Kitabı oku: «Isolatoren und Armaturen für Isolatorketten in Starkstrom-Freileitungen», sayfa 7
Zum Schutz der Leiterseile an Kappen-Isolatoren ohne Lichtbogen-Schutzarmaturen schlägt die Porzellanfabrik Ph. Rosenthal 1928 vor, in der Nähe der Tragklemme Schutzhülsen entsprechend Bild 323 anzubringen. Die Länge dieser Schutzhülsen kann dabei mehrere Meter betragen.
Bild 323: Schutzhülsen am Leiterseil nach Rosenthal (1928)
Mit der Einführung der Ketten-Isolatoren zu Beginn des 20. Jahrhunderts traten zunächst eine Reihe von Bedenken und Problemen auf:
1 .) Das an Isolatorketten befestigte Leiterseil kann nach allen Seiten frei schwingen. Bei Tragketten bewirkt der Winddruck dabei Ausschwingwinkel- bei Kupferseilen von 45° bis 60° und- bei Aluminiumseilen von 65° bis 80°,
die von der Anzahl und der Masse der Einzelglieder kaum beeinflußt werden können [288].
Durch Anbringen von Zusatzmassen am Kettenende, zumeist an der Tragklemme (bis zu 20 kg und mehr), kann allerdings eine befriedigende Reduzierung der Ausschwingwinkel erreicht werden.
2 .) Schrägstellungen der Tragketten können bei aufeinanderfolgenden ungleich langen Spannfeldem bei Temperaturänderungen auftreten oder wenn in benachbarten Spannfeldern mit ungleicher Zusatzlast (Eis) gerechnet werden muß [289].1927 wurde von Fürst und Meyer [290] als Abhilfe für solche Fälle eine "wandernde" Isolatorkette vorgeschlagen (Bild 324).
Bild 324: "Wandernde" Isolatorkette
Dabei ist die Tragkette mit einer Rolle in einer ca. 3 m langen V-förmigen Laufschiene gelagert, die an der Masttraverse angebracht ist. Bei einseitigem Leiterseilzug kann die Tragkette wandern und den einseitigen Seilzug ausgleichen. Die Neigung der Laufschiene hängt davon ab, was für zusätzliche Belastungen den Tragmasten zugemutet werden kann.
3 .) Entlang der Isolatorkette stellt sich eine sehr unterschiedliche Verteilung der elektrischen Spannung pro Kettenglied ein. Die höchste Spannung herrscht am Kappen-Isolator, der dem Leiterseil am nächsten liegt. Verursacht wird dieser Zustand durch die unterschiedliche Kapazität zwischen den Metallteilen des Einzelisolators gegen Erde (Mast) und gegenüber dem Leiterseil [291], [292].Die Spannung an den einzelnen Isolatoren ist abhängig von
- der Gesamtzahl der Isolatoren (und damit von der Baulänge),
- der Isolatorentype (und damit von deren Eigenkapazität) und
- der Teilkapazität des Einzelgliedes gegen Erde und gegenüber dem Leiterseil.
Die Feld- und Äquipotentiallinien entlang einer 7-gliedrigen Einfach-Tragkette aus Kappen-Isolatoren sind im Bild 325 dargestellt [197].
Bild 325: Elektrisches Feld einer Tragkette aus Kappen-Isolatoren
Ein Ausschnitt aus diesem Bild zeigt das Feld in der Nähe der Leiterseil-Aufhängung (Bild 326).
Bild 326: Elektrisches Feld am leiterseitigen Kettenende einer Kappen-Isolatorkette
Verbesserungen, d. h. eine Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung, sind möglich, wenn
- die Eigenkapazität des Einzelisolators durch Verwendung anderer Isolatorentypen vergrößert wird.
Z. B. haben die Isolatoren je nach Typ und Größe folgende Eigenkapazitäten [229], [293]:
Schlingen-Isolator 14 pF,
Kappen-Isolator (K 3) 42 pF,
Untra-Isolator 54 pF,
Kugelkopf-Isolator 55 pF.
