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Die Erfindung betrifft einen feldgesteuerten Verbundisolator gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Wie aus der
DE 10 2008 009 333 A1 bekannt, sind Verbundisolatoren aus einem Stab oder Rohr, die als Isolatorkern aus faserverstärktem Kunststoff bestehen, und einer Schirmhülle aus Silikon aufgebaut. Durch das sehr hohe elektrische und das inhomogen verteilte Feld einer Gleichspannung, werden die Werkstoffe der Verbundisolatoren, insbesondere die Oberflächen sehr stark belastet. Eine der Ursachen dafür liegt in der konstruktiven Ausgestaltung der Verbundisolatoren. Insbesondere im Bereich der Armaturen verändert sich die Feldstärke wegen des Übergangs von den isolierenden Werkstoffen der Schirme und des Isolatorkerns zu einem metallischen Werkstoff, wegen des Übergangs zum Erdpotential an der Masttraverse beziehungsweise zum Leiterpotential, dort, wo die Leiterseile befestigt sind. Um die dadurch bedingten örtlichen Feldstörungen, insbesondere Feldstärkenüberhöhungen, zu verhindern, kann die sogenannte geometrische Feldsteuerung eingesetzt werden. Durch Abrundungen von Ecken und Kanten wird die Geometrie der Werkstücke, insbesondere die der Spannung führenden Teile, entschärft.
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Eine weitere Ursache sind die Schmutzablagerungen, eine Belastung, die einen Verbundisolator insgesamt betrifft. Auf Verbundisolatoren, die als Außeninstallationen der Witterung ausgesetzt sind, lagern sich mit der Zeit dünne Schmutzschichten ab. Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit dieser Schichten können auf den Isolatoroberflächen Ladungsstöme fließen. Werden diese Schichten feucht, beispielsweise durch Regen oder Tau, wird die Leitfähigkeit noch weiter erhöht, was zu erhöhten Stromstärken der Leck- und Entladeströme und zu ohmschen Verlusten führt. Das bewirkt eine Erwärmung der Schmutzschichten mit der Folge ihrer Abtrocknung. Diese werden lokal hochohmig, so dass hohe Spannungsabfälle auftreten können. Wird dadurch bedingt die elektrische Duchschlagsfestigkeit der Umgebungsluft überschritten, treten Glimmentladungen oder elektrische Überschlagsentladungen auf, die die Ursache für eine Alterung und schließlich Zerstörung des Werkstoffs der Isolatoroberfläche sind.
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Als Maßnahme zur Homogenisierung des elektrischen Feldes und zur Vermeidung örtlicher Feldstörung, werden örtliche Überzüge oder Beschichtungen aus Isolierwerkstoffen, beispielsweise Kunststoffen wie Epoxidharze oder Polymere, mit Einlagerungen aus dielektrischen und/oder ferroelektrischen Stoffen als Feldsteuerschichten aufgebracht.
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Auch aus der
DE 10 2008 009 333 A1 ist bekannt, dass zwischen dem Isolierkern und der Schirmhülle eine Feldsteuerschicht zur Homogenisierung des elektrischen Feldes aufgebracht werden kann. Diese besteht aus dem gleichen Material wie die Schirmhülle, ist jedoch mit einem Füllstoff z. B. Metalloxid versetzt. Das Aufbringen der Feldsteuerschicht auf den Kern erfolgt mit Hilfe eines Extruders.
