DE4411861A1 - Verbundisolator - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Verbundisolator der aufgebaut ist aus einem etwa stabförmigen, eine isolierende Außenschicht aufweisenden Isolatorkörper und einer Metall­ armatur an wenigstens einem Ende des Isolatorkörpers. Dabei ist ein Ende der Metallarmatur mit einem Spannungsleiter verbindbar und wird leiterseitiges Ende genannt. An dieses Ende schließt sich ein weiterer Armaturabschnitt an, wel­ cher ein Ende des Isolatorkörpers becherartig einfaßt und mit diesem fest verbunden ist. Dieser Armaturabschnitt geht in einen dem leiterseitigen Armaturende gegenüberliegenden Armaturendabschnitt über, welcher End- und Randbereich der Armatur genannt wird, den Isolatorkörper mit Abstand umgibt und isolatorseitiger End- oder Randabschnitt der Armatur genannt wird. Den durch diesen Abstand geschaffenen Raum zwischen dem Isolatorkörper und dem isolatorseitigen Arma­ turrandabschnitt, die sogenannte Verbundnut, füllt eine isolierende Dichtung aus. Mit dieser Dichtung, einschließ­ lich deren Anordnung, befaßt sich die Erfindung in besonde­ rem Maße.

Verbundisolatoren haben in jüngerer Zeit eine zunehmende Bedeutung in der Isoliertechnik von Hochspannungsfreilei­ tungen erfahren (siehe auch Bulletin SEV/VSE 81 (1990) 19, Seiten 11-18). Gegenüber den konventionellen Porzellan- oder Glasisolatoren, zeichnen sie sich durch niedriges Gewicht, geringe mechanische Schockempfindlichkeit, sowie hohe Lebenserwartung aus. Zudem ermöglichen sie variable, insbesondere lange Kriechwege bei vergleichsweise kurzen Baulängen und weisen eine verbesserte Umweltverträglichkeit auf.

Bekannte Verbundisolatoren sind aufgebaut aus:

• - einem mechanisch hoch festen Stab zur Aufnahme der Zug­ kräfte;
• - einer den Stab umgebenden, zur Kriechwegverlängerung abschnittsweise schirmförmig ausgebildeten Kunststoff­ hülle, welche die atmosphärischen Isolieraufgaben übernimmt - der aus Stab und Kunststoffhülle beste­ hende Körper wird hier Isolierkörper genannt;
• - je einer Metallarmatur an jedem Ende des Stabes oder Isolierkörpers zur Krafteinleitung; und die Verbundbereiche zwischen den beiden Metallarmatu­ ren und dem Zugstab oder Isolatorkörper abdeckende Dichtungen.

Bei diesen bekannten Verbundisolatoren besteht die (den Zugstab umgebende) Kunststoffhülle zumeist aus Silikongum­ mi. Die Kautschuk-Komponente dieses Materials hat nämlich auch bei Spannungsbeanspruchungen sehr gute Isoliereigen­ schaften, während die hydrophobe (niedermolekulare) Sili­ konkomponente zu einer sehr geringen Ableitstromaktivität führt (siehe auch Elektrizitätswirtschaft, Jg. 92 (1993), Heft 25, Seiten 1632-1637). Nachteilig ist jedoch eine nicht-lineare Potentialverteilung längs des Isolatorkör­ pers. Die Folge sind örtlich erhöhte Potentialgradienten mit entsprechend hohen Feldstärkebereichen, welche zu Teil- oder Corona-Entladungen, gegebenenfalls zu Überschlägen führen können; dies speziell im Verbundbereich Stab/Arma­ tur.

Die isolierende Abdichtung des Verbundbereiches soll ein Eindringen von Feuchtigkeit und/oder Schmutz verhindern. Ein Eindringen von Feuchtigkeit und/oder Schmutz könnte nämlich die elektrischen und mechanischen Eigenschaften des Verbundisolators beeinträchtigen, beispielsweise dessen Beständigkeit gegenüber Ozon reduzieren, Entladungen begün­ stigen und zu chemischen Zersetzungen führen. Innere elek­ trische Entladungen führen zu chemisch aggressiven Spalt­ produkten (z. B. Oxalsäuren), welche den Isolatorkörper an­ greifen bzw. schwächen, so daß bei mechanischer Kraftein­ wirkung auf den Isolatorstab Bruchgefahr besteht.

Bekannte Abdichtungsarten des Verbundbereiches (vgl. Fig. 4) haben den Nachteil, daß sich auf ihnen Schmutzpartikel aus der Umgebungsluft ablagern und von der natürlichen Bewitterung nicht mehr abgewaschen werden können. Sind diese Schmutzpartikel leitend, dann wirken sie wie vorge­ schobene wilde Elektroden, welche zu örtlichen Feldstär­ keerhöhungen im Dichtungsbereich führen können. Als Folge kann es dort zu Entladungen kommen, welche, je nach Bauart des Verbundisolators, die vorstehend angesprochenen Beschä­ digungen im Dichtungsbereich hervorrufen, insbesondere die Bildung von Oxalsäure.

Einen Ausschnitt aus einem derartigen Verbundisolator zeigt die beigefügte Fig. 4. Dieser Verbundisolator besteht aus einer Metallarmatur 2, einem von der Metallarmatur 2 be­ cherförmig gehaltenen und mit dieser fest verbundenen Iso­ latorköper 4 und nicht dargestellten Wetterschirmen. Der Isolatorkörper 4 besteht aus einem Zugstab 8 und einer den Zugstab 8 umgebenden isolierenden Außenschicht 10. Der obere ringförmige Rand 12 des Armaturendabschnittes 16 ist - zur feldstärkemäßigen Entlastung des Randbereiches - wulstartig ausgebildet. Die Verbundnut zwischen dem Isola­ torkörper 4 und dem isolatorseitigen Armaturendabschnitt 16 wird von einer Silgel-Dichtung 20 verschlossen. Der dieser Dichtung 20 zugewandte obere Wulstrand 42 hat einen Radius R, der an sich groß genug für eine feldstärkemäßige Entla­ stung des Dichtungsbereiches ist. Beim Zusammenbau des Ver­ bundisolators wird auf jedes Ende des Isolatorkörpers 4 eine Metallarmatur 2 aufgeschoben und mit diesem fest ver­ bunden. Sodann wird die Verbundnut zwischen Armatur 2 und Isolatorkörper 4 mit gut dichtendem Silgel flach ausgegos­ sen.

