Isolator mit Kittverbindung und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Isolator mit mindestens einer auf einen Isolierkörper aufgekitteten Armatur. Isolatoren und insbesondere Hochspannungsisolatoren werden in großer Zahl in Freileitungen und Freiluftschaltanlagen eingesetzt. Die meisten Isolatoren bestehen aus einem Isolierkörper mit kraft- oder/und formschlüssig an den Enden des Isolierkörpers aufgesetzten Armaturen in Form von Metallkappen. Diese dienen vor allem der Kraftübertragung. Der Außendurchmesser des Isolierkörperstrunkes und bei Hohlisolatoren zusätzlich die Wandstärke des Isolierkörperstrunkes werden vor allem entsprechend der mechanischen Belastung des Isolators ausgelegt. Je nach Größe und Art der mechanischen Belastung sind die Strunkenden und Armaturen unterschiedlich gestaltet. Die Isolierkörper und die zugehörigen Armaturen sind üblicherweise im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet.

Die Strunkenden der hauptsächlich auf Zugkräfte beanspruchten Langstabisolatoren sind meistens konisch ausgebildet; um die erforderliche kraft- oder/und formschlüssige Verbindung zwischen Isolierkörper und Armatur herzustellen, wird der Spalt zwischen Isolierkörperstrunk und Armatur üblicherweise mit einer Bleilegierung ausgegossen.

Stütz- oder/und Hohlisolatoren weisen vorwiegend zylindrische Strunkenden auf. Häufig werden derartige Strunkenden an der Fassungsstelle mit rundem oder gebrochenem Splitt umhüllt, der in einer Glasurschicht versintert wird; dies verbessert ebenso wie Riffelungen, Wellungen oder rauhe Flächen im Bereich der Fassungsstelle den Kraft- oder/und Formschluß. Der Spalt zwischen Armatur und Strunkende wird üblicherweise mit abbindenden oder aushärtenden Kittmaterialien wie z.B. Zementmörtel ausgefüllt. Insbesondere bei Stütz-

oder/und Hohlisolatoren werden die zylindrischen, gesplitteten Strunkenden häufig mit einem gemagerten Portlandzement kraft- oder/und formschlüssig mit einer Armatur verbunden, die meistens aus verzinktem Gußeisen oder aus einer Aluminiumlegierung besteht.

Es ist bekannt, die Innenseiten der Armaturen mit einem bituminösen Anstrich vor dem chemischen Angriff des Portlandzementes/Mörtels zu schützen. Wasser, das sich im Spalt zwischen Armatur und Strunkende befindet, kann sowohl während des Abbindens des Portlandzementes/Mörtels, als auch beim Einsatz der Hochspannungsisolatoren in feuchtem Klima durch Reaktion mit dem Zement/Mörtel einen pH-Wert von etwa 12 bis 13 entwickeln. Darüber hinaus sind auch Ausführungsformen bekannt, bei denen anstelle des bituminösen Anstriches ein aushärtender Epoxidharzanstrich oder eine Kunstharzbeschichtung mit eingebetteten Quarzsandkörnern gewählt wird.

Die Ausführungsformen nach dem Stand der Technik weisen - wenn von einer gelegentlich auf die Armatur aufgetragenen Haftvermittlerschicht abgesehen wird, die die Haftung der nachfolgenden Beschichtung verbessern soll - nur eine einzige Schicht zwischen der Armatur und der abgebundenes Kittmaterial enthaltenden Kittschale auf. Diese einzige Schicht kann aus mehreren Lagen des gleichen Materials bestehen. Es wurde in Versuchen ermittelt, daß es mit dieser einen Schicht zwischen Armatur und Kittschale nach dem Stand der Technik nicht möglich ist, sowohl hohe Biegebruchmomente bei Umbruchversuchen, als auch eine niedrige bleibende Armaturenverschiebung nach Stückprüfungen mit Biege- oder/und Innendruckbelastung zu realisieren. Entweder wurden - wie bei den bituminösen Anstrichen - nach Stückprüfungen gemäß EN 50062 hohe bleibende Armaturenverschiebungen und in Umbruchversuchen hohe Biegebruchmomente erzielt oder die bleibenden Armaturenverschiebungen waren - wie bei Epoxidharz- bzw. besandetem Kunstharzanstrich - gering, wobei sich gleichzeitig eine erhöhte Anfälligkeit für Scheibenbrüche und niedrige Biegebruchmomente ergab. Als Scheibenbruch wird das Abschiefern des Isolierkörpers an seinen Enden im wesentlichen senkrecht zur Längsachse

bezeichnet.