- die Isolatoren abgestuft eingebaut werden, also verschiedenartige Isolatoren angewandt werden und zwar so, dass sich an der Leiterseilseite die Isolatoren mit der größeren Eigenkapazität befinden (Bild 327) [20], [209], [294], [295] und
Bild 327: Kappen-Isolatoren mit zum Kettenende zunehmender Eigenkapazität, schwedische Lösung (1914)
- besondere Zusatz-Elektroden in Form von Lichtbogenschutz-Armaturen (Ringe, Hörner usw.) am leiterseilseitigen Ende der Isolatorenkette angeordnet werden.
Der Einsatz verschiedenartiger Kappen-Isolatoren in einer Isolatorkette ist eine ungünstige Lösung. Sie erfordert eine komplizierte Lagerhaltung und eine Verwechslung bei der Montage der Isolatorkette kann zu noch ungünstigerer Spannungsverteilung führen [207]. Messungen von Marx an Isolatorketten für die höchste 1925 vorkommende Spannung von 220 kV zeigen, dass man ohne weiteres mit gleichartigen Gliedern auskommen kann. Bei einer 14-gliedrigen Kette ist beispielsweise die Überschlagspannung nur um etwa 20 % kleiner, als die Summe der Überschlagspannungen der Einzelglieder. Deshalb wurde eine Lösung durch Anwendung von Schutzringen und -hörnern bevorzugt (Bild 328).
Bild 328: Kappen-Isolatorkette mit Schutzarmaturen, links: Schutzhörner, rechts: Schutzringe
Bei Kappen-Isolatorketten für höhere Spannungen wurde 1930 vorgeschlagen, Zwischenschutzarmaturen anzuwenden, um die Spannungsverteilung weiter zu verbessern (Bild 329) [137].
Bild 329: 220-kV-Isolatorkette mit Zwischenringen
4 .) Die Isolatorketten aus Kappen-Isolatoren zeigten bei höheren Spannungen Glimmentladungen an den leiterseitigen Isolatorgliedern, die zu Rundfunkstörungen führten. Ursachen dafür waren:- Entladungen am Rand der Isolatorenkappe,- Entladungen am Übergang vom Isolatorenklöppel zur Einzementierung [297],- Entladungen in Rissen und Lunkern im Isolierkörper sowie in porösen Isolierkörpern [298]und- Oberflächenentladungen in feuchten Fremdschichten bei verschmutzten Isolatoren (Bild 308) [265].
1935 durchgeführte Messungen der Verluste durch die Glimmentladungen an Kappen-Isolatoren ergaben, dass besonders kittlose Isolatoren frühzeitig zu Glimmentladungen im Loch des Isolatorenklöppels neigen. Durch Metallisierung des Loches im Isolierkörper und leitende Verbindung des Metallbelages mit dem Isolatorenklöppel durch Bleiausguß, konnte diese Erscheinung weitgehend vermieden werden.
5 .) 1931 wurden Vorschläge für Isolatorketten für Spannfelder mit erhöhter Sicherheit diskutiert [54].
Bei Tragketten erhöhter Sicherheit sollte danach folgendes beachtet werden:
* Es sollen Isolatoren mit 10% höherer Sicherheit gegen Überschlag verwendet werden. Dadurch wird bei Überspannungen am betroffenen Mast ein Überschlag ausgeschlossen; er erfolgt dann an einem Mast im Spannfeld mit der geringeren Sicherheit.
* Lichtbogen-Schutzarmaturen sind am oberen und unteren Kettenende zu verwenden, um eine Isolatorenbeschädigung durch Lichtbögen sicher zu verhindern.
* Bei Riß eines Leiterseiles im Nachbarfeld ist das Durchgleiten des Seiles in den Tragklemmen zu verhindern, indem neben den Tragklemmen des Spannfeldes mit erhöhter Sicherheit Zusatzklemmen auf dem Leiterseil montiert werden.
* Doppel-Tragketten sollten verwendet werden. Bei Durchschlag eines Isolators und Herabfallen dieser Kette wird das Leiterseil von der verbleibenden Kette gehalten.
Bei Abspannketten erhöhter Sicherheit können die für Tragketten vorgesehenen Maßnahmen entfallen, da das Leiterseil am Abspannmast an 2 gegenüberliegenden Abspannketten befestigt und durch Stromschlaufen verbunden ist. Bei Bruch einer Abspannkette kann das Leiterseil nicht abstürzen. Es wird lediglich die Stromschlaufe gestrafft. Diese hält dann das Leiterseil, wenn
- keine Verbindungsstelle in der Stromschlaufe vorhanden ist oder
- ein für die Aufnahme des Leiterseilzuges geeigneter Verbinder (z. B. auch zwei hintereinander montierte Stromklemmen) vorgesehen wird.
