bild 10), von Prof. Robert M. Friese 1897 entwickelt und durch die Porzellanfabrik Hermsdorf hergestellt, stellte einen wichtigen Meilenstein bei der Entwicklung neuer Hochspannungs-Stützen-Isolatoren dar, da eine grundsätzlich neue Form des Hochspannungs-Isolators entstand. Es war der erste auf wissenschaftlich-experimenteller Grundlage konstruierte Hochspannungs-Freileitungsisolator [23], [24]: erstmals wurden die Flächen der Porzellanschirme senkrecht zur Feldlinienrichtung angeordnet und damit Gleitfunkenentladungen vermieden. Der Name "Delta-Glocke" (Schutzmarke der Porzellanfabrik Hermsdorf) für diesen Isolator leitet sich von der deltaformigen Gestalt (Δ) der schirmartig ausgebildeten Teller ab (sog. "Helmtyp").
Bild 10: Delta-Glocke von Friese (1897)
Zur Aufnahme des Leiterseiles waren am Kopf und am Hals der Delta-Glocke Rillen vorgesehen.
Für höhere Spannungen mußten die dann erforderlichen größeren Isolierkörper, aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden, da man so große Porzellanteile noch nicht sicher brennen konnte (Bild 11) [32], [33].
Bild 11: Mehrteiliger Delta-Isolator
Herausragentes Merkmal der mehrteiligen Stützen-Isolatoren war die gleichmäßige Scherbendicke bei einer gleichzeitig vorhandenen gleichmäßigen Kittfugenbreite. Außerdem wurden die gespreizten Isolatorenschirme durch eine einfache wulstartige Randverdickung widerstandsfähiger gegen Schlagbeanspruchung (z. B. beim Transport) gemacht [28].
1926 brachte Thomas Insulators (USA) einen zweiteiligen Stützen-Isolator auf den Markt, der besonders widerstandsfähig gegen Vandalismus (z. B. Steinwurf) sein sollte (Bild 12) [34].
Bild 12 : Amerikanischer Stützen-Isolator, widerstandsfähig gegen Vandalismus (1926)
1924 wurden für eine 50-kV-Freileitung in Schweden 4-teilige Delta-Isolatoren von der Porzellanfabrik Hermsdorf geliefert, die einen Höhepunkt in der Entwicklung des Delta-Isolators darstellten (Bild 13) [28].
Bild 13: 4-teiliger Delta-Isolator für 50 kV (1924)
Die ein- und die mehrteilige Delta-Glocke blieb für Jahrzehnte, bei ständiger Weiterentwicklung, der führende Hochspannungs-Isolator in der Welt.
Um 1898 bis 1904 entstanden auch in den USA die ersten sehr unterschiedlichen Konstruktionen von Isolierkörpern für Stützen-Isolatoren
* aus Glas,
* aus der Kombination Porzellan-Glas und
* aus Porzellan [35].
So wurde für die 40-kV-Freileitung Provo/Utah ein Glas-Isolator mit 3 Außenrillen eingesetzt (Bild 14) [35].
Bild 14: Amerikanischer Glasisolator für 40 kV (1898)
Später griff die Hemingray Glass Co. (USA) die Fertigung von Glas-Stützen-Isolatoren bis 15 kV aus einem Stück auf (ähnlich Bild 14) und fertigte diese viele Jahre [36].
Auch in Frankreich begann nach 1920 die Herstellung von Stützen-Isolatoren aus Glas, allerdings durchweg in mehrteiliger Ausführung [37]. Die Bauform lehnte sich an den deutschen HW-Typ (Bild 30) an. Bei gleichen Maßen war
- die elektrische Festigkeit gleich, aber
- die mechanische Festigkeit betrug nur 50 bis 75 % des keramischen Vergleichs-Isolators.
Eine zweiteilige "Glasglocke" entstand 1901 für die 55-kV-Anlage am Missouri River (Bild 15), wobei das Unterteil nur die Aufgabe hatte, die bei dieser Bauweise verwendete Holzstütze zu schützen.
Bild 15: Zweiteiliger amerikanischer Glas-Isolator für 55 kV (1901)
Eine eigenartige Kombination aus Porzellan und Glas stellte der Isolator für die 60-kV-Anlage der Bay Conties Co. dar (Bild 16) [24], [283]:
Der pilzförmige Isolierkörper bestand aus einem Kopf aus Porzellan, welcher 2 Randnasen hatte, die das Regenwasser ablaufen ließen, sowie einem gläsernen Unterteil (Kelch), der über die ganze Stütze gezogen wurde. Die Verbindung der Glaseinzelteile erfolgte anfangs mit Schwefel, später mit Zementkitt.