Der sozusagen baukastenartige Aufbau dieses Verbundisola­ tors, insbesondere die Möglichkeit, die Dichtung 20 nach­ träglich einzugießen, erlauben es, die aus Metallarmatur 2, Isolatorkörper 4 und Wetterschirmen aufgebaute Einheit erst vor Ort, etwa in vom Herstellerwerk entfernten Niederlas­ sungen oder sonstigen Montageorten, so zu dimensionieren, daß sie den jeweiligen Kundenwünschen entspricht und erst anschließend die Dichtung 20 in den Verbundbereich einzu­ bringen.

Die nachträglich eingießbare Silgel-Dichtung 20 hat jedoch den Nachteil, daß sie während ihrer Vernetzung schwindet und somit eine den Isolatorkörper 4 umlaufende, konkave Schmutzsammelnut erzeugt. Diese Nut sammelt den Schmutz besonders wirksam, da Silgel eine hervorragende Haftwirkung hat. Die Schmutzpartikel können also durch natürliche Be­ witterung nicht weggewaschen werden und erzeugen geometri­ sche Spitzen und Kanten, insbesondere eine scharfe Kante Y am isolatorseitigen Rand der Sammelnut.

Außerdem treffen bei der Dimensionierung des Radius R des oberen Wulstrandes 42 und folglich auch des Abstandes t zwischen dem Isolatorkörper 4 und dem Scheitelpunkt des Armaturrandes 12 gegenläufige physikalische Problemstellun­ gen aufeinander:

• - Wird der Radius R groß gewählt, sinkt die elektrische Feldbelastung im Dichtungsbereich; dafür werden aber der Abstand t und somit die Angriffsfläche für Schmutzpartikel (Schmutzsammelnut) größer.
• - Wird hingegen der Radius R klein gewählt, nimmt zwar der Abstand t ab; dafür steigt aber die elektrische Feldbelastung im Dichtungsbereich.

Um elektrische Feldbelastung in Grenzen zu halten, dürfen also der Radius R und somit der Abstand t nicht allzu klein gewählt werden.

Die aus dem Abstand t resultierende relativ breite Silgel- Ringfläche F bildet jedoch, wie bereits ausgeführt, eine hervorragende Ablagerungsfläche für Schmutzpartikel. Sind diese leitend, bilden sie vorgeschobene "wilde" Elektroden und insbesondere die scharfe Kantenelektrode Y. Hierdurch entstehen örtliche Feldspitzen, welche den Einfluß des oberen Wulstrandradius R auf das elektrische Feld übersteu­ ern, zu damit einhergehenden Feldstärkebelastungen im Dich­ tungsbereich führen und im Ergebnis den oben beschriebenen Zerstörungsprozeß einleiten.

Als weiter entscheidender Nachteil kommt noch die extrem schlechte mechanische Stabilität der Silgel-Dichtung hinzu, mit der Folge, daß sie keineswegs handlingsicher und bau­ stellentauglich ist, sondern im Gegenteil extrem leicht beschädigt, wenn nicht gar zerstört werden kann; unter anderem auch von mehreren Vogelarten, welche bekanntlich daran picken.

Kurz gefaßt haben derartige Dichtungssysteme präzise in der mechanisch, elektrisch und chemisch am höchsten belasteten Krafteinleitungszone eine absolute Schwachstelle.

Bei einem anderen bekannten Verbundisolator (siehe Fig. 5) treten vorstehende Probleme nicht auf. Dieser Verbund­ isolator ist aus einer becherförmigen Metallarmatur 2, einem darin gehaltenen Zugstab 8 und einer isolierenden Außenschicht 10 aufgebaut, welche den Zugstab 8 und das isolatorseitige Armaturende einstückig ummantelt. Die Au­ ßenschicht 10 dichtet auch den Raum zwischen dem Zugstab 8 und dem als Wulst ausgestalteten Armaturrand 12 ab. Sie besteht aus einem Silikonkunststoff und wird nach dem Zu­ sammenfügen von Metallarmatur 2 und Zugstab 8 auf die Arma­ tur-Zugstab-Einheit durch ein aufwendiges Verfahren aufge­ bracht, beispielsweise per Spritzgießen. Die glatte, hydro­ phobe Oberfläche der Silikonkunststoff-Außenschicht 10, deren kontinuierlicher Übergang vom Zugstab 8 zur Metall­ armatur 2 und deren dort streng monoton nach außen abfal­ lende freie Oberfläche stellen sicher, daß der Verbundbe­ reich keine Sammelflächen bzw. -stellen für Schmutzpartikel hat und gleichwohl etwa dort befindliche Schmutzpartikel (von der natürlichen Bewitterung) weggeschwemmt werden. Die oben erläuterte Schmutzpartikel-Problematik ergibt sich bei dieser Ausgestaltung des Verbundisolators also nicht. Al­ lerdings ist die Herstellung derartiger Verbundisolatoren sehr kompliziert und aufwendig, da für unterschiedliche Größen und Längen jeder Einheit aus Armatur 2, Zugstab 8 und Außenschicht 10, einschließlich Schirmen und Verbund­ dichtung eigene Spritzgußformen angefertigt und gelagert werden müssen. Zudem muß bereits im Herstellerwerk die genaue Anzahl der benötigten Verbundisolatoren mit der jeweils gewünschten Dimensionierung hergestellt werden, da ein Zusammenfügen der einzelnen Verbundisolator-Bauteile und Aufspritzen der isolierenden Außenschicht 10 vor Ort nicht möglich ist. Sollte es zu Überschlägen kommen, müßten diese sich ihren Weg durch die isolierende Außenschicht 10 zur Metallarmatur 2 "brennen".