Seit 1910 wurden in der Porzellanfabrik Hermsdorf Untersuchungen über den Einfluß gleichzeitiger elektrischer und mechanischer Belastungen von Keramik-Kappen-Isolatoren auf ihre Durchschlagspannung durchgeführt [299]. Dabei stellte sich heraus, dass bei Beanspruchung des Isolators mit Wechselspannung bei gleichzeitiger mechanischer Belastung, abhängig von der Isolatorentype, ab einer bestimmten Kraft eine Verminderung der Durchschlagspannung eintritt (Bild 330). D. h., der elektrische Durchschlag erfolgt bei einem mechanisch belasteten Kappen-Isolator ab einer bestimmten Grenze früher, als bei einem unbelasteten Isolator.
Bild 330: Verminderung der Durchschlagspannung von Kappen-Isolatoren bei gleichzeitiger elektrischer und mechanischer Belastung
Damals wurde der für Keramik-Kappen-Isolatoren geltende Begriff der
"elektromechanischen Last"
(heute: elektromechanische Bruchkraft, electromechanical failing load, M&E rating)
eingeführt und dieser Begriff wie folgt definiert:
"Es ist die statische Last, die bei der Zugbelastung von Kappen-Isolatoren bei bestimmter Laststeigerung beim Anliegen von Wechselspannung entweder zum elektrischen Durchschlag oder zum mechanischen Bruch des Isolators führt. [300]"
Der Wert der elektromechanischen Last wurde von den Pozellanfabriken für jeden Kappen-Isolator-Typ in den Angebotsunterlagen angegeben und letztendlich auch für den noch in DIN 48 007 verbliebenen Isolator K 170/280 in die Norm aufgenommen.
1937 wurde jedoch schon von v. Teufels darauf hingewiesen,
- dass es eine Minderung der elektrischen Durchschlagfestigkeit bei gleichzeitiger mechanischer Belastung bei Kappen-Isolatoren nicht gibt und
- dass eine Alterung des Porzellans (Nachlassen der Porzellanfestigkeit) nicht eintritt,
sondern dass bei Keramik-Kappen-Isolatoren der wirklich interessante Wert der Dauerlastwert ist, d. h., die vorgeschriebene und vom Hersteller ermittelte Last, die der Isolator während einjähriger Belastungszeit aushalten muß.
Bei der Beurteilung des Zustandes von Kappen-Isolatoren nach längerer Einbauzeit stellte man Mitte der 50er-Jahre fest, dass in Gebieten mit hoher Verschmutzung Korrosionserscheinungen an Isolatorenklöppeln, besonders in der Nähe der Zementkittung auftraten, die die mechanische Festigkeit der Isolatoren stark beeinträchtigen können. Außer der Metallabtragung am Klöppelschaft wurden Korrosionsprodukte am Übergang Metall/Zement festgestellt, die ein bis zu 50 % größeres Volumen als Stahl besitzen und zu Sprengkräften im Isolierkörper führen, die zu dessen Bruch führen können. Bemerkenswert war dabei, dass diese Korrosionserscheinungen an Isolatoren, die nicht an Spannung lagen, nicht auftraten. Daraus wurde abgeleitet, dass Kriechströme zwischen Isolatorenkappe und Isolatorenklöppel über die verschmutzte Isolatorenoberfläche die Ursache für diese Korrosion sein müssen.
Als Abhilfemaßnahmen wurden folgende Mittel vorgeschlagen:
1 .) Verstärkung des Isolatorenklöppels in der Nähe des Zementeingusses (Bild 331). Dabei ergaben sich jedoch bei Schwingungsversuchen an Isolatorenketten mit derartigen Kappen-Isolatoren Schwierigkeiten durch den ungünstigen Einfluß der dynamischen Biegebeanspruchungen an der Verstärkungsstelle. Der Isolatorenklöppel sollte daher möglichst einen gleichmäßigen Durchmesser haben und nicht verstärkt werden [295].