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Der Stand der Technik weist im Wesentlichen zwei große Nachteile auf, nämlich das Verfahren zum Aufbringen der Feldsteuerschicht sowie die Steuerung der Eigenschaften dieser. Zum Extrudieren der Feldsteuerschicht auf den Kern, muss das verwendete Material als Füllstoff in ein schmelzbares Grundmaterial eingebracht werden. Es ist somit nicht möglich, nur das feldsteuernde Material unmittelbar auf den Kern aufzubringen. Das Extrudieren an sich geschieht stets vollflächig, d. h. die Feldsteuerschicht umschließt den gesamten Kern. Um die Eigenschaften der Feldsteuerschicht gezielt regulieren zu können, müssen das Mischverhältnis von Füllstoff und dem feldsteuernden Material oder die aufgebrachte Schichtdicke verändert werden. Beim Vermischen des feldsteuernden Grundmaterials mit dem Füllstoff muss stets sichergestellt werden, dass das Gemisch homogen ist. Dies ist aufwendig und kostenintensiv.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Verbundisolator mit einer Feldsteuerschicht bereitzustellen, bei dem die Eigenschaften der Feldsteuerschicht einfach und präzise während der Herstellung gesteuert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Verbundisolator mit einer Feldsteuerschicht gelöst, bei dem die Feldsteuerschicht mit Hilfe von Plasmabeschichtung aufgebracht ist und dabei die Eigenschaften der Feldsteuerschicht durch deren Material und geometrische Struktur verändert werden können.
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In 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekannter Verbundisolator (1) mit einem Kern (2), einer auf den Kern (3) vollflächig extrudierten Feldsteuerschicht (3) und einer Schirmhülle (4) dargestellt. Das feldsteuernde Material der Feldsteuerschicht (3) ist als Füllstoff in einem Grundmaterial eingebettet. Der Kern (2) kann als ein massives Element oder als ein Rohr aus z. B. GFK ausgebildet sein.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Verbundisolator (1) abgebildet, der aus einem als Rohr ausgebildeten Kern (2), einer Feldsteuerschicht (3) und einer Schirmhülle (4) besteht. Der Verbundisolator (1) ist im Teilschnitt dargestellt, d. h. nur die Schirmhülle (4) ist aufgeschnitten um den Kern (2) und die Feldsteuerschicht (3) im Ganzen darzustellen.
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Die Eigenschaften einer Feldsteuerschicht (
3) können über das Grundmaterial oder dessen geometrische Struktur gezielt gesteuert werden. Die unterschiedlichen Arten der Plasmabeschichtungsverfahren erlauben es, dass ein resistives Material oder eine Mischung aus resistiven Materialien unmittelbar auf den Kern (
2) eines Verbundisolators (
1) aufgebracht werden. Diese Grundmaterialien sind auf-, neben-, über- oder hintereinander aufbringbar. Eine Möglichkeit der Plasmaerzeugung für den Beschichtungsvorgang, ist die mittels einer Lichtbogenentladung, bekannt aus der
DE 10200901510 A1 . Dabei wird ein Arbeitsgas zwischen zwei beabstandete, mit einer Spannungsquelle verbundene, Elektroden gebracht. Die Spannungsquelle erzeugt einen Spannungspuls mit einer Zündspannung für die Lichtbogenentladung. Durch eine definierte Pulsfrequenz verlöscht der Lichtbogen zwischen zwei aufeinander folgenden Spannungsimpulsen, was eine relativ niedrige Plasmatemperatur zur Folge hat.
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Eine weitere Möglichkeit der Plasmaerzeugung ist die mittels eines Piezoelementes, bekannt aus der
DE 10 2008 018 827 A1 . Dabei wird über Kontaktelektroden eine hochfrequente Niederspannungsquelle an die Primärseite des Piezoelementes angeschlossen. Durch die angelegte Niederspannung im Primärbereich des Piezoelementes, wird in dessen Sekundärbereich eine Hochspannung erzeugt; in der Folge bilden sich Flächenentladungen auf der Oberfläche des Sekundärbereiches. Zwischen dem Sekundärbereich und der diesen umgebenden Gegenelektrode, die auf Erdpotential liegt, entstehen Bogenentladungen, die schlussendlich das Plasma erzeugen.