Die bleibende Armaturenverschiebung ist die einen Tag nach Stückprüfungen noch vorhandene Verschiebung zwischen Armaturenunterseite und der Stirnfläche des Isolierkörperstrunkes als Folge der zuvor aufgebrachten Stückprüfbelastung nach EN 50062, DIN VDE 0674, Teil 3, November 1992, in Bezug auf die Lage vor der Stückprüfbelastung. Die Armaturenverschiebung erfolgt vorwiegend in Längsrichtung des Isolators und führt bei seitlich angreifenden Kräften auch zu einer Verkippung. Sie kann mit einer Dehnung des Armaturenumfangs verbunden sein. Die Lage der Armatur wird mittels einer Meßuhr als Abstand zwischen der geschliffenen Isolierkörperstirπfläche und einem ebenen, lagemarkierten, auf die Armaturstirnfläche aufgelegten Balken alle 90 ^* in Richtung der Isolatoriängsachse gemessen; der größte an einer Armatur ermittelte Differenzwert zwischen zugeordneten Meßwerten vor und nach Stückprüfungen wird als Wert für die bleibende Armaturenverschiebung verwendet. Je größer die bleibende Armaturenverschiebung ist und je stärker Zerrüttungen der Kittschale aufgrund von Bewegungen zwischen Splitt und Kittschale sind, desto größer ist das Risiko, daß ein auf die Isolierkörperstirnfläche aufgelegtes Dichtungssystem nicht auf Dauer gasdicht ist. Undichtigkeiten sind bei den mit SF ₆ -Gas gefüllten Apparateisolatoren unbedingt zu vermeiden. "

Der Umbruchversuch ist eine der öfter ausgeführten mechanischen Prüfungen, bei denen ein Hohlisolator bei einer Biegeprüfung entsprechend EN 50062, DIN VDE 0674, Teil 3, November 1992, in einem mehrstufigen Versuch auf maximale Belastbarkeit und damit bis zum Bruch getestet wird. Isolatoren, die keine Hohlisolatoren sind, können in ähnlicher Weise gemäß IEC 168, 1988, geprüft werden. Hierbei wird der Isolator am Fußende fest eingespannt und am entgegengesetzten Ende senkrecht zu seiner Längsachse gezogen. Unter dem Biegebruchmoment wird die hierbei maximal ertragene Beanspruchung verstanden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Isolator mit einer Kittverbindung vorzuschlagen, die sowohl ein hohes Biegebruchmoment, als auch eine geringe bleibende Armaturenverschiebung gewährleistet. Darüber hinaus bestand die Aufgabe, die Fertigung derartiger Isolatoren möglichst einfach zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem elektrischen Isolator mit mindestens einer auf einen Isolierkörper aufgekitteten Armatur gelöst, bei dem der Isolierkörper über eine Kittschale mit der Armatur verbunden ist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der Armatur zwischen der Kittschale und der Armatur ein Schichtverbund aufgetragen ist, der mindestens zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien enthält, daß mindestens eine der Schichten die Armatur vor Korrosion schützt und daß mindestens eine andere Schicht eine Bewegung zwischen Kittschale und Armatur ermöglicht.

Vorzugsweise sind zwischen der Kittschale und der Armatur zwei, drei oder vier verschiedenartige Schichten aufgetragen. Jede dieser Schichten kann aus mehreren Lagen des gleichen Materials aufgebaut sein. Eine dieser Schichten kann eine direkt auf der Armatur aufgetragene Haftvermittlerschicht sein, die die Haftung zwischen der Armatur und der zweiten auf der Armatur aufgetragenen Schicht verbessern soll.