Bild 331: Kappen-Isolator mit verstärktem Isolatorenklöppel2 .) Ausführung des Isolatorenklöppels aus nichtrostendem Stahl.3 .) Schutz des Isolatorenklöppels am Übergang Metall/Zement durch Anbringung einer Zinkmuffe (Antikorrosionsring) auf dem Klöppelschaft (Bild 332) [84], [305], [306], [307].
Bild 332: Anbringung einer Zinkmuffe (Antikorrosionsring) am Schaft des Isolatorenklöppels
Diese Muffen sind aus reinem Zink (99,7 %) hergestellt und werden auf die feuerverzinkten Isolatorenklöppel aufgegossen, so dass sie mit der Schicht der Feuerverzinkung verschmelzen (Bild 333). Bei Korrosionsangriff (Kriechströme) wird die Zinkmuffe abgebaut (Opferelektrode) und am Isolatorenklöppel können keine Rostprodukte entstehen [306].
Bild 333: Zinkmuffe am Isolatorenklöppel
4.) Neuerdings kommen auch spezielle, im Inneren konusartig gestaltete und gefurchte feuerverzinkte Stahlmuffen zum Einsatz, die auf den Isolatorenklöppel geschoben werden (Bild 334 und 335) [306].
Bild 334: Korrosionsschutz-Stahlmuffe am Isolatorenklöppel
Bild 335: Anti-fog-Isolator, Isolatorenklöppel mit Korrosionsschutz-Stahlmuffe
Auf Kundenwunsch werden von einigen Kappen-Isolatoren-Herstellern auch Zinkringe am Rand der Isolatorenkappe angebracht.
In Deutschland wurde der Kappen-Isolator Ende der 3Oer-Jahre nach und nach von anderen Isolatorentypen ersetzt. Gründe dafür waren insbesondere:
- Der Kapppen-Isolator ist ein durchschlagbarer Isolator (Bild 336).
Bild 336: Durchschlagweg und elektrisches Feld im Kopf des Isolierkörpers eines Kappen-Isolators
- Bei gleichzeitiger mechanischer und elektrischer Beanspruchung kann der Durchschlag im Isolierkörper unterhalb der Bruchgrenze, die bei nur mechanischer Belastung erreicht würde, erfolgen. Dieser Wert liegt je nach Konstruktionsart zwischen 70 und 100 %.
- Durchschläge im Kopf des Isolierkörpers sind von außen nicht sichtbar und können nur durch Messungen mit Prüfstangen usw. festgestellt werden.
- Die Wirkung der Scherspannungen im Isolierkörper bei Belastung des Isolators setzt der mechanischen Belastbarkeit Grenzen. Es kann bei Dauerbeanspruchung zu Ermüdungsbrüchen kommen.
- Bei leitenden Fremdschichten auf den freiliegenden Oberflächen des Isolierkörpers kann in der Nähe des Isolatorenklöppels durch Kriechströme Korrosion am feuerverzinkten Schaft des Isolatorenklöppels auftreten.- Die Probleme mit der Einkittung oder mit der kittlosen Befestigung des Isolatorenklöppels im Isolierkörper verunsicherten die Anwender in hohem Maße.
Zur Lösung der elektrischen und mechanischen Probleme an Ketten-Isolatoren wurden dabei international zwei grundsätzlich verschiedene Entwicklungsrichtungen beschritten:
1. Optimierung der Eigenschaften des Kappen-Isolators, um ihn in Konstruktion und Qualität den Anforderungen anzupassen und die Anwendungsschwierigkeiten zu beseitigen.
In Betracht kamen folgende Wege:
* Veränderung der Bauform durch günstigere Formgebung der Armierungsteile und des Isolierkörpers.
* Verbesserung der Kittung zwischen Isolatorenkappe, Isolierkörper und Isolatorenklöppel, u. a. durch Einsatz von Spezialzementen.
* Einsatz neuer Werkstoffe für den Isolierkörper. Neben der Verwendung neuer hochfester Porzellanmassen, wurde ab 1935 auch vorgespanntes Glas in Betracht gezogen.
* Verbesserung der Herstellungstechnologie des Isolierkörpers, insbesondere Vermeidung von Porosität im Porzellan.
* Anbringung von Opferelektroden (Zinkmuffen u. ä.) am Isolatorenklöppel, um die zerstörende Wirkung der Korrosion am Übergang zum Isolierkörper zu verhindern.