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Aus der
DE 10200612100 B3 ist eine weitere Möglichkeit der Plasmaerzeugung bekannt, die das Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung nutzt. Hierfür wird ein Entladungsrohr, durch das Prozessgas strömt, mit einer ersten zentrisch im Inneren angeordneten Elektrode verwendet. Außen am Entladungsrohr ist eine, durch eine Abschlusskappe beabstandete, zweite Elektrode angebracht. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden und dem durchströmenden Prozessgas kommt es im Inneren des Rohres zu Entladungen und damit zu einem Plasma-Jet.
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Die unterschiedlichen Arten der Plasmaerzeugung in Verbindung mit besonderen Verfahrensschritten ermöglichen es, eine gezielte und besonders exakte Plasmaschicht zu erzeugen. So ist aus der
DE 10 2007 043 291 A1 bekannt, dass ein Plasma-Jet genutzt werden kann um ein Trägergas in einem räumlich getrennten Reaktionsraum zu durchmischen und das Trägergas dabei zu aktivieren oder einen Partikelstrahl zu erzeugen. Diese Schritte erlauben es, dass das aktivierte Trägergas oder den Partikelstrahl unabhängig von der Strömung des Plasma-Jets auf eine Oberfläche aufzubringen. Durch das Vermeiden des direkten Kontaktes von Plasma-Jet und Oberfläche werden negative Effekte, wie z. B. Einbringen von reaktiven Sauerstoffgruppen in die Oberfläche oder Änderung der Oberflächenspannung, vermieden.
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Da bei den vorher aufgezählten Plasmabeschichtungsverfahren das reine Grundmaterial aufgebracht wird, ist es möglich die Feldsteuerschicht beliebig dick zu gestalten. Weiterhin ist es auch möglich ein Materialgemisch aufzubringen, wenn besondere Eigenschaften benötigt werden. Die Beschichtung mittels Plasma erlaubt es auch, in bestimmten Abschnitten eines Verbundisolators (
1), z. B. am oberen oder unteren Ende, mehr Material, also eine dickere Feldsteuerschicht (
3), aufzubringen. Aus der
DE 10 2008 011 249 A1 ist auch bekannt, dass das Beschichten auch über eine Maskierung der Oberfläche erfolgen kann. Dabei wird ein Negativmuster aus leicht von der Oberfläche lösbarem Substrat aufgebracht, welches nach der Plasmabeschichtung abgetragen wird. Damit kann eine noch genauere Feldsteuerschicht (
3) hergestellt werden.
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In 3 ist ein Diagramm abgebildet, welches drei gezielte resistive Verläufe (5, 6, 7) unterschiedlicher Feldsteuerschichten (3) über die Länge eines Verbundisolators darstellt. Der erste Verlauf (5) der Feldsteuerschicht (3) ist linear, d. h. die geometrische Struktur und somit der Widerstand sind über die gesamte Länge des Verbundisolators homogen. Der zweite Verlauf (6) der Feldsteuerschicht (3) steigt hingegen exponentiell, d. h. die geometrische Struktur wird durch Form oder Dicke verändert. Der dritte Verlauf (7) ist in zwei Abschnitte eingeteilt. Im ersten Abschnitt sind Form und Dicke noch konstant, ändern sich jedoch im zweiten Abschnitt. Die Verläufe (5, 6, 7) im Diagramm der 3 sind nur Beispiele für mögliche Gestaltungen der Feldsteuerschichten (3); diese können beliebig verändert werden.
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In 2 ist eine mögliche geometrische Struktur der Feldsteuerschicht (3) dargestellt, nämlich als regelmäßiges Streifenmuster. Das Aufbringen dieses Musters ist durch das verwendete Plasmaverfahren sehr einfach durchführbar. Die Breite, die Dicke, die Anzahl und der Abstand zwischen den Streifen kann je nach Bedarf beliebig einfach reguliert werden. Durch regelmäßig oder unregelmäßig verteilte Streifen ist es möglich, die Feldsteuerschicht (3) gezielt auf bestimmten Abschnitten des Kerns (2) aufzubringen und auf nicht notwendigen Abschnitten wegzulassen.