Beim Einsatz der vorgenannten Stützen-Isolatoren verstärkte sich in den USA die Erkenntnis, dass nicht Glas, sondern nur die glasierte Oberfläche und die Werkstoffeigenschaften des Porzellans eine sichere Isolation einer Freileitung gewährleisten. Es entstanden daraufhin 1902 für eine 50-kV-Anlage der Shawingen Water and Power Company dreiteilige Isolatoren aus Porzellan, die mit Portland-Zement zusammengekittet waren (Bild 17) [284].
Bild 16: Amerikanischer Porzellan-Glas-Isolator für 60 kV von Locke (1901)
Bild 17: 3-teiliger amerikanischer Porzellan-Stützen-Isolator von Thomas (1902)
Bei weiteren Freileitungen fanden 1904 auch 4-teilige Porzelan-Stützen-Isolatoren Anwendung (Bild 18) [35].
Bild 18: 4-teiliger amerikanischer Stützen-Isolator (1904)
Die zunächst "gefühlmäßigen" amerikanischen Festlegungen zur Gestaltung der ersten Hochspannungs-Isolatoren mündeten 1904 in den ersten technisch-wissenschaftlich fundierten Forderungen an die Konstruktion solcher Isolatoren [35]. Diese lauteten:
- Der Isolierstoff der Einzelelemente soll gleichartig und fest sein und eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit aufweisen.
- Ein hoher elektrischer Oberflächenwiderstand gegen Stromableitung muß vorhanden sein.
- Der Abstand zwischen Leiter (Seil oder Draht) und Stütze (Bolzen) muß so groß sein, dass bei Betriebsspannung und bei Überspannungen eine Lichtbogenbildung vermieden wird.
- Die Gestalt des Isolators darf nicht dazu führen, dass sich Salz, Staub u. a. ansammeln können. Salznebel z. B. fordert Formen, die einer öfteren Reinigung zugänglich sein müssen.
- Gestalt und Beschaffenheit des Isolierkörpers sollen eine kleinstmögliche Eigenkapazität bewirken.
- Wärmeverluste durch Stromleitung und dielektrische Effekte sollen unmerklich sein.
- Die mechanische Belastbarkeit soll den wirkenden äußeren Kräften (Leiterzugkraft) entsprechen.
Hierbei wurden bereits erste Vorschläge für Arten und Methoden von Prüfungen an Isolatoren geäußert.
In den ersten deutschen Sicherheitsvorschriften für den Freileitungsbau von 1904 [39] wurde lediglich festgelegt:
Freileitungen dürfen nur auf Porzellanglocken (Doppelglocken), Rillen-Isolatoren oder gleichwertigen Isoliervorrichtungen verlegt werden. Die Glocken sind dabei in aufrechter Stellung zu befestigen.
Um beim Übergang auf höhere Betriebsspannungen den Durchmesser der Stützen-Isolatoren klein zu halten, wurde von Vernon G. Converse (USA) 1901 [35] ein neuartiger langer Isolator entwickelt (Bild 19). Dabei ist das Oberteil (Kopf) des Isolierkörpers auf einem Holzbolzen aufgeschraubt. Dazugehörige Zwischenstücke sind auf ein tragendes Unterteil aufgesteckt und ragen jeweils mit einem rohrähnlichen Ende in Rinnen des nächsten Zwischenstückes. Die Rinnen sind mit isolierendem Kitt gefüllt. Ob dieser Isolator jemals zur Anwendung kam, ist unbekannt.
Bild 19: Stützen-Isolator von Converse (1901)
In Deutschland wurden die ein- und mehrteiligen Delta-Isolatoren von zahlreichen Porzellanfabriken hergestellt. Diese waren in einem Porzellan-Isolatorensyndikat zusammengefaßt. Die Isolatoren erhielten einheitliche Seriennummem, z. B. "J X387" ( = Stützen-Isolator HD 25), wobei das X jeweils durch die Syndikats-Nummer des Isolatoren-Herstellers ersetzt wurde.
Die Porzellanteile (Scherben) der mehrteiligen Isolierkörper
* Oberteil mit Hals- und Kopfrille (Kopf),
* Mittelteil(e) und
* Unterteil (Kelch, Hülse)wurden entweder
- nach dem Brand mit Zementkitt miteinander verbunden,- im Brand "zusammenglasiert" (zusammengebrannt)oder
- nach dem Brand "zusammengehanft".
Bei der Methode "Verbinden mittels Zementkitt" sind die Porzellanteile an den Kittstellen unglasiert.