Heute sind Keramik-Kappen-Isolatoren technisch und konstruktiv ausgereift. Sie werden allgemein wie folgt ausgeführt (Bild 337) [306], [307], [308]:
Bild 337: Aufbau eines modernen Keramik-Kappen-Isolators
- Herstellung des Isolierkörpers (pocelain shell) für Normal- und Verschmutzungsisolatoren aus fehlerfreiem Quarz- oder Tonerdeporzellan (Gruppe C 100, C 110 oder C 120), mit Normalglasur (Farbe dunkelgrau, lichtgrau oder schokoladenbraun) oder mit halbleitender Glasur.
- Aufglasierung von Porzellansand (sand bands) auf den Kittflächen des Isolierkörpers. Die entstandene rauhe Oberfläche ergibt nach der Verkittung eine dauerhafte Verbindung mit den Armaturen und verteilt äußere Kräfte gleichmäßiger in das Porzellan.
- Verkittung mit geeignetem Spezial-Portlandzement [304], [309]. Dabei ständige Kontrolle der Verkittung auf maximale Festigkeit und minimale Ausdehnung.
- Herstellung der Isolatorenkappe (socket cap) aus hochfestem, feuerverzinktem Temperguß.
- Herstellung des Isolatorenklöppels (pin) aus vergütetem, feuerverzinktem Schmiedestahl. Für die Normaltypen: Ausführung mit geradem Klöppelschaft, für die Verschmutzungstypen: mit aufgegossener Zinkmuffe (zinc sleeve) oder geriffelten Korrosionsschutzmuffen (corrosion intercepting sleeve).
- Beschichtung der Flächen von Isolatorenkappe und -klöppel, die mit der Zementkittung in Berührung kommen, mit einem dauerhaften bituminösen Anstrich (bituminous coating). Dieser vermindert Spannungen zwischen den verschiedenen Bauteilen bei unterschiedlicher Wärmedehnung. Außerdem schützt der Anstrich die Metallteile vor chemischen Angriffen durch den Zement [305], [309], [310].
- Anwendung der Klöppel-Pfanne-Verbindung nach IEC oder ANSI mit Federsplinten nach IEC aus nichtrostendem Stahl oder Bronze. Nur auf besonderen Wunsch Anwendung der Gabel-Lasche-Verbindung.
- Rigorose mechanische und elektrische Prüfung jedes Einzelstückes vor der Auslieferung entsprechend den gültigen Prüfvorschriften.
Vom SC 36B der IEC wurden 1965 beginnend, die Kennwerte für Kappen-Isolatoren international in der Norm [312]
IEC 305/1969: Kennwerte von Ketten-Isolatoren des Kappentyps
festgelegt, wobei diese Kennwerte für Isolatoren mit Isolierkörper aus Keramik oder Glas galten.
Nach mehreren Überarbeitungen dieser Norm (1974, 1978 und zuletzt 1995) gilt heute in Deutschland für Kappen-Isolatoren die Norm
DIN EN 60305 (VDE 0446 Teil 6): 1996-10: Keramik- oder Glasisolatoren für Wechselspannungssysteme, Kenngrößen von Kappenisolatoren.
Für die USA gilt weiterhin für Kappen-Isolatoren der Standard [281]
ANSI C29.2-1992(R 1999): Wet-Process Porcelain and Toughened Glass - Suspension Type.
2. Entwicklung durchschlagfester Ketten-Isolatoren durch Suche nach neuen Bauformen. Das Ziel war, lange Isolierkörper ohne Hohlraum herzustellen, die nicht mehr durchschlagbar sind und die bewußt auf Zug beansprucht werden.
Erste Versuche von 1920 waren dazu die Arbeiten bei der Entwicklung des "Elpery-Isolators" [311]. Die metallischen Verbindungsarmaturen zwischen den Einzelgliedern der Isolatorkette wie beim Kappen-Isolator, wurden hier durch Verbindungsstücke aus Isoliermaterial ersetzt (Bild 338 und 339).
Bild 338: "Elpery-Isolator" (1920)
Bild 339: Porzellan-Einzelelement des "Elpery-Isolators"
Die Bemühungen, einteilige Vollkern-Isolierkörper herzustellen, die auf Zug beansprucht werden können, hatten jedoch erst Erfolg, als Porzellanmassen gefunden wurden, die für den Isolierkörper bessere mechanische Eigenschaften brachten.