Bei einem weiteren bekannten Verbundisolator (siehe bei­ gefügte Fig. 6) sind die Außenschicht 10, die Wetterschirme 22 und die Verbunddichtung 20 zwar ebenfalls als einstücki­ ges Bauteil auf die Zugstab-Metallarmatur-Einheit aufge­ spritzt, jedoch wird dessen (ebenfalls als Wulst ausgebil­ deter) Metallarmatur-Rand 12 nur teilweise, d. h. innerhalb einer Ringzone um den Zugstab 8, von der (im Verbundbereich ebenfalls streng monoton nach außen abfallenden) Außen­ schicht 10 überfangen. Dadurch wird wiederum sicherge­ stellt, daß Schmutzpartikel infolge der natürlichen Bewit­ terung leicht weggewaschen werden. Zusätzlich wird aber noch ein definierter Auftreff-Bereich 34 für etwaige Über­ schläge geschaffen. Die anhand der Fig. 5 erläuterten her­ stellungstechnischen Nachteile treten natürlich auch bei dem in Fig. 6 dargestellten Verbundisolator auf.

Von diesem Stand der Technik ausgehend zielt die Erfindung darauf ab, einen weiteren Verbundisolator mit stabilisier­ tem Verbundbereich zwischen Metallarmatur und Isolatorkör­ per zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel mit dem Gegenstand des Anspruches 1, also mit einen Verbundisolator der baukasten­ förmig zusammengesetzt ist aus: einem etwa stabförmigen Isolatorkörper mit einer isolierenden Außenschicht, einer mit einem Ende des Isolatorkörpers fest verbundenen Metall­ armatur, welche das Isolatorkörperende becherartig einfaßt, dabei jedoch in ihrem Randabschnitt einen Abstand vom Iso­ latorkörper hat, und einer isolierenden Dichtung, welche den den Isolatorkörper umgebenden Raum im Randabschnitt der Metallarmatur ausfüllt, mit ihrer der Atmosphäre zugekehr­ ten freien Oberfläche vom Isolatorkörper bis zum Rand der Metallarmatur ständig abfällt, zumindest vom radial äußeren Teil dieses Randes umgeben ist und im wesentlichen aus einem Material aufgebaut ist, das zumindest hinsichtlich seiner Festigkeit dem der Außenschicht des Isolatorkörpers entspricht.

Diese Anordnung hat u. a. folgende Vorteile: Die Dichtung zeichnet sich durch eine ebenso hohe Festigkeit und Stabi­ lität aus wie die isolierende Außenschicht des Isolatorkör­ pers. Weiterhin sind sämtliche der Atmosphäre, d. h. dem Außenraum, zugewandten Stellen der Dichtung gut von Regen erreichbar. Dabei erleichtert die abfallende Form der Dich­ tung ein Wegschwemmen von Schmutzpartikeln in besonderem Maße. Zudem schafft der die Dichtung umgebende freie Rand der Metallarmatur eine definierte bzw. errechenbare Aus­ gangs- oder Auftreff-Fläche für Corona-Entladungen und Überschläge, so daß die Dichtung hiervon maßgeblich entla­ stet wird. Darüber hinaus läßt sich der erfindungsgemäße Verbundisolator einfach herstellen, nämlich durch "bauka­ stenartiges" Zusammenfügen seiner Einzelteile, insbesondere vor Ort, etwa in vom Herstellerwerk entfernten Niederlas­ sungen oder sonstigen Endmontageorten. Die Einzelteile selbst sind mit bekannten Produktionsmitteln ebenfalls einfach herstellbar. Zudem ist der Verbundisolator aufgrund der Festigkeit und der gewählten Ausgestaltungsform seiner Dichtung auch äußerlich gleichmäßig robust und baustellen­ tauglich sowie gegen Vogelfraß geschützt.

Insgesamt ist die mechanisch wertlose Silgeldichtung in der Krafteinleitungszone nicht mehr präsent und zeichnet sich der erfindungsgemäße Verbundisolator durch folgende Vor­ teile aus: Er hat einen baukastenartigen Aufbau, ist also einfach und wirtschaftlich herstellbar und vor seinem end­ gültigen Zusammenbau flexibel an unterschiedliche örtliche Notwendigkeiten oder Kundenwünsche anpaßbar. Gleichzeitig ist er im Verbundbereich qualitativ hochwertig abgedichtet und elektrisch entlastet. Seine Dichtung hat also eine hohe Lebensdauer und gewährleistet eine hohe Dichtigkeit des isolatorseitigen Armaturendes.

Auf die Wirkung bekannter, zumeist vorhandenen Schutzarma­ turen, welche bei richtiger Anordnung den Verbundbereich bzw. die Krafteinleitungszone elektrisch ebenfalls entla­ sten, sei hier nicht näher eingegangen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Außenschicht des Isolatorkörpers und die Dichtung aus dem gleichen Material, vorzugsweise Silikonkautschuk (An­ spruch 2). Hierdurch erhält die Dichtung die selben mecha­ nischen und elektrischen Eigenschaften, insbesondere die­ selbe Dielektrizitätszahl wie die Außenschicht. Die gesamte Außenkontur des Verbundisolators besteht nun aus Metall und dem hochfesten Material der isolierenden Außenschicht, vor­ zugsweise HTV-Silikonkautschuk. Zusätzlich wird ein homoge­ ner und gleichmäßiger Übergang der Dichtung zur Außen­ schicht erzielt. Schmutzpartikel können selbst an diesen Übergängen praktisch nicht haften bleiben, da diese auch dort durch das Zusammenwirken von natürlicher Bewitterung und hydrophober Dichtungsoberfläche, insbesondere bei Sili­ konkautschuk, leicht wegschwemmbar sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Rand der Metallarmatur nach Art einer an sich bekannten (ringförmigen) Wulst ausgestaltet (Anspruch 3). Hierdurch wird eine mehr oder weniger gleichmäßige Verteilung der Ausgangs- und Auftreffpunkte etwaiger Entladungen/Über­ schläge über den gesamten freien Randbereich sichergestellt und dieser somit elektrisch gleichmäßig belastet.

