DE68915714T2

DE68915714T2 - Isolator mit optischer Fiber und Verfahren zu seiner Herstellung.

Info

Publication number: DE68915714T2
Application number: DE68915714T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Mima; Koichi Mori; Shoji Seike
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1988-12-06
Filing date: 1989-12-01
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2009-12-02
Also published as: EP0372867A2; CN1026636C; KR960015429B1; EP0372867B1; DE68915714D1; KR900010813A; CA2004472A1; CN1043405A; US4984860A; EP0372867A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Isolatoren mit Lichtleitfasern, die Umweltbelastungen beispielsweise aufgrund von Temperaturschwankungen in der Einsatzumgebung aushalten können und für einen langen Zeitraum luftdichte Eigenschaften beibehalten können, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei Elektrizitätsumspannwerken, Stromübertragungsleitungen und Stromverteilerleitungen ist es wünschenswert, ein System vorzusehen, mit dem Fehler in elektrischen Stromsystemen rasch festgestellt und diese Fehler unverzüglich repariert werden können. Üblicherweise ist eine Vorrichtung zum Bestimmen ungewöhnlicher Ströme oder ungewöhnlicher Spannungen bekannt, bei der ein optischer Sensor mit Eigenschaften wie Faradayeffekt und Pockels-Effekt eingesetzt wird. Darüberhinaus wird, um den Übertragungsstrom oder die Übertragungsspannung zwischen einem Fehlerlokalisator und dem optischen Sensor zu isolieren, der einem Leiter der normalerweise stromzuführenden Seite zugeordnet ist, ein Isolator verwendet. Daher ist es notwendig, einen isolator mit Lichtleiter zu verwenden, der nur optische Signale übermittelt, während die elektrischen Isoliereigenschaften erhalten bleiben. Beim für diesen Zweck verwendeten Isolator mit Lichtleiter ist es zusätzlich zu den Übertragungseigenschaften für optische Signale notwendig, die mechanische Festigkeit und die elektrische Isolationseigenschaft für einen langen Zeitraum aufrechtzuerhalten.
Bei den Isolatoren mit Lichtleiter wird, was die Abdichtmaterialien zur Aufrechterhaltung der Luftdichtheit zwischen dem Lichtleiter und dem Porzellan betrifft, ein organisches Material oder ein anorganisches Material wie Glas verwendet, und beide haben spezielle Vorteile bzw. Nachteile.
Im Fall, daß als Abdichtmaterial ein organisches Material wie Silikonkautschuk verwendet wird, ist es möglich, einen Raum zwischen dem Lichtleiter und dem Porzellan luftdicht abzudichten und auf einfache Art einen Abdichtvorgang bei niedrigen Temperaturen durchzuführen, und somit besteht der Vorteil, daß die Herstellung des Isolators mit Lichtleiter einfach im großen Maßstab durchgeführt werden kann.
Im Gegensatz dazu verfügt im Fall der Verwendung eines anorganischen Materials wie Glas das anorganische Material im Vergleich zum organischen Material grundsätzlich über hervorragende Witterungsbeständigkeit und chemische Korrosionsbeständigkeit, und somit ist es, wenn die Materialeigenschaften wie Wärmedehnungskoeffizienten des anorganischen Materials jenen des umgebenden Materials entsprechen, möglich, eine hervorragende lange Verläßlichkeit der Luftdichtheit und Isolation zu erreichen.
Bei einem Isolator mit Lichtleiter, bei dem ein organisches Material als Dichtungsmaterial verwendet wird, besteht, da die Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem organischen Material und dem Porzellan sich im allgemeinen stark voneinander unterscheiden, der Nachteil, daß aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperaturen eine Beeinträchtigung des als Abdichtmaterial verwendeten organischen Materials und das Zerbrechen des Lichtleiters aufgrund der Beeinträchtigung des organischen Materials auftritt. Darüberhinaus wird es, da das organische Material aufgrund einer langfristig darin erzeugten Kriechwegbildung beeinträchtigt wird, vorgezogen, für das Abdichtmaterial zur Beibehaltung der Luftdichtheit und Isoliereigenschaften ein anorganisches Material wie Glas mit im wesentlichen dem gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie Porzellan zu verwenden.