Als Lösungsvorschlag der Porzellanfabriken Hermsdorf und Schomburg entstand zunächst der Zweikappen-Isolator (Doppelkappen-Isolator), der den ersten Erfolg auf dem Wege zur Beseitigung der Nachteile des Kappen-Isolators darstellte. Bei ihm wurde zum ersten Male, im bewußten Gegensatz zu den bisherigen Isolatorenkonstruktionen, der Isolierkörper rein auf Zug beansprucht (Bild 340) [28], [215].
Bild 340: Zweikappen-Isolatoren
Bei diesem Isolator wurde der beim Kappen-Isolator auftretende Kopfdurchschlag zwar vermieden, es kam aber auf Grund der geringen Dicke des Isolierkörpers zwischen den Rändern der Isolatorenkappen zu Schirmdurchschlägen. Erst mit der Erfindung des Vollkem-Isolators konnte ein durchschlagfester Ketten-Isolator den Anwendern zur Verfügung gestellt werden.
1.2.2.2. Glas-Isolatoren
Versuche, Freileitungsisolatoren aus Glas herzustellen, begannen frühzeitig Erfahrungen von 1913 mit Glas-Isolatoren für 4-gliedrige Isolatorketten einer 65-kV-Freileitung zeigten jedoch, dass aus bestem Champagner-Flaschenglas hergestellte Isolierkörper an heißen Sommertagen nach Eintritt eines kalten Gewitterregens plötzlich zersprangen [32].
Daraus zog man den Schluß, dass es zwecklos ist, Glas für Ketten-Isolatoren einzusetzen. Die damals bekannten Werkstoffe und Herstellungsverfahren für Glasisolierkörper gestatteten es nicht, für den Hochspannungs-Freileitungsbau geeignete Fertigerzeugnisse zu produzieren.
1915 begann auf der Grundlage eines Patentes von Sullivan und Taylor [320] in den USA bei der Firma Corning Glass Works die Herstellung von Bor-Silikat-Glas. Durch Zugabe von Boroxid zu traditionellem Glas erreichte man
- eine hohe Resitenz gegen Wärmeschocks und hohe Temperaturen,
- eine ausgezeichnete Resitenz gegen chemische Angriffe und
- einen reduzierten Wärmeausdehnungskoeffizienten (1/3 vom traditionellen Glas).
Im englischen Sprachraum wurde ab 1924 für dieses "feuerfeste" Glas der Name "Pyrex" eingeführt.
Corning stellte ab 1923 Kappen-Isolatoren aus Pyrexglas her, die auf Freileitungen von 50 kV bis 110 kV eingesetzt wurden (Bild 341) [321].
Bild 341: Kappen-Isolator aus Pyrexglas (1923)
Der Innenaufbau dieses Isolators wurde nach vieljähriger Entwicklungsarbeit bei Corning entsprechend Bild 342 gestaltet.
Bild 342: Innenaufbau des Pyrex-Kappen-Isolators von Bild 341
Die Isolatorenkappe war unter Verwendung einer Asbest-Auskleidung durch eine Blei-Antimon-Legierung mit dem Glas-Isolierkörper verbunden. Der mit einer Außenrillung versehene Isolatorenklöppel war ebenfalls mit Blei-Antimon in der Innenrillung des Glaskörpers befestigt und die Abschlußfläche zwischen Klöppelschaft und Glaskörper mit Asphalt versiegelt.
Auch in Frankreich begannen 1926 Untersuchungen zur Herstellung von Kettenisolatoren aus Pyrexglas, die zu guten Ergebnissen führten [322], [323],[324].
In Deutschland versuchte man 1930 Isolatoren aus Kieselsäureglas ("Vitreosol") herzustellen. Dieses Glas sollte bei plötzlicher Abkühlung von hohen Temperaturen, ebenso wie bei plötzlicher Temperaturerhöhung keinen Schaden nehmen [325].
Damals erkannte man, dass die physikalisch/chemischen Eigenschaften von speziellen Glasarten, diese für Isolationszwecke im Freileitungsbau besonders geeignet machen [326]. Diese Eigenschaften sind:
- vollkommene Homogenität,
- Freiheit von Poren,
- Durchsichtigkeit (gute Fehlererkennbarkeit),
- Fortfall einer besonderen Oberflächenbehandlung (keine Glasur erforderlich),
- hoher Isolationswiderstand,
- gegenüber Porzellan höhere mechanische Festigkeit.