Vorzugsweise reicht die Dichtung vom Isolatorkörper bis in den radial innenliegenden Bereich der freien Wulstoberflä­ che, bedeckt also auch diesen Bereich (Anspruch 4). Hier­ durch wird derjenige Bereich, in welchem die Dichtung an die Innenwand des Armaturrandes angrenzt, besonders sicher gegen ein Eindringen atmosphärischer Verunreinigungen, einschließlich Wasser, abgedichtet.

Bei den bisher beschriebenen Verbundisolatoren können - trotz des die Dichtung umgebenden radial äußeren Teils des metallischen Armaturrandes - unter extrem ungünstigen Be­ dingungen Entladungen/Überschläge an der umlaufenden In­ nenseite, insbesondere Kante des Metallarmaturrandes statt­ finden. Diese Entladungen/Überschläge beschädigen aber die Dichtung und/oder die Außenschicht des Verbundisolators und ermöglichen dadurch ein Eindringen von verschmutzter und feuchter Atmosphäre in den Verbundbereich. Wie bereits erläutert werden hierdurch die elektrischen und mechani­ schen Eigenschaften des gesamten Verbundisolators beein­ trächtigt.

Zur Lösung vorstehenden Problems ist die Dichtung des er­ findungsgemäßen Verbundisolators vorzugsweise mit einem das elektrische Feld steuernden halbleitendem Element bestückt.

Dieses ist längs - vorzugsweise parallel - zur Innenseite des Metallarmaturrandes geführt und liegt auf gleichem Potential wie die Metallarmatur, etwa durch direkten Kon­ takt mit der Metallarmatur, vorzugsweise in seinem Fußbe­ reich. Im einzelnen ist hierbei vorzugsweise vorgesehen: Der Raum, welcher den Isolatorkörper im Randabschnitt der Metallarmatur umgibt, ist als Dichtungssitz ausgebildet; als Dichtung wird eine vorgefertigte Dichtung in den Dich­ tungssitz eingepreßt oder -gedrückt; sie weist das längs des Dichtungssitzes umlaufende halbleitende Element auf, das elektrischen Berührungskontakt mit der Metallarmatur hat (Anspruch 5).

Diese einen vorgefertigten Dichtungssitz und eine darin einpreßbare vorgefertigte Dichtung aufweisende Variante er­ leichtert ein baukastenartiges Zusammenfügen des Verbundis­ olators in besonderem Maße. Insbesondere ist eine hervor­ ragende Dichtigkeit und maximale Qualitätskonstanz des Verbundbereiches sichergestellt. Das auf gleichem Potential wie die Metallarmatur liegende halbleitende Element ver­ hindert Teilentladungen im Bereich der Innenseite des Me­ tallarmaturrandes. Bei entsprechender Formgebung und Lage führt es auch zu einer Verlagerung der höheren Feldstärken in den (die Dichtung, insbesondere den Dichtungssitzrand umgebenden) radial äußeren freien Teil des Metallarmatur­ randes. Etwa auftretende Überschläge im Armaturendbereich entladen sich daher in diesem äußeren Teil des Armaturran­ des. Mit anderen Worten sind deren Auftreff- oder Ausgangs- Punkte auf diesen Bereich festgelegt. Dieser Bereich läßt sich rechnerisch optimieren, nämlich durch rechnerische Optimierung des Feldlinienverlaufes und der diesen Verlauf steuernden Komponenten, insbesondere also der Form und Lage des halbleitenden Elementes. Hierdurch läßt sich gleich­ zeitig auch der Dichtungsbereich definierbar elektrisch entlasten, insbesonders so, daß die Gefahr von Entladungen dort ausgeschlossen werden kann. Den weiter vorstehend geschilderten, zerstörerischen Folgeeffekten wird damit der Boden entzogen. Damit tritt auch eine definierbare Entla­ stung der mechanisch hochbeanspruchten Krafteinleitungszone des Isolatorkörpers ein. Insgesamt führt dies zu einer entsprechend erhöhten Lebenserwartung des Verbundisolators.

Die vorstehend erläuterte Feldsteuerung (Verlagerung höhe­ rer Feldstärken auf den äußeren Teil des Metallarmaturran­ des) hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Dimensionierung des Verbundisolators kürzer gewählt werden kann, da auch bei Zunahme von Überschlägen auf den Verbundisolator le­ diglich die Metallarmatur bzw. deren definierter Bereich für die Entladungs-Auftreff- oder Ausgangspunkte betroffen sind; nicht hingegen das Dichtungs-Gefüge.

Zwar ist die Verwendung eines halbleitenden Elementes zur Verhinderung von Teilentladungen bekannt.

So beschreibt die DE-C-32 14 141 (dortige Fig. 3) einen Hochspannungs-Verbun­ disolator, bei welchem ein isolierendes Abschlußsegment mit einer halbleitenden, elastomeren Einlage das isolatorsei­ tige Ende einer becherförmigen Armatur überfängt. Die nach innen gerichtete Oberfläche der Einlage liegt dabei an der Oberfläche des isolatorseitigen Armaturendes an, steht also mit ihr in elektrischem Kontakt. Hierdurch sollen ein stei­ ler Potentialgradient und diesem entsprechende Störfelder und Teilentladungen im Verbundbereich zwischen Armatur und Stabisolator auf akzeptable Werte reduziert werden. Jedoch müssen unter extremen Bedingungen gleichwohl auftretende Überschläge im Verbundbereich sich ihren Weg durch das Ab­ schlußsegment und somit die halbleitende Einlage "brennen". Die sich daraus ergebenden Löcher im Abschlußsegment er­ möglichen aber ein Eindringen von verschmutzter und feuch­ ter Atmosphäre in den Verbundbereich mit den bereits ge­ schilderten nachteiligen Folgen. - Im übrigen ist dieser Verbundisolator so ausgebildet, daß Regenwasser Schmutz­ partikel nicht von allen Stellen des Verbundbereiches ab­ spülen kann.