Die Isolierkörper können u. a. aus Keramik oder Glas entsprechend IEC 672, 1980, bestehen. Die Armaturen bestehen üblicherweise aus verzinktem Gußeisen oder einer Aluminiumlegierung. Die Formen der Armaturen sind spezifisch ausgelegt. Sie können ein sägezahnartiges Profil auf der der Fassungsstelle zugewandten Seite aufweisen. Die Kittschale besteht üblicherweise aus einem abgebundenen oder ausgehärteten Kittmaterial.

Die der Armatur zugewandte Schicht des Schichtverbundes, die die Armatur von Korrosion schützt, weist eine Schichtdicke von 5 bis 1000 μm, bevorzugt von 20 bis 500, insbesondere von 80 bis 200 μm auf. Diese Schicht besteht bei Verwendung von Mörteln oder Zementen aus einer laugenbeständigen Schicht,

vorzugsweise aus gegen Laugen beständige Korrosionsschutzmaterialien wie z. B. Gießharz, Reaktions- oder Kunstharzlack, besonders bevorzugt aus Zwei¬ komponenten-Epoxidharz. Das Korrosionsschutzmaterial wird vorzugsweise aufgespritzt oder aufgestrichen.

Die gleitfähige Schicht des Schichtverbundes, die eine Bewegung zwischen Kittschale und Armatur ermöglicht und auffängt, kann eher eine untergeordnete Korrosionsschutzfunktion besitzen. Sie kann direkt auf der Korrosionsschutzschicht aufgetragen sein. Diese Schicht kann aus einem Bitumen-haltigen Anstrichmaterial, aus einem anderen gleitfähigen Anstrichmaterial oder einem Schmierstoff wie z.B. Schmiermitteln auf Basis Molybdändisulfid oder Grafit, Metallschmiermitteln, Gleitlacken, Fetten oder/und Ölen bestehen. Das Material dieser Schicht muß gegen das Kittmaterial, die Kittschale aus ausgehärtetem oder mit Wasser abgebundenem Kittmaterial und auch weitestgehend gegen das gegebenenfalls enthaltene Wasser resistent sein. Es kann auf die beschichtete Armatur aufgestrichen oder aufgespritzt werden. Die Schichtdicke dieser Schicht kann 2 bis 1000 μm, bevorzugt 5 bis 20θ7ftn, insbesondere 10 bis 80 μm betragen.

Desweiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators mit mindestens einer auf einen Isolierkörper aufgekitteten Armatur gelöst, bei dem der Isolierkörper über eine Kittschale mit der Armatur verbunden wird und das dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Kittschale zugewandte Innenseite der Armatur mindestens mit einer Korrosionsschutzschicht und einer die Bewegung zwischen Kittschale und Armatur ermöglichenden Schicht beschichtet wird.

Als Kittmaterial können vor allem Mörtel und Zemente verwendet werden. Unter den Mörteln und Zementen ist ein Vergußmörtel, der in einfacher Weise in den Spalt zwischen dem Strunkende des Isolierkörpers und der Armatur gegossen wird, besonders leicht zu verarbeiten und wegen des schnellen Abbindens günstig. Außerdem braucht ein Vergußmörtel nicht wie andere Mörtel und

Zemente eingerüttelt zu werden.

Der Verbund mit mehreren Schichten zwischen Armatur und Kittschale kann bei allen bekannten Armaturen- und Isolierkörperwerkstoffen angewandt werden, die mittels Zement, Mörtel oder ähnlichen Kittmaterialien und gegebenenfalls unter Zusatz weiterer Stoffe gekittet werden. Die erfindungsgemäßen Isolatoren, vor allem Hochspannungsisolatoren, eignen sich insbesondere als Stütz¬ oder/und Hohlisolatoren. Üblicherweise lassen sich die einzelnen Schichten beim Aufsägen der Armatur und Anritzen des Schichtenverbundes visuell gut wahrnehmen.

Es war überraschend, daß die Aufgabe nur durch die Anwendung von mindestens zwei Schichten mit unterschiedlicher Stoffzusammensetzung und mit unterschiedlichen Eigenschaften der Schichtmaterialien ermöglicht wurde, wobei die der Kittschale zugewandte Schicht notwendig ist, um eine kontrollierte Relativbewegung zwischen Kittschale und Armatur zu ermöglichen, um die hierbei auftretenden Kräfte aufzufangen und die Kittschale in der Armatur zu verspannen, damit sowohl gleichzeitig hohe Biegebruchmomente, als auch geringe bleibende Armaturenverschiebungen infolge einer kontrollierten Gleitbewegung erzielt werden.

Eine zwischen der versiπterten Splittschicht und der Kittschale aufgebrachte Schicht aus bituminösem Anstrichmaterial hat auf die bleibende Armaturenverschiebung nur einen geringen oder keinen Einfluß. Diese Schicht hat vorzugsweise eine klebende Wirkung und bezüglich der unterschiedlichen Wärmedehnung eine dämpfende Wirkung, besonders zwischen Isolierkörper und Kittschale.

im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform beispielhaft erläutert:

Figur 1 stellt einen Längsschnitt durch einen Hohlisolator im Bereich um die

Fassungsstelle dar. Der Isolierkörper 1 weist in seiner Mitte einen sich in Längsrichtung erstreckenden, zylindrischen Hohlraum 2 auf. Im Bereich der Fassungssteile 3 ist auf die Oberfläche des Isolierkörpers 1 Splitt 4 aufgebracht, der mit einer Glasur versintert sein kann und ggbfs. auch zusätzlich eine Schicht 5 aus bituminösem Anstrichmaterial aufweisen kann. Die Armatur 6 zeigt ein sägezahnartiges Profil auf der zur Fassungsstelle 3 zugewandten Seite und ist mit einem Schichtverbund 7 aus zwei Schichten 8 und 9 bedeckt. Die Korrosionsschutzschicht 8 wird von einer die Bewegung zwischen Armatur 6 und Kittschale 10 ermöglichenden und auffangenden, gleitfähigen Schicht 9 überlagert. Der Spalt zwischen Isolierkörper 1 und Armatur 6 ist vor allem mit abgebundenem oder ausgehärtetem Kittmaterial, das die Kittschale 10 bildet, ausgefüllt. In der gleitfähigen Schicht 9 findet bei und über begrenzte Zeit nach einer Belastung eine Relativbewegung zwischen Armatur und Kittschale statt: Bei Belastung annähernd in Pfeilrichtung, danach in annähernd entgegengesetzter Richtung. Die Isolierkörperstirnfläche 1 1 liegt in etwa parallel zur Armaturstirnfläche 1 2.

Figur 2 gibt den Ausschnitt II der Figur 1 vergrößert wieder.

Im folgenden werden die Beispiele 1 und 2 als Vergleichsbeispiele und die erfindungsgemäßen Beispiele 3 bis 6 näher erläutert:

Für die Prüfungen wurde ein sogenannter Erdisolator mittlerer Größe ausgewählt, der gängig ist und für einen Betrieb als Hohlisolator bei 145 kV vorgesehen ist. Die Isolierkörper der Prüflinge bestanden aus Tonerdeporzellan. Die zylindrischen Strunkenden hatten im Bereich der Fassungsstelle einen Außendurchmesser von etwa 200 mm. Hierauf wurde ein runder Splitt aufgetragen, der mit einer Glasur versintert wurde; darauf wurde ein bituminöser Anstrich aufgebracht. Die Armaturen bestanden aus der Aluminiumlegierung G- AISil OMg wa und wiesen eine inneniiegende Sägezahnprofilierung auf. Die Armaturen wurden über die ganze Innenseite mit den in der Tabelle 1 angegebenen Materialien beschichtet. Der Auftrag der Beschichtungen erfolgte

durch Aufspritzen. Andere, die Kittung beeinflussende Parameter wurden konstant gehalten.

Der Aufbau der Schichten und die Ergebnisse der Versuche werden in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Die Schichtdicken wurden jeweils achtmal über den Armaturenumfang gemessen und gelten als Näherungswerte für die leicht schwankende Schichtdicke.

Tabelle 1 : Aufbau der Schichten. Die Schichtdicken sind Mittelwerte über mehrere Versuche. Die Schichtdicke des Montagesprays wurde nicht bestimmt.

Beispiel Korrosionsschutzschicht bewegliche Schicht

VB 1 99 μm bituminöser Anstrich fehlt

VB 2 162 μm Epoxidharz fehlt

B 3 1 14 μm Epoxidharz Montagespray

B 4 140 μm Epoxidharz 28 μm bituminöser Anstrich

B 5 144 μm Epoxidharz 13 μm bituminöser Anstrich

B 6 1 37 μm Epoxidharz 58 μm bituminöser Anstrich

Einen Tag vor dem Umbruchversuch wurden folgende Stückprüfungen durchgeführt: Zuerst ein Biegeversuch auf 70 % des Nennbiegemomentes an jeweils 3 gleichartig hergestellten Prüflingen und anschließend ein Innendruckversuch mit einer Minute Haltezeit nach EN 50062 auf bis zu annähernd 70 % des Mindestberstdruckes. Bei den Biegeversuchen wurden die oberen und unteren Enden getrennt geprüft; die Krafteinleitung erfolgte am zylindrischen Porzellankörper außerhalb der Armatur. Die Prüflinge wurden beim Biegeversuch jeweils um 90 ^* versetzt über 10 s belastet. Bei der anschließenden visuellen Prüfung wurden an keinem der Prüflinge

Beschädigungen als Folge der Stückprüfungen festgestellt. Am Tag des Umbruchversuches wurde die bleibende Armaturenverschiebung, die aus dem Biegeversuch und dem Innendruckversuch herrühren, bestimmt.

Der Umbruchversuch erfolgte in der gleichen Ausrichtung des Isolators zur Prüfapparatur wie bei der vierten Belastung des Biegeversuches. Die Belastung erfolgte bis zum Bruch der Hohlisolatoren durch Biegung. Bei jedem Versuch wurden die drei Isolatoren jeweils oben und unten gebrochen. Hierbei wurden am nach außen ragenden Armaturenrand jeder Armatur 8 Dehnungsmeßstreifen senkrecht zur Isolatorlängsrichtung angebracht, um die Armaturendehnungen zu ermitteln. Die Werte der Biegebruchmomente wurden aus jeweils 6 Meßwerten gemittelt.

Tabelle 2: Ergebnisse der Versuche.

Beispiel bleibende Armatu¬ Biegebruchmoment Armaturen¬ renverschiebung mittleres minimales dehnung mm kNm kNm Atm/m

VB 1 0, 152 41 ,55 36,00 542

VB 2 0,019 34,02 20,70 292

B 3 0,052 43,05 30,00 513

B 4 0,007 37,60 29,30 488

B 5 0,032 48,40 43,70 n. b.

B 6 0,015 46,70 43,50 n. b.

Wie die in Tabelle 1 wiedergegebenen Versuchsergebnisse zeigen, wurden bei den erfindungsgemäßen Beispielen gegenüber den Vergleichsbeispielen ausreichend hohe Biegebruchmomente und geringe bleibende

Armaturenverschiebungen erzielt. Gegenüber der Variante mit Epoxidharzanstrich (VB 2) konnte der Meßwert des jeweils kleinsten Biegebruchmomentes um etwa 50 % gesteigert werden. Die bleibende Armaturenverschiebung liegt im Bereich der als sehr niedrig einzustufenden Armaturenverschiebung der Variante mit Epoxidharzanstrich (VB 2).

Die Meßwerte zur Armaturendehnung, die bei den Umbruchversuchen gemäß EN 50062 bei einem Nennbiegemoment von 20 kNm gemessen wurden, bestätigen, wie es analog von Schrumpfverbindungen bekannt ist, daß hohe Radiaispannungen hohe Biegebruchmomente gewähren. Die gemessenen hohen Dehnungswerte beruhen auf einer Relativbewegung zwischen Kittschale und Armatur, bei der die Armatur im wesentlichen in Isolatorlängsrichtung aus der Kittschale weg vom Isolierkörper gezogen wird; hierbei wird die Armatur bei sägezahnartigem Profil der Armatur und der Kittschale im Durchmesser gedehnt. Die bewegliche Schicht ist ausschlaggebend für die hohe Armaturendehnung bei Belastung des Kittverbundes. Daraus resultiert eine hohe, auf die Kittschale wirkende Radiaispannung mit der Folge von hohen Umbruchwerten. Weiterhin wird bei Entlastung der Kittschale am Ende jeder mechanischen Prüfung ein kontrolliertes Zurückgleiten der Armatur und somit eine niedrige bleibende Armaturenverschiebung erreicht.