Beim "Zusammenglasieren" erfolgt die Verbindung der Einzelteile durch eine Glasur in einem 2. Brand. Durch vorheriges Schleifen an den senkrechten konischen Isolierkörperflächen werden die Teile auf das Einbringen der Verbindungs-Glasur vorbereitet [40]. Die Spalten zwischen den waagerechten Flächen der Einzelteile bleiben unverbunden und bilden dadurch oft Hohlräume. Beim Einbringen der Stütze konnte deshalb der Boden des Isolierkörper-Unterteiles leicht durchstoßen werden [41].
Seit 1920 wurde eine große Anzahl von "zusammengehanften" Isolatoren durch die Hescho Hermsdorf hergestellt. Diese haben sich wegen ihrer Nachgiebigkeit gut bewährt [28], [42]. Dabei wird über die aufgerauhte Außenfläche des Unterteiles des Isolierkörpers ein mit Leinöl getränkter Hanfüberzug aufgewickelt und darauf das mit Innengewinde versehene Oberteil aufgeschraubt. Nach längerer Betriebszeit führten hier allerdings Leiterseil-Schwingungen zu Lockerungs- und Korrosionserscheinungen [28].
An mehrteiligen Delta-Isolatoren kam es nach 3- bis 5-jährigem Betrieb zu zahlreichen Betriebsstörungen durch Zerspringen des Isolierkörpers. Umfangreiche Untersuchungen [32] führten zu folgenden Erkenntnissen:
• Die Betriebsstörungen treten besonders in der warmen Jahreszeit auf.
• Es sind nur mehrteilige Isolierkörper betroffen, keine einteiligen.
• Die Schäden treten nur bei zusammengekitteten Isolierkörpern auf, nicht bei zusammenglasierten [45] bis [47] oder zusammengehanften [44].
• Die Risse, die nachfolgend zum Zerspringen des Isolierkörpers führen, treten vor allem am Oberteil (Kopf) auf.
• Isolierkörper mit ungleichmäßiger Dicke der Kittfuge zwischen Ober- und Mittelteil zeigen sehr schnell Haarrisse.
Daraus konnte geschlossen werden:
Die Ursache für das Zerspringen des Isolierkörpers von mehrteiligen Stützen-Isolatoren ist der Überdruck innerhalb des Isolierkörpers, der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von Kittwerkstoff und Porzellan bei Temperaturänderungen entsteht. Je nach Zusammensetzung des Kittwerkstoffes ist dessen Wärmeausdehnungs-Koeffizient 2 bis 4 mal größer, als der des Porzellans.
Dass das Zerspringen des Isolierkörpers erst nach mehrjähriger Betriebszeit auftrat, wurde damit erklärt, dass Zementkitt in den ersten Jahren noch etwas nachgiebig ist und erst nach einer Reihe von Jahren seine endgültige starre Beschaffenheit annimmt.
1919 vertrat die Porzellanfabrik Freiberg die Ansicht [48], dass sich mehrteilige, mit Kitt verbundene Isolatoren einwandfrei herstellen lassen, wenn die Ursachen für das Zerspringen der Isolatoren, wie
- ungünstige Isolatorenform,
- unzweckmäßiger Kitt und
- falsche Kittweise
beseitigt werden. Als zweckmäßiger Kitt wurde eine 1921 von dieser Porzellanfabrik entwickelte Zementmischung (Magerung mit feingemahlenem Quarz), der sog. "Teleo-Kitt", angesehen, der im abgebundenen Zustand ungefähr die gleiche Wärmeausdehnung besitzt, wie Porzellan [49], [50]. Außerdem weist dieser Kitt eine höhere Festigkeit als übliche Sandzementmischungen auf. Als weitere Maßnahme wurde die Anwendung elastischer Anstriche zwischen Kitt und Porzellan empfohlen.
Um die Isolatorenbrüche durch unzweckmäßige Kittung zu verhindern, wurde 1926 von der Porzellanfabrik PINCO (USA) von der herkömmlichen Kittmethode "Zement auf den gesamten Kittflächen" abgegangen [51]. Man schlug vor, die Lochböden der einzelnen Isolierkörperteile mit einer elastischen Masse zu versiegeln und danach die Kittung an den senkrechten konischen Flächen vorzunehmen. Dazu wurden die senkrechten nicht glasierten Innenseiten der Isolierkörperteile mit einer Wellung versehen, die nicht glasierten Außenseiten dagegen blieben glatt (Bild 20). Als Kittwerkstoff wurde Portland-Zement verwendet.