In einem anderen Ausführungsbeispiel des Hochspannungs-Ver­ bundisolators gemäß der DE-C-32 14 141 (dortige Fig. 2) wird anstelle des Abschlußsegmentes lediglich eine halbleitende Schicht zwischen Isolatorkörper und isolatorseitigem Ende der becherförmigen Metallarmatur eingebracht, wobei die halbleitende Schicht den Isolator ummantelt. Lichtbögen finden in dieser Anordnung an dem isolatorseitigen, frei­ liegenden Außenrand der Armatur ihren Fußpunkt. Sie beschä­ digen deshalb die halbleitende Schicht nicht. Bei dieser Ausgestaltung besteht die Gefahr, daß sich Metallpartikel und/oder in der Luft befindliche sonstige Schmutzpartikel unmittelbar auf der elektrisch halbleitenden Schicht an­ lagern und von dort - aufgrund elektrischer Wechselwirkun­ gen - schlecht durch die natürliche Bewitterung weg­ schwemmbar sind. Diese Partikel können bei entsprechender Geometrie zu lokalen Feldstärkeerhöhungen führen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verbundisolator ist das halblei­ tende Element vorzugsweise auf seiner radial äußeren Seite von einer Schicht oder einem Abschnitt des isolierenden Dichtungsmaterials umgeben (Anspruch 6). Nach einem Ein­ pressen der erfindungsgemäßen Dichtung in ihren Dichtungs­ sitz läuft also das halbleitende Element im Abstand vom Dichtungssitzrand um und ist dieser Ringsaum mit dem (iso­ lierenden) Dichtungsmaterial ausgefüllt. Bei entsprechender Materialwahl wird hierdurch - infolge eines formschlüssig definierten Dichtungsübergangsbereiches - der Armatur-Iso­ latorkörper-Verbundbereich noch besser abgedichtet und gleichzeitig die Beständigkeit des Verbundisolators noch weiter erhöht.

Da die Abdichtung und Isolation bei Verbundisolatoren aus den oben angeführten Gründen eine eminent wichtige Rolle spielen, weist die Dichtung vorzugsweise auch einen zwi­ schen dem halbleitenden Element und der Außenschicht des Isolatorkörpers angeordneten, isolierenden Dichtungsab­ schnitt auf. Zwischen dem Isolatorkörper und dem halblei­ tenden Element befindet sich also ebenfalls ein mit dem (isolierenden) Dichtungsmaterial ausgefüllter Ringraum (An­ spruch 7).

Besonders bevorzugt gehen die beiden isolierenden Dich­ tungsabschnitte einstückig in einen ebenfalls isolierenden, kappenartig ausgebildeten gemeinsamen Dichtungsabschnitt über. In diese aus den drei isolierenden Dichtungsabschnit­ ten gebildete Einheit ist das halbleitende Element fest eingebettet, so daß insgesamt eine handlingssichere inte­ grale Dichtungs-Einheit geschaffen wird, in welcher das halbleitende Element stets von einer Isolationsschicht definierter Dicke gegen den Außenraum abgeschirmt ist (An­ spruch 8). Bevorzugt ist diese Isolationsschicht, d. h. die kappenartige Abdeckung, so dick, daß die Feldstärke an der Grenzfläche zwischen Isolationsschicht und Außenraum be­ reits soweit abgefallen ist, daß dort die - von den jewei­ ligen atmosphärischen Gegebenheiten abhängige - Isolierwir­ kung der Luft weitgehend vernachlässigt werden kann. Be­ kanntlich ist die Feldstärke in einem Raumpunkt umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes dieses Raumpunktes zum Feldursprung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ragt das halbleitende Element ein kurzes Stück über den (isolator­ seitigen) Rand der Metallarmatur hinaus, wobei der heraus­ ragende Abschnitt als eine den Dichtungsbereich feldstärke­ mäßig entlastende Feldsteuerkurve mit relativ großem Krüm­ mungsradius ausgebildet ist (Anspruch 9). Hierdurch bleiben die höheren Feldstärkebereiche auf den freien Teil des Me­ tallarmaturrandes beschränkt. Hat der Dichtungssitzrand eine bautechnisch an sich günstige, feldelektrisch aber unerwünschte freie obere Kante, so wird diese durch den halbleitenden Feldsteuerkurvenabschnitt ebenfalls elek­ trisch entlastet.

In einer Weitergestaltung der Erfindung überlappt der her­ ausragende Abschnitt des halbleitenden Elementes den an den Dichtungssitz unmittelbar angrenzenden Bereich des Metall­ armaturrandes (Anspruch 10). Dies ermöglicht eine hochgra­ dige elektrische Entlastung des Dichtungssitzrandes.

Eine ringförmige, insbesondere rotationssymmetrische Ausge­ staltung des halbleitenden Elementes läßt sich einfach her­ stellen und in einem weiteren Arbeitstakt in die isolie­ rende Dichtung einbetten (Anspruch 11).