1940 wird berichtet [327], dass die Widerstandfähigkeit von Glas gegen mechanische und elektrische Beanspruchungen erheblich verbessert werden kann, wenn es durch eine geeignete Wärmebehandlung vorgespannt wird. Bei den Untersuchungen wurden gepresste Isolierkörper nach der Entnahme aus der Preßform wie folgt behandelt:
- Erwärmung in einem Ausgleichsofen auf 700 °C,
- nach einem genügenden Temperaturausgleich rasche Abkühlung mit Preßluft,
- danach sehr schnelle Erwärmung in einem Ofen auf 550 °C, wobei sich die Spannung im Isolierkörperkem durch Wärmeausdehnung vergrößert,
- hiernach teilweise Entspannung des Glases, indem es eine bestimmte Zeit auf 450 °C gebracht wird.
Dieser so vorgespannte Glas-Isolierkörper besaß eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturwechsel. Er zersprang bei Bruch, hervorgerufen durch äußere Einwirkungen, in zahlreiche kleine Bruchstücke.
Die hauptsächlichen Arbeiten zur Entwicklung des heutigen vorgespannten Glas-Kappen-Isolators (toughened glass insulator) wurden in Frankreich von der Firma L'Electro-Verre S.A., Paris geleistet [37], [205]. Aus dieser Firma entstand später die Firma SEDIVER (Societe Europeenne d'Isolateurs en Verre), Paris.
Seit 1950 wird von SEDIVER, als führendes Unternehmen auf diesem Gebiet, die Fertigung von Glas-Kappen-Isolatoren technisch vollkommen beherrscht [328].
Als Werkstoff für die Glas-Isolierkörper-Herstellung wird ein alkali-kalk-silikat-haltiges Glas verwendet [331]. Für Glas-Kappen-Isolatoren für Gleichspannungs-Leitungen wird darüberhinaus ein besonderes Glas (HRTG = high resistivity toughened glass) eingesetzt, wobei die Reinheit der Glasschmelze die Qualität des Endproduktes bestimmt. Ein typischer Glas-Kappen-Isolator ist in Bild 343 dargestellt.
Bild 343: Glas-Kappen-Isolator aus vorgespanntem Glas (SEDIVER)
Die Vorspannung des Glas-Isolierkörpers (Vergütung des Glases) wird wie folgt vorgenommen:
- Gesteuerte Abkühlung des Glaskörpers.
- Erwärmung auf 600 °C.
- Anschließend Abschreckung durch Luftbeblasung: Die äußere Schicht des Glaskörpers wird dabei schneller abgekühlt, als der Kern.
Nach der Abkühlung steht die Oberflächenschicht unter Druckspannung, der Kern unter Zugspannung. Beide Spannungen stehen im Gleichgewicht (Bild 344) [26]
Bild 344: Verteilung der mechanischen Spannungen im Glas-Isolierkörper nach dem Temperprozeß
Nach der Vergütung (Temperung) hat der Glas-Isolierkörper eine ca. 3,5mal höhere Festigkeit als ein gewöhnlicher Glaskörper und eine ca. doppelte so hohe Festigkeit als ein Porzellan-Isolierkörper.
Aus technologischen Gründen kann in seltenen Fällen eine ungünstige innere Spannungsverteilung im Glas-Isolierkörper auftreten, wodurch Selbstbrüche des Isolierkörpers entstehen können. Deshalb sollten Glas-Kappen-Isolatoren vor dem Einbau einige Wochen lang lagern. Die Anwendung eines 2-fachen Temperprozesses beim Isolatorenhersteller kann diese gelegentlichen Selbstbrüche weitgehend verhindern.
Gegenüber einem Kappen-Isolator mit Porzellan-Isolierkörper hat der Glas-Kappen-Isolator folgende Vorteile [329]:
1.) Leicht formbarer Isolierkörper (Preßtechnik).
2.) Wesentlich höhere Bruchkraft. Diese wird hauptsächlich nur noch von der Festigkeit der Metallarmaturen bestimmt.
3.) Nur noch geringe Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Glas und Metall (siehe Tabelle 1) [332].