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In 4 ist die Feldsteuerschicht (3) ebenfalls als Streifenmuster aufgebracht. Bei dieser nimmt die Schichtdicke jedoch über die Länge des Verbundisolators (1) ab.
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In 5 ist die Feldsteuerschicht (3) wieder als Streifenmuster aufgebracht, weist jedoch Abschnitte auf, die unterschiedliche Dicken aufweisen.
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In 6 ist die Feldsteuerschicht (3) als diagonales Streifenmuster aufgebracht.
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In 7 ist die Feldsteuerschicht (3) ebenfalls als Streifenmuster aufgebracht. Über die Länge des Verbundisolators (1) nimmt die Breite der Feldsteuerschicht (3) ab.
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In 8 ist die Feldsteuerschicht (3) als gleichmäßige Helix auf dem Kern (2) aufgebracht, d. h. auf der Vorderseite und der Rückseite des Kernes (2). Das Aufbringen kann hier als kontinuierlicher Prozess umgesetzt werden, in dem der Kern (3) gedreht und gleichzeitig in eine Richtung verschoben wird. Auch hier kann die Dicke durch Verlangsamen oder Beschleunigen der Rotation oder des Vorschubs gezielt gesteuert werden. Die gestrichelte Linie soll die auf der Rückseite des Kernes (2) angeordnete Feldsteuerschicht (3) andeuten.
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In 9 ist die Feldsteuerschicht (3) als ungleichmäßige Helix auf dem Kern (2) aufgebracht. Auch hier kann das Aufbringen mittels Plasmabeschichtung als kontinuierlicher Prozess umgesetzt werden, in dem der Kern (2) gedreht und gleichzeitig in eine Richtung verschoben wird. Wieder besteht die Möglichkeit die Dicke und Breite durch Verlangsamen oder Beschleunigen der Rotation oder des Vorschubs gezielt zu steuern, wie in 10 zu sehen ist. Die gestrichelte Linie soll die auf der Rückseite des Kernes (2) angeordnete Feldsteuerschicht (3) andeuten.
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Die Herstellung von Verbundisolatoren mit einer Feldsteuerschicht (3), die mit Hilfe von unterschiedlichen Plasmabeschichtungsverfahren aufgebracht wurde, bringt viele Vorteile mit sich. Diese Verfahren sind im Allgemeinen viel sauberer als das Extrudieren. Da das feldsteuernde Material unmittelbar aufgetragen wird, ist es nicht nötig dieses in ein Grundmaterial zu mischen, dieses aufzuschmelzen und danach auf den Kern aufzutragen. Die Regulierung der Dicke oder Breite der Feldsteuerschicht ist ebenfalls viel einfacher, da es nicht mehr nötig, ist für jede Schichtdicke eine gesonderte Form für einen Extruder herzustellen. Bei der Plasmabeschichtung muss der Plasmaerzeuger einfach länger an der gewünschten Position gehalten werden, um eine dickere Schicht zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil der durch Plasmabeschichtung erzeugten Feldsteuerschicht, ist die Möglichkeit der Gestaltung der geometrischen Struktur. Auf einfachste Weise lassen sich Streifen in unterschiedlichsten Formen in unterschiedlichsten Abschnitten des Kerns anbringen. Durch Plasmabeschichtung an sich und die gestalterischen Freiräume dieser Verfahren besteht die Möglichkeit, unterschiedliche, resistive, kapazitive oder gemischte Verläufe der Feldsteuerschichten zu gestalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008009333 A1 [0002, 0005]
- DE 10200901510 A1 [0011]
- DE 102008018827 A1 [0012]
- DE 10200612100 B3 [0013]
- DE 102007043291 A1 [0014]
- DE 102008011249 A1 [0015]