Kurzgefaßt werden durch die bisher geschilderte Dichtungs- Anordnung die folgenden Vorteile erzielt:

• - die vom Isolatorstab zur Wulstoberfläche monoton abfal­ lende Oberfläche der Dichtungskappe verhindert eine Ablage­ rung von Schmutzpartikeln, aber auch eine handlingsbedingte Verletzung;
• - die Einbettung des halbleitenden Elementes in die monoton abfallende Dichtung erlaubt folgendes: - im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß Fig. 4 - führt selbst ein großer Krümmungsradius des isolatorseitigen Endes des halbleiten­ den Elementes konstruktionsbedingt zu keinerlei Schmutzsam­ melnut;
• - die bautechnisch bedingte und feldelektrisch ungünstige freie obere Kante des Dichtungssitzrandes wird durch den Feldsteuerkurven-Verlauf des halbleitenden Elementes elek­ trisch entlastet bzw. übersteuert;
• - die Dicke der Dichtungskappe und deren Dielektrizitäts­ zahl ermöglichen eine definierte Isolation in dem unmit­ telbar an das halbleitende Element angrenzenden und inso­ weit höheren Feldstärkebereich und eine definiert geringere Feldstärke im Dichtungsaußenraum; insbesondere derart, daß dort die Isolierwirkung der Luft vernachlässigbar ist; und
• - in der kritischen Isolierzone wird somit ein Aufkommen von Teil-Lichtbögen, dies als Voraussetzung von Lichtbö­ gen, unterdrückt.

Nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dichtung eine in den den Isolatorkörper umgebenden Raum im Randabschnitt der Metallarmatur gespritzte oder gegosse­ ne Dichtung (Anspruch 12). Dadurch wird ein glatter Über­ gang zwischen Dichtung und Metallarmatur erzielt, d. h. es treten keine Luftblasen im Übergangsbereich Dichtung-Me­ tallarmatur und somit keine Teilentladungen auf.

In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der dem Isolatorkörper zugewandte Oberflächenabschnitt des Randes der Metallarmatur einen größeren Krümmungsradius als der abgewandte freie Wulstabschnitt auf. Hierdurch wird beim Eingießen der Dichtung in besonderem Maße ein glatter, luftblasenfreier Übergang zwischen Dichtung und Metallarma­ tur sichergestellt. Zielgemäß wird hierdurch eine hervor­ ragende Feldsteuerung, d. h. ebenfalls eine Verlagerung der höheren Feldstärken auf den abgewandten Wulstbereich und eine errechenbare Entlastung im Feststoffbereich erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen und den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht des relevanten Ausschnit­ tes eines ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine Teilschnittansicht eines zweiten Ausfüh­ rungsbeispiels;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbei­ spiels.

Fig. 4 eine Teilschnittansicht eines ersten bekannten Verbundisolators;

Fig. 5 eine Teilschnittansicht eines zweiten bekannten Verbundisolators; und

Fig. 6 eine Teilschnittansicht eines dritten bekannten Verbundisolators.

In Fig. 1 ist ein relevanter Abschnitt eines erfindungs­ gemäßen Verbundisolators in Teilschnittansicht dargestellt. Dieser Verbundisolator ist baukastenartig aus einem Isola­ torkörper 4, auf den Isolatorkörper 4 aufgesteckten Schir­ men 22 und jeweils einer mit jedem Ende 6 des Isolatorkör­ pers 4 fest verbundenen, im wesentlichen etwa kelchförmigen Metallarmatur 2 zusammengesetzt. Der Isolatorkörper 4 ist aus einem zugfesten Stab 8, vorzugsweise aus glasfaserver­ stärktem Kunststoff, und einer den Stab 8 ummantelnden iso­ lierenden Außenschicht 10, beispielsweise aus Silikonkau­ tschuk aufgebaut. Der Fuß 3 der kelchförmigen Metallarmatur 2 ist mit einem Hochspannungsleiter verbindbar. Er wird auch leiterseitiges Ende der Metallarmatur 2 genannt. An ihn schließt sich ein das Isolatorkörperende 6 becherartig einfassender und selbst etwa becherförmig ausgestalteter Armaturabschnitt 5 an, dessen Randbereich 16 den Isolator­ körper 4 mit Abstand umgibt. Der Randbereich 16 wird auch isolatorseitiger End- oder Randabschnitt der Metallarmatur 2 genannt. Der den Randbereich 16 außen einfassende Rand ist als ringförmige Wulst 12 ausgebildet, deren Innen- und Außendurchmesser größer als die Durchmesser der sich zum leiterseitigen Ende 3 hin anschließenden Armaturabschnitte sind. Die Wulst 12 umgibt einen im Randbereich 16 der Me­ tallarmatur 2 ausgeformten Dichtungssitz 18, in welchen eine Dichtung 20 eingepreßt ist. In größerem Abstand von der Dichtung 20 befindet sich der erster Schirm 22.

Der Dichtungssitz 18 umgibt den Isolatorkörper 4 ringför­ mig. Er setzt sich im wesentlichen aus zwei, den Isolator­ körper 4 jeweils konzentrisch umgebende Ringzonen 35, 37 zu­ sammen, die - in Richtung der Armaturlängsachse - hinter­ einander angeordnet sind und stufenartig ineinander überge­ hen. Beide Ringzonen 35, 37 haben jeweils einen konstanten Außendurchmesser, welcher die Lage ihrer radial äußeren Begrenzungsflächen 36 und 39 festlegt. Dabei ist der Außen­ durchmesser der - vom isolatorseitigen Armaturende 16 in Richtung des leiterseitigen Armaturendes 3 gesehenen - ersten bzw. oberen Ringzone 35 etwas größer als der der zweiten Ringzone 37. Die Begrenzungsfläche 36 der oberen Ringzone 35 geht über eine (bautechnisch bedingte) Kante 42 in einen freien Randbereich 34 der Wulst 12 über. Der Boden 19 der zweiten bzw. unteren Ringzone 37 ist an seinem Iso­ latorkörper-seitigen Ende angephast. Demgemäß befindet sich dort eine Aussparung 38.