4.) Elektrische Durchschläge und mechanische Beschädigungen (Vandalismus) führen zum Schirmabwurf. Die verbleibenden Reste (stubs) des Glas-Isolierkörpers zwischen Isolatorenkappe und Isolatorenklöppel bestehen aus verkeilten Glasstücken (Bild 345) [333].
Bild 345: Rest des Glas-Isolierkörpers nach Schirmabwurf
Die mechanische Festigkeit des Isolators bleibt dabei weitgehend erhalten. Sie beträgt mindestens 90 % der eines "gesunden" Glas-Kappen-Isolators. Defekte Isolatoren mit abgeworfenen Schirmen sind vom Boden oder vom Hubschrauber aus sofort erkennbar. Spezielle Meßgeräte zur Ermittlung defekter Isolatoren sind nicht erforderlich [330]. Solche Isolatoren in Isolatorketten müssen nicht sofort ausgewechselt werden. Sie können noch längere Zeit, bis zu einer möglichen Leitungsabschaltung oder durch eine vorbereitete Auswechslung unter Spannung in Betrieb bleiben.
Tabelle 1: Wärmeausdehnungskoeffizienten der Bauteile eines Glas-Kappen-Isolators
5.) Geringere Masse.
6.) Sie sind in der Anschaffung, bei der Inspektion und Wartung kostengünstiger als Keramik-Kappen-Isolatoren. Beispielsweise werden für die Inspektion der Kappen-Isolatoren einer Hochspannungs-Freileitung
16,4 Dollar/km bei Glas-Kappen-Isolatoren und
260 Dollar/km bei Porzellan-Kappen-Isolatoren
benötigt.
1965 betrug die Jahresproduktion von Glas-Kappen-Isolatoren bei SEDIVER bereits 5 Millionen Stück. Neubauleitungen in Frankreich wurden in dieser Zeit zu über 90 % mit diesen Isolatoren ausgerüstet. 1990 lieferte SEDIVER in über 100 Länder ca. 320 Millionen Stück Glas-Isolatoren. Der Siegeszug des Glas-Kappen-Isolators hatte begonnen [328].
Heute werden folgende Typen für Hochspannungs-Freileitungen mit unterschiedlichen Schirmformen und Schirmdurchmessem von 175 mm bis 420 mm angeboten [335], [336], [337]:
1.) Standard-Ausführung (Standard profile, Standard leagage distance): Für normale und mäßige Fremdschichtbelastung. Flache und gut geformte Unterrippen ergeben eine für diese Bedingungen ausreichend große Kriechweglänge (Bild 346).
Bild 346: Glas-Kappen-Isolator in Standard-Ausführung
Form und Abmessungen dieser Ausführung entsprechen den Normen
- IEC 305:1995 und damit
- EN 60305:1996 und DIN EN 60305:1996 class="calibre5">[313],
- ANSI C 29.2-1992 (RI999) [281] und
- BS 137, Part 2-1973.
2 .) Nebel-Ausführung, SEDIVER-Profll "P" (fog-type profile, antipollution profile, long leakage distance): Mit großem Kriechweg und guten Selbstreinigungseigenschaften, bei gleicher Länge des Isolators, wie die der Standard-Ausführung (Bild 347).
Bild 347: Nebel-Glas-Kappen-Ausführung
Dieser Isolator wird in 2 Ausführungsformen hergestellt (sharpe A und sharpe B) und entspricht der Norm IEC 305:1995 [338].
3 .) Ausführung mit offenem Schirmprofil, SEDIVER-Profil "D" (open profile): Für Gegenden mit wenig Regen (Freileitungen durch wüstenähnliche Gebiete). Die aerodynamische Form (ohne Unterrippen) verhindert weitgehend die Ablagerung von Schmutz und Salz (Bild 348).Bild 348: Glas-Kappen-Isolator mit offenem Schimprofil
4 .) Glockenform, SEDIVER-Profil "R" (spherical profile): Es ist eine sphärische Schirmform ohne Unterrippen. Deren Fehlen erschwert die Fremdschichtablagerung und erleichtert die manuelle Reinigung (Bild 349). Ihre Kriechweglänge ist gleich der der Standard-Ausführung.Bild 349: Glas-Kappen-Isolator in Glockenform
Alle diese Ausführungen entsprechen der internationalen Norm IEC 383-1:04.93 [339].
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