Im Gegensatz dazu besteht beim obengenannten Isolator mit Lichtleiter, bei dem Glas verwendet wird, der Nachteil, daß sich die Kosten für die Ausrüstung und auch die kosten für den Stromverbrauch erhöhen, da ein großer Ofen verwendet werden muß, um das Glas durch Erwärmen des gesamten langen Porzellans zu schmelzen.
Weiters ist es, was den beim Isolator mit Lichtleiter verwendeten Lichtleiter betrifft, in Anbetracht der Wärmebeständigkeitseigenschaften notwendig, einen Lichtleiter aus Quarzglas zu verwenden. Die mechanische Festigkeit des Lichtleiters wird aufrechterhalten, indem eine Außenfläche von Fäden unmittelbar nach dem Spinnen der Fäden aus dem Muttermaterial aus Quarzglas mit einem organischen Material als Deckschicht, wie Silikonharz, Urethanharz und Epoxyharz, überzogen wird. Da die mechanische Festigkeit des Lichtleiters extrem niedrig ist, wenn keine Deckschicht vorhanden ist, muß die Deckschicht an der Außenflache des Lichtleiters zur Handhabung vorhanden sein.
Jedoch hält eine solche organische Deckschicht grundsätzlich eine über 300ºC durchgeführte Wärmebehandlung nicht aus. Daher wird der Lichtleiter, wenn die organische Deckschicht einmal durch die Wärmebehandlung usw. beeinträchtigt wurde, sehr spröde und zerbricht so unter einer viel geringeren Belastung als vor der Wärmebehandlung. Beispielsweise beträgt die Bruchlast des Lichtleiters im Fall eines Durchmessers des Lichtleiters von 125 um vor der Wärmebehandlung 6 kg und nach der Wärmebehandlung 0,5 kg.
Demgemäß wird für den Fall, daß der gesamte Isolator erwärmt wird, um die Glasmaterialien zum Abdichten zu schmelzen, die Festigkeit des aus dem Porzellan vorragenden Teils des Lichtleiters gering, und im nächsten Schritt wird dann der Lichtleiter zerbrochen. Daher werden die gegenüberliegenden Endflächen des die Lichtleiter enthaltenden Isolators nach dem Abdichten der Lichtleiter im Porzellan hochglanzpoliert, und dann ist es notwendig, die anderen Lichtleiter unter Verwendung von Klemmen optisch mit den freiliegenden Lichtleitern zu verbinden. In diesem Fall ergibt sich ein Nachteil dahingehend, daß die Herstellungsschritte kompliziert werden und sich die Herstellungskosten somit erhöhen.
Die JP-A-60-158402 offenbart einen Verbundisolator mit Lichtleiter, bei dem der Lichtleiter mit einem Epoxyharz abgedichtet ist.
Es ist wünschenswert, die obengenannten Nachteile auszuschalten und Isolatoren mit Lichtleitern und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, bei dem verläßliche Isolatoren mit Lichtleitern auf einfache Art hergestellt werden können.
Die vorliegende Erfindung schafft daher einen elektrischen Isolator mit Lichtleiter wie in Anspruch 1 dargelegt.
Sie schafft auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators mit Lichtleiter wie in Anspruch 3 dargelegt.
Geeigneterweise wird als Abdichtmaterial ein Glasmaterial verwendet, dessen Wärmedehnungskoeffizient jenem von Porzellan nahe ist, und während der Verwendung des Isolators mit Lichtleiter sind die abgedichteten Abschnitte widerstandsfähig gegen, aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur erzeugte, Wärmebeanspruchung und weisen für einen langen Zeitraum gute Luftdichtheit auf. Weiters ist es, da ein anorganisches Material verwendet wird, möglich, einen Abdichtabschnitt mit guter Witterungsbeständigkeit zu erhalten.
Darüberhinaus kann, da ein Isoliergas wie SF&sub6; usw. oder ein organisches Isoliermaterial, wie Silikonöl, Mineralöl, Silikonfett, Urethankautschuk, Silikonkautschuk usw., in den inneren Durchgangslochabschnitt des Isolators mit Ausnahme der beiden Endabschnitte, die durch das Glasmaterial abgedichtet sind, eingefüllt ist, die Spannungsfestigkeit des inneren Durchgangslochabschnitts des Isolators im Vergleich zu jener der Oberfläche des Isolators vergrößert werden, und so ist es möglich, Überschlag im inneren Durchgangslochabschnitt des Isolators auszuschalten.
Weiters kann, da das Isoliermaterial, wie Silikonöl, Mineralöl, Silikonfett, Urethankautschuk, Silikonkautschuk usw. einen Raum zwischen den Lichtleitern und dem Porzellan abdichten oder luftdicht daran haften kann, vorherbestimmte Luftdichtheit aufrechterhalten werden, auch wenn die luftdichte Abdichtung durch mechanische Beschädigung des Abdichtabschnitts usw. zerstört wird, und so kann ein Isolator mit Lichtleiter mit verlässlicherer Luftdichtheit erhalten werden.
Weiters gibt es, da der innere Durchgangslochabschnitt mit organischem Isoliermaterial gefüllt ist, keine Hohlraumabschnitte im inneren Durchgangslochabschnitt, oder es kann die Spannungsfestigkeit des inneren Durchgangsabschnitts des Isolators erhöht werden, da das Isoliergas, wie SF&sub6; usw. im Innenlochabschnitt angeordnet ist. Daher wird im inneren Durchgangslochabschnitt keine Koronaentladung erzeugt, und so ist es möglich, die im Zustand des ständigen Anliegens von Spannung verursachte Kriechwegbildung der Deckschicht des Lichtleiters zu verringern.
Darüberhinaus hat der Isolator mit Lichtleiter eine solche Konstruktion, daß beide Endabschnitte des inneren Durchgangslochabschnitts aus weithalsigen Abschnitten vorzugsweise mit sich verjüngender Gestalt konstruiert sind, und ein leitendes zylindrisches Element mit einer Außenfläche, deren Gestalt einer Innenfläche des weithalsigen Abschnitts entspricht, in den inneren Durchgangslochabschnitt eingefügt ist. Daher können der Raum zwischen der Außenfläche des zylindrischen Elements und dem Isolator und der Raum zwischen der Innenfläche des zylindrischen Elements und dem Lichtleiter leicht mit dem Glasmaterial abgedichtet werden, indem an den inneren und äußeren Abschnitten des leitenden zylindrischen Elements angeordnetes anorganisches Glas durch Hochfrequenzinduktionserwärmung erwärmt wird, und so ist es möglich, die am Ende abgedichteten Abschnitte leicht herzustellen.
Darüberhinaus ist es, da ein anorganisches Klebemittel, das geeigneterweise hauptsächlich aus Silika und Tonerde besteht, oder ein wärmebeständiges organisches Klebemittel, wie Polyimidharz oder Fluorsilikonharz, zwischen dem Isoliergas oder dem organischen Isoliermaterial und dem zylindrischen Element angeordnet ist, möglich, die Wärmeleitung zum Isoliergas, wie SF&sub6; usw. oder dem organischen Isoliermaterial zu verringern, das leicht Schaden erleidet, wenn der Isolator für die Abdichtungsbehandlung der Endabschnitte erwärmt wird.
Im Fall, daß der Isolator mit Lichtleiter die obengenannte Konstruktion hat und das organische Isoliermaterial wie Silikonkautschuk, Urethankautschuk usw. in den inneren Durchgangslochabschnitt eingefüllt ist, wird es vorgezogen, einen Lichtleiter zu verwenden, sodaß eine Außenfläche der Glasfaser, die hautpsächlich aus Quarz besteht, mit einem organischen Material bedeckt ist, das mit dem Lichtleiter luftdicht verbunden ist, um dessen mechanische Festigkeit aufrechtzuerhalten, und bezogen auf die Außenflächen der Deckschicht wird eine Grundierungsbehandlung unter Verwendung eines Silankopplungsmittels durchgeführt, um gute Verbindungen zwischen dem Kautschuk und dem Lichtleiter aufrechtzuerhalten.
Darüberhinaus wird es, was den obengenannten Kautschuk betrifft, vorgezogen, ein Material mit vorherbestimmter Zugfestigkeit und Bruchdehnung zu verwenden, da dies besser für die durch Schwankungen der Umgebungstemperatur erzeugte Schrumpfung und Ausdehnung ist.
Weiters wird es, was das Glas für das Abdichtmaterial betrifft, vorgezogen, Glas mit einem Wärmedehungskoeffizienten zu verwenden, der niedriger als jener des Porzellans ist, um die Restspannung beim Abdichtvorgang zu verringern und um die mechanische Festigkeit des Glasabdichtabschnitts bezogen auf Wärmespannung, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden, aufrechtzuerhalten, und Glas zu verwenden, mit dem die Abdichtung bei niedrigen Temperaturen durcngeführt werden kann. Weiters wird es, da das Glas im geschmolzenen Zustand im Volumen schrumpft, vorgezogen, einen Glasformkörper zu verwenden, der zu einer in das leitende zylindrische Element passenden Gestalt geformt ist und Löcher aufweist, durch die die Lichtleiter eingeführt werden, und dann kaliziniert wird, um die vorherbestimmte Länge zwischen der Innenfläche des leitenden zylindrischen Elements und den Lichtleitern wirksam abzudichten.
Was die Abdichtung des Glasabschnitts betrifft, ist es notwendig, Hochfrequenzinduktionserwärmung einzusetzen, durch die das Glas durch teilweises Erwärmen geschmolzen werden kann, um die Endabdichtungskonstruktion in einem Erwärmungsvorgang durchzuführen. Darüberhinaus wird es, was das Material für das leitende zylindrische Element betrifft, das durch die obengenannte Hochfrequenzinduktionserwärmung zu erwärmen ist, vorgezogen, ein Material zu verwenden, das einen geringeren Wärmedehnungskoeffizienten aufweist als Porzellan, der etwa gleich ist wie der des Glasmaterials, wie leitende Keramikmaterialien, wie Zirkondiborid und Metallmaterialien wie Kovar, die hauptsächlich aus Legierungen auf Eisen- und Nickelbasis bestehen. Was die Metallmaterialien betrifft, wird es vorgezogen, die Metallmaterialien zu verwenden, auf denen zuvor Oberflächenbehandlungen wie ein Oxidationsverfahren durchgeführt werden, um die Benetzbarkeit, bezogen auf das Glas, zu verbessern und die Beeinträchtigung des Glases beim Erwärmen für das Abdichten auszuschalten.
Beispiele für die Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert, worin:
Fig. 1 eine schematische Ansicht ist, die eine Endkonstruktion eines Isolators mit Lichtleiter gemäß vorliegender Erfindung zeigt; und
die Fig. 2a bis 2e schematische Ansichten sind, die jeweilige Schritte eines Herstellungsverfahrens für den in Fig. 1 gezeigten Isolator mit Lichtleiter veranschaulichen.
Fig. 1 ist eine schematiscne Ansicht, die eine Endkonstruktion eines Isolators mit Lichtleiter gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind zumindest ein Lichtleiter 3, bei dem ein Teil einer Deckschicht, der mit einem Glasdichtungsabschnitt korrespondiert, entfernt ist, und ein mittlerer Abschnitt 2-1 eines in einer Mittelachse eines Isolators 1 angeordneten Durchgangslochs 2 unter Verwendung eines Silikonkautschuks 6, der ein Beispiel für organische Isoliermaterialien darstellt, dicht miteinander verbunden. Darüberhinaus ist der zwischen dem Mittelabschnitt 2-1 des Durchgangslochs 2 und einem weithalsigen Abschnitt 2-2, vorzugsweise mit sich verjüngender Gestalt, des Durchgangslochs 2 angeordnete Lichtleiter 3 unter Verwendung anorganischer oder organischer, wärmebeständiger Klebemittel 7 abgedichtet. Weiters sind ein Raum zwischen dem Lichtleiter 3 und einem zylindrischen Element 4 mit einem Lichtleitereinfügungsloch an seinem unteren Abschnitt und bestehend aus leitenden Keramik- oder Metallmaterialien usw. und ein Raum zwischen dem zylindrischen Element 4 und dem weithalsigen Abschnitt 2-2 des Durchgangslochs 2 durch ein Glas 5 luftdicht abgedichtet. Weiters ist ein aus dem weithalsigen Abschnitt 2-2 herausragender Teil des Lichtleiters 3 mit einem Silikonkautschuk 6 bedeckt, um den vorspringenden Teil des Lichtleiters 3 zu schützen.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für den obengenannten Isolator mit Lichtleiter erklärt. Die Fig. 2a bis 2e sind schematische Ansichten, die jeweilige Schritte des Herstellungsverfahrens für den in Fig. 1 gezeigten Isolator mit Lichtleiter zeigen, bei dem insbesondere Silikonkautschuk als Abdichtmaterial zwischen einem Isoliergas und organischen Isoliermaterialien verwendet wird.
Fig. 2a ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines für ein Abdichtverfahren verwendeten Lichtleiters zeigt. In Fig. 2a wird, was den Lichtleiter 3 betrifft, ein Lichtleiter aus Quarzglas mit einem Kerndurchmesser von 80 um und einem Ummantelungsdurchmesser von 125 um verwendet. Um die Luftdichtheit des Lichtleiters 3 selbst aufrechtzuerhalten, wird ein Deckabschnitt 3-2 aus UV-gehärtetem Polyurethanharz luftdicht an eine Außenfläche eines Kernabschnitts 3-1 aus Quarzglas geklebt. Der Grund für die Verwendung von Acrylharz des Polyurethansystems als Deckabschnitt 3-2 des Lichtleiters 3 besteht darin, daß es nach dem Zusammenkleben mit einem Silikonkautschuk, der in den mittleren Abschnitt des Durchgangslochs 2 des Isolators 1 eingefüllt ist, gute Eigenschaften gegen Temperaturschwankung aufweist.
Darüberhinaus wird auf eine Außenfläche des Deckabschnitts 3-2 des Lichtleiters 3 ein Silankopplungsmittel 3-3 aufgetragen, um die luftdichte Verbindung zwiwschen dem Silikonkautschuk und dem Deckabschnitt 3-2 zu verbessern. Weiters wird, um eine vollständige luftdichte Abdichtung zwischen einem Abdichtglas und dem Lichtleiter 3 durchzuführen und um das Abdichtglas durch Brennen des organischen Deckabschnitts 3-2 des Lichtleiters 3 aufgrund einer hohen Temperatur beim Schmelzen des Abdichtglases nicht aufzuschäumen, ein 35 mm langer Teil des Deckabschnitts 3-2, der einem Abdichtabschnitt zwischen dem Lichtleiter 3 und dem Abdichtglas entspricht, 30 Minuten lang in Äthanol eingetaucht, und dann durch einen Umhüllungsabstreifer mechanisch entfernt, um einen Entfernungsabschnitt 3-4 des Deckabschnitts 3-2 zu bilden.
Fig. 2b ist eine schematische Ansicht, die einen Schritt zum Einsiegeln des Lichtleiters in den Mittelachsenabschnitt eines Innenlochabschnitts unter Verwendung von Silikonkautschuk als Klebemittel zeigt. Der Isolator 1 mit einer Länge von 826 mm hat einen Körperabschnitt mit einem Durchmesser von 80 mm und einem Durchgangsloch 2 mit einem Durchmesser von 10 mm an seiner Mittelachse. Weiters sind in beiden Endabschnitten des Durchgangslochs 2 weithalsige Abschnitte 2-2, 2-3 angeordnet, die in der Mittelachsenrichtung des Isolators 1 50 mm lang sind und einen Verjüngungswinkel von 5º aufweisen.
Ein Lichtleiter 3, an dem das obige Vorverfahren durchgeführt wird, wird in das Durchgangsloch 2 eingesetzt, das an der Mittelachse des Isolators 1 ausgebildet ist. Danach wird der Silikonkautschuk 6, an dem 30 Minuten lang unter einem Vakuum unter 1 Torr (100 Pa) eine Vakuumentschäumungsbehandlung durchgeführt wird, über eine Länge von 660 mm in den mittleren Abschnitt 2-1 des Durchgangslochs 2 eingefüllt. Der Füllvorgang wird, damit der Lichtleiter 3 nicht beschädigt wird, unter Verwendung eines Stützelements 8 durchgeführt, das ein Einführloch für den Lichtleiter 3 und ein Loch zum Einfüllen des Silikonkautschuks 6 aufweist und an dessen einer Außenfläche eine Fluorkunststoffschicht aufgetragen ist, damit es nicht mit dem Silikonkautschuk 6 zusammenklebt.
In diesem Fall wird vorgezogen, vom weithalsigen Abschnitt 2-3, der dem weithalsigen Abschnitt 2-2 gegenüberliegt, von dem der Silikonkautschuk 6 unter Druck eingebracht wird, Vakuumabsaugung durchzuführen, da der Silikonkauschuk 6 beim Füllvorgang nicht aufgeschäumt wird. Nachdem der Silikonkautschuk 6 über 660 mm im mittleren Abschnitt eingefüllt ist, wird der Silikonkautschuk 4 Stunden lang bei 80ºC gehärtet. Darüberhinaus wird, was den Silikonkautschuk 6 betrifft, vorgezogen, einen Silikonkautschuk vom Additionsreaktionstyp zu verwenden, der gute Aushärtungseigenschaft besitzt, wenn er in ein langes enges inneres Durchgangsloch gefüllt wird. Weiters wird vorgezogen, einen Silikonkautschuk großer Zugfestigkeit und hoher Bruchdehnung zu verwenden, da dieser gut gegen Beeinträchtigungen ist.
Fig. 2C ist eine schematische Ansicht, die einen Schritt zum Einfüllen des wärmebeständigen Klebemittels nach dem Silikonkautschukfüllschritt zeigt. Nach dem Einfüllen des Silikonkautschuks 6 werden die wärmebeständigen Klebemittel 7 von Endabschnitten 6-1 und 6-2 des Silikonkautschuks 6 in die Endabschnitte der weithalsigen Abschnitte 2-2 und 2-3 des Isolators 1 eingefüllt. Der Füllvorgang für das wärmebeständige Klebemittel 7 wird durchgeführt, indem das gleiche Stützelement wie jenes des Füllvorgangs für den Silikonkautschuk 6 verwendet wird. Darüberhinaus wird ein wärmebeständiges Klebemittel 7 in pastenförmigem Zustand verwendet, an dem zuvor die Vakuumentschäumungsbehandlung durchgeführt wurde. Was das wärmebeständige Klebemittel 7 betrifft, wird ein anorganisches Material verwendet, das hauptsächlich aus Silika und Tonerde besteht und eine Wärmebeständigkeitstemperatur von 1600ºC aufweist, oder ein wärmebeständiges organisches Material, das hauptsächlich aus Polyimidharz besteht und eine Wärmebeständigkeitstemperatur von 500ºC aufweist. Der Härtungsvorgang für das Klebemittel 7 wird durchgeführt, indem bei Verwendung des anorganischen Klebemittels dieses nach einem zwölfstündigen Vorhärtungsvorgang bei Raumtemperatur 2 Stunden lang bei 100ºC und dann 4 Stunden lang bei 80ºC erwärmt wird oder das wärmebeständige organische Klebemittel nach einem 30minütigen Vorhärtungsvorgang bei 100ºC 2 Stunden lang bei 180ºC und dann 30 Minuten lang bei 120ºC erwärmt wird.
Fig. 2d ist eine schematische Ansicht, die einen Schritt zur Glasversiegelung der Endabschnitte nach dem Schritt des Füllens mit wärmebeständigem Klebemittel zeigt. Zuerst wird das zylindrische Element 4 aus Kovar gebildet, das einen äußeren Abschnitt mit dem gleichen Verjüngungswinkel von 5º wie der innere Abschnitt der weithalsigen Abschnitte 2-2 und 2-3 des Isolators 1, und einen unteren Abschnitt mit einem Einführlochs für den Lichtleiter 3 umfaßt, auf den zuvor das Glas 5 aufgetragen wurde. Bezogen auf das so gebildete zylindrische Element 4 wird zum Entfetten gewaschen, und dann wird die Oberfläche gewaschen, indem eine Säure wie FeCl&sub3;-Lösung verwendet wird. Weiters wird eine Oxidationsbehandlung durchgeführt, um die Benetzbarkeit mit dem Glas 5 zu verbessern und um die Klebereaktion auf der Glasschmelze zu vervollständigen. Die Oxidationsbehandlung wird bei atmosphärischem Druck 20 Stunden lang bei 800ºC durchgeführt. Das Glas 5 wird bis zu einer Dicke von etwa 1mm auf den äußeren Abschnitt des zylindrischen Elements 4 aus Kovar gesprüht. Danach wird das so besprühte zylindrische Element 4 30 Minuten lang bei 80ºC getrocknet und 1 Stunde lang unter Verwendung eines Elektroofens bei 320ºC kalziniert. Dann wird das zylindrische Element 3, auf dem durch den Kalzinierungsvorgang das Glas 5 klebt, in den weithalsigen Abschnitt 2-3 des Durchgangslochs 2 des Isolators eingesetzt. Darüberhinaus wird, was das Glas 5 betrifft, Bleiboratglas mit einem niedrigen Wärmedehnungskoeffizienten und einem niedrigen Schmelzpunkt verwendet. Weiters wird in das zylindrische Element 4 ein kalziniertes Glaselement 5-1 mit einer Länge von 35 mm, einem Außendurchmesser, der im wesentlichen einem Innendurchmesser des zylindrischen Elements 4 gleich ist, und einem Durchgangsloch für den Lichtleiter 3 in das zylindrische Element 4 eingesetzt.
Das kalzinierte Glaselement 5-1 wird gebildet, indem eine geringe Menge eines organischen Bindemittels wie Methylzellulose und Wasser mit dem Bleiboratglas gemischt wird, das gemischte Glas gepreßt, eine Außenfläche des gepreßten Körpers und ein Durchgangsloch für den Lichtleiter bearbeitet und der bearbeitete Körper nach dem Erhöhen der Temperatur mit einer Erwärmungsrate von 50ºC/h eine Stunde lang bei 320ºC erwärmt wird. Dann wird eine Spule 10 mit siehen Windungen, die aus Kupfer besteht, um die Außenfläche des Isolators 1 herum angeordnet, und von einem Hochfrequenzinduktionsspannungsgenerator wird an die Spule 10 eine Hochfrequenzspannung angelegt. Durch Anlegen der Hochfrequenzspannung an die Spule 10 wird im zylindrischen Element 4 aus Kovar ein Hochfrequenzinduktionsstrom erzeugt, und so erwärmt sich das zylindrische Element 4 selbst. In diesem Fall wird eine Bedingung für die/den angelegte(n) Hochfrequenzspannung und -strom so festgelegt, daß eine Temperatur des zylindrischen Elements 4 500ºC erreicht.
Als Ergebnis erreicht eine Temperatur des zylindrischen Elements 4 etwa 20 Minuten nach dem Beginn des Anlegens der Hochfrequenzspannung 500ºC. Dann wird das zylindrische Element 4 in dem Zustand, daß eine Belastung von 20 kg auf eine Oberfläche des zylindrischen Elements 4 ausgeübt wird, etwa 10 Minuten lang bei 500ºC gehalten, um einen Raum zwischen einer Außenfläche des zylindrischen Elements 4 und dem weithalsigen Abschnitt 2-3 mit einem geschmolzenen Glas 5 luftdicht abzudichten und um auch das im zylindrischen Element 4 angeordnete kalzinierte Glaselement 5-1 zu schmelzen. Danach wird Luftkühlung durchgeführt.
Fig. 2e ist eine schematische Ansicht, die einen Schritt des Schützens des Lichtleiters an den Endabschnitten des Isolators zeigt, was zum Schritt des Abdichtens mit Glas führt. Um den Deckabschnitt 3-2 des Lichtleiters 3 zu schützen, der aus dem Glasabdichtabschnitt im weithalsigen Abschnitt 2-3 des Isolators 1 vorragt, wird um den vorspringenden Lichtleiter 3 herum im weithalsigen Abschnitt 2-3 vakuumentschäumter Silikonkautschuk 6 eingefüllt und gehärtet, indem er 1 Stunde lang auf 80ºC erwärmt wird.
In einer Abfolge der obengenannten Bearbeitungsschritte werden zuerst der Abdichtschritt und der Schutzschritt des Deckabschnitts an einem Endabschnitt des Isolators durchgeführt, und dann werden, nachdem der Isolator 1 umgedreht wurde, die gleichen Schritte am anderen Endabschnitt des Isolators durchgeführt.
In diesem Fall werden, für den Fall, daß ein Isoliergas wie SF&sub6; oder ein Isoliermaterial wie Isolierfett oder -öl als das mittlere Füllelement im Isolator verwendet wird, der Abdichtschritt für den Endabschnitt und der Schutzschritt für den Deckabschnitt auf die gleiche Art durchgeführt wie bei den obengenannten Schritten. In diesem Fall wird jedoch, nachdem der Abdichtschritt und der Schutzschritt bezogen auf einen Endabschnitt des Isolators durchgeführt wurden, der Isolator mit Lichtleiter hergestellt, indem der Isolator umgedreht wird, das Isoliergas oder -material eingefüllt wird und der Abdichtschritt und der Schutzschritt bezogen auf den anderen Endabschnitt durchgeführt werden.
Danach wird unter Verwendung eines Klebstoffs ein Flanschmetallelement auf die gleiche Art an einen äußeren Endabschntit des Isolators geklebt, wie beim bekannten Isolator, und schließlich wird der Isolator mit Lichtleiter erhalten.
Nachstehend wird eine tatsächliche Ausführungsform für den Fall erklärt, daß Silikonkautschuk als das Füllmaterial verwendet wird.

Ausführungsform

Isolatoren mit Lichtleiter wurden nach den in Fig. 2a bis 2e gezeigten Herstellungsschritten hergestellt, indem zwei Arten Isolatoren 1 und zwei Arten Dichtungsgläser 5 verwendet wurden, die beide in Tabelle 1 gezeigte Eigenschaften aufwiesen, wobei der aus dem Deckabschnitt 3-2 bestehende Lichtleiter 3 und der Silikonkautschuk 6 beide in Tabelle 2 gezeigte Eigenschaften aufwiesen, die zylindrischen Elemente 4 aus den in Tabelle 3 gezeigten Materialien und die wärmebeständigen Klebemittel in Tabelle 4 gezeigte Eigenschaften haben.
Bezogen auf die obengenannten Isolatoren mit Lichtleiter wurden einige von verschiedenen in Tabelle 5 gezeigten Tests nach den in Tabelle 5 gezeigten Testbedingungen durchgeführt. Darüberhinaus wurden als Vergleichsbeispiele Isolatoren mit Lichtleiter einer herkömmlichen Konstruktion verwendet, bei der der Silikonkautschuk 6 in das ganze Durchgangsloch 2 des Isolators 1 eingefüllt war, oder mit einer herkömmlichen Konstruktion, bei der die Abdichtung nur durch das Glas 5 in den weithalsigen Abschnitten 2-2, 2-3 des Durchgangslochs 2 durchgeführt wurde. Zu testende Materialkombinationen werden in Tabelle 6 gezeigt. Tabelle 1 Isolator Glas Wärmedehnungskoeffizient (x10&supmin;&