Die Dichtung 20 umgibt den Isolatorkörper 4 ebenfalls ring­ förmig und setzt sich von innen nach außen aus einem ring­ förmigen, isolierenden Dichtungsabschnitt 24, einem sich daran anschließenden ringförmigen Element 26 aus halblei­ tendem Kunststoff und schließlich wieder aus einem ring­ förmigen, isolierenden Dichtungsabschnitt 28 zusammen. Die beiden Dichtungsabschnitte 24, 28 gehen einstückig in eine Kappe 30 über, die auch das halbleitende Element 26 über­ greift und einen dachartigen Abschluß des Dichtungsberei­ ches gegen den Außenraum bildet. Die der Atmosphäre zuge­ kehrte freie Oberfläche 32 der Kappe 30 verläuft streng monoton fallend vom Isolatorkörper 4 zur Wulst 12, wo sie fluchtend in den äußeren Dichtungsabschnittes 28 übergeht. Regen kann also nicht nur alle Stellen der Kappe 30 bequem erreichen, sondern auch etwaige Schmutzpartikel von dort leicht wieder abspülen.

Der konzentrisch zur Mittelachse der Metallarmatur 2 ausge­ bildete Dichtungssitz 18, insbesondere die radial äußeren, konzentrischen Begrenzungs-Ringflächen 36 und 39 seiner beiden Ringzonen 35 und 37, garantieren dessen Rotations­ symmetrie zur Mittelachse, ermöglichen eine entsprechend rotationssymmetrische Ausgestaltung der Dichtung 20 und erleichtern deren formschlüssiges Einpressen in den Dich­ tungssitz 18. Nach dem Einpressen steht der Fußbereich des äußeren isolierenden Abschnittes 24 auf dem stufenartigen Übergang der äußeren Ringzone 35 in die innere Ringzone 37 auf; die Fußbereiche des inneren isolierenden Abschnittes 28 und des halbleitenden Elementes 26 hingegen stehen auf dem Boden 19 der inneren Ringzone 37 auf. Die unterhalb des halbleitenden Elements 26 in Richtung des Leiteranschlusses sich verjüngende Aussparung 38 kann mit einer qualitativ minderwertigen Dichtmasse, etwa Silgel, aufgefüllt werden.

Die Dichtung 20 ist in diesem Ausführungsbeispiel als eine vorgefertigte Einheit ausgebildet. Dabei bestehen die bei­ den Dichtungsabschnitte 24, 28 sowie die Kappe 30 aus einem durchgehend zusammenhängenden silikonartigen Kunststoff, nämlich - wie die Außenschicht 10 - aus Silikonkautschuk, in welchen das halbleitende Kunststoffelement 26 eingebet­ tet ist. Zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit, kann das halbleitende Element 26 mit dem Rest der Dichtung 20 verklebt oder vulkanisiert sein. Silikonkautschuk hat viele Vorteile: Im verfestigten Zustand hat er eine glatte, hy­ drophobe Oberfläche, von welcher Schmutzpartikel bereits durch natürliche Bewitterung leicht weggeschwemmt werden. Des weiteren ist er zähelastisch. Die aus ihm hergestellte Dichtung ist somit gegenüber mechanischen Einwirkungen, die z. B. während der Handhabung und Montage des Verbundisola­ tors oder durch Vögelpicken auftreten, unempfindlich. Statt silikonartiger Kunststoffe können natürlich auch andere Kunststoffe eingesetzt werden, sofern solche ähnliche Ei­ genschaften wie Silikonkautschuk haben.

Das halbleitende Element 26 steht über seinen Fußbereich und den Boden 19 der inneren Ringzone 37 in elektrischem Kontakt mit der Metallarmatur 2 und liegt somit auf dem selben Potential wie diese. Das isolatorseitige Ende des halbleitenden Elementes 26 ragt ein kurzes Stück über den Randbereich 16 hinaus und hat einen großen Krümmungsradius. Der große Krümmungsradius führt zu einer elektrischen Feld­ entlastung des Dichtungsbereiches, insbesondere auch der bautechnisch günstigen, feldstärkemäßig jedoch ungünstigen (geometrischen) Kanten des Dichtungssitzes 18, etwa der Kante 42.

Der freie Randbereich 34 der Wulst 12 ist in Fig. 1 im wesentlichen stetig gekrümmt, etwa mit halbkreisförmigem Querschnitt. Dies hat den allgemein bekannten Vorteil, daß die Auftreff- oder Ausgangspunkte etwaiger Entladungen statistisch gesehen gleichmäßig auf den freien Randbereich 34 verteilt sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterschei­ det sich vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 durch Modifi­ zierungen des halbleitenden Elements 26, der Wulst 12 und der Dichtung 20.

In Fig. 2 überlappt der herausragende Abschnitt des halb­ leitenden Elementes 26 den an den Dichtungssitz 18 unmit­ telbar angrenzenden Bereich der Wulst 12; somit auch die äußeren Randflächen 36, 39 des Dichtungssitzes 18, insbeson­ dere dessen umlaufende, an die Wulstoberfläche angrenzende Kante 42. Er bleibt dabei jedoch von der Wulst 12 isoliert. Diese Überlappung kompensiert feldstärkemäßig im besonderen Maße die bereits genannten Kanten des Dichtungssitzes 18.

Um einen möglichst großen "Überschlags-Bereich" vorzusehen, wird die Wulst 12 nach außen verlängert, d. h. die Wulst 12 wird hier mit einem größeren Außenradius ausgebildet als in Fig. 1. Dadurch kann auch die Dimensionierung der Dichtung 20, genauer deren Durchmesser so vergrößert werden, daß sie auch eine innenliegende Ringzone der Wulst 12 überdeckt, im Ergebnis also "pilzförmig" ausgestaltet ist. Somit wird die Verbindungsfläche von Dichtungsabschnitt 28 und Ringfläche 36 des Dichtungssitzes 18 noch besser gegen Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit geschützt.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausgestaltungsform der Erfin­ dung unterscheidet sich u. a. durch folgende Merkmale von den vorgenannten Ausführungsbeispielen: der innere Ober­ flächenabschnitt der Wulst 12 ist zum Isolatorkörper 4 hin gerundet und weist einen größeren Krümmungsradius auf als der abgewandte freie Wulstabschnitt 34 - so daß die Wulst 12 zusammen mit dem sich zum leiterseitigen Armaturende 3 hin anschließenden Armaturabschnitt einen Querschnitt auf­ weist, der etwa die Form eines Golfschläger-Kopfes hat; die Dichtung 20 ist direkt in den Verbundbereich zwischen dem Isolatorkörper 4 und der Armatur 2 eingegossen oder einge­ spritzt; auf ein halbleitendes Element im Verbundbereich wurde verzichtet, und zwar aus folgenden Gründen: der abge­ rundete Oberflächenabschnitt fächert das Feld bereits aus­ reichend in Richtung eines geringeren Potentialgradienten auf.

Diese Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochspannungs­ isolators eignet sich insbesondere bei fabrikfertigen Iso­ latoren, bei welchen die Dichtung 20 bereits in der Fabrik eingegossen oder eingespritzt wird.

Bei einem Einspritzen/Eingießen von flüssigen Dich­ tungsmaterial in den Verbundbereich bilden sich erfahrungs­ gemäß keine "Luftblasen" zwischen Dichtung und Armaturend­ bereich. Teilentladungen infolge von Luftblasen treten also nicht auf.

Für die Dichtung 20 wird auch hier das gleiche Material verwendet wie für die Außenschicht 10.

Es hat sich gezeigt, daß diese Anordnung ähnliche Resultate liefert, wie die beiden oben erläuterten Ausfürungsbeispie­ le mit halbleitenden Element.

Bezugszeichenliste

2 Metallarmatur
3 Fuß der Metallarmatur
4 Isolatorkörper
5 Armaturabschnitt
6 Enden des Isolatorkörpers
8 zugfester Stab
10 isolierende Außenschicht
12 Wulst
16 Randbereich der Metallarmatur
18 Dichtungssitz
19 Boden
20 Dichtung
22 Wetterschirme
24 Dichtungsabschnitt
26 halbleitendes Element
28 Dichtungsabschnitt
30 Kappe
32 freie Oberfläche
34 freie Randbereich
35 Ringzone
36 Begrenzungsringfläche
37 Ringzone
38 Aussparung
39 Begrenzungsringfläche
42 Kante
39 Begrenzungsringfläche

Claims (12)

1. Verbundisolator, der baukastenartig zusammengesetzt ist aus: einem etwa stabförmigen Isolatorkörper (4) mit einer isolierenden Außenschicht (10), einer mit einem Ende (6) des Isolatorkörpers (4) fest verbunde­ nen Metallarmatur (2), welche das Isolatorkörperende (6) becherartig einfaßt, dabei jedoch in ihrem Randbe­ reich (16) einen Abstand vom Isolatorkörper (4) hat, und einer isolierenden Dichtung (20), welche den den Isolatorkörper (4) umgebenden Raum (18) im Randbereich (16) der Metallarmatur (2) ausfüllt, mit ihrer der Atmosphäre zugekehrten freien Oberfläche (32) vom Iso­ latorkörper (4) bis zum Rand (12) der Metallarmatur (2) ständig abfällt, zumindest vom radial äußeren Teil (34) dieses Randes (12) umgeben ist und im wesentli­ chen aus einem Material aufgebaut ist, das zumindest hinsichtlich seiner Festigkeit dem der Außenschicht (10) des Isolatorkörpers (4) entspricht.

2. Verbundisolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Außenschicht (10) und die Dichtung (20) aus dem gleichen Material, vorzugsweise Silikonkau­ tschuk, bestehen.

3. Verbundisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (12) der Metall­ armatur (2) nach Art einer Wulst ausgebildet ist.

4. Verbundisolator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der radial innenliegende Bereich der freien Wulstoberfläche von der Dichtung (20) bedeckt ist.

5. Verbundisolator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der den Isolatorkörper (4) umgebende Raum im Randbereich (16) der Metallarmatur (2) als Dichtungssitz (18) ausgebildet ist und die Dichtung (20) eine vorgefertigte Dichtung ist, welche in den Dichtungssitz (18) eingepreßt oder -gedrückt ist und ein längs des Dichtungssitzrandes (36) umlau­ fendes halbleitendes Element (26) aufweist, das elek­ trischen Kontakt mit der Metallarmatur (2) hat.

6. Verbundisolator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dichtung (20) einen zwischen dem Dichtungssitzrand (36) und dem halbleitenden Element (26) angeordneten, isolierenden Dichtungsabschnitt (28) aufweist.

7. Verbundisolator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dichtung (20) einen zwischen dem halbleitenden Element (26) und der Außenschicht (10) des Isolatorkörpers (4) angeordneten, isolierenden Dichtungsabschnitt (24) aufweist.

8. Verbundisolator nach einem der Ansprüche 5-7, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden isolierenden Abschnitte (24, 28) einstückig in einen gemeinsamen, kappenartig ausgebildeten und ebenfalls isolierenden Abschnitt (30) übergehen, und das halbleitende Element (26) in die aus diesen drei Abschnitten (24, 28, 30) gebildete Einheit eingebettet ist und zusammen mit ihr eine integrale Dichtungs-Einheit bildet.

9. Verbundisolator nach einem der Ansprüche 5-8, da­ durch gekennzeichnet, daß das halbleitende Element (26) ein kurzes Stück über den Rand (12) der Metall­ armatur (2) hinausragt, wobei der herausragende Ab­ schnitt als eine den Dichtungsbereich feldstärkemäßig entlastende Feldsteuerkurve ausgebildet ist.

10. Verbundisolator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der herausragende Abschnitt des halbleitenden Elementes (26) so ausgebildet ist, daß er den an den Dichtungssitz (18) unmittelbar angrenzenden Bereich des Metallarmaturrandes (12) überlappt.

11. Verbundisolator nach einem der Ansprüche 5-10, da­ durch gekennzeichnet, daß das halbleitende Element (26) ringförmig, insbesondere rotationssymmetrisch ausgebildet ist.

12. Verbundisolator nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) eine in den Isolatorkörper (4) im Randbereich der Metallarmatur (2) umgebenden Raum gespritzte oder gegossene Dichtung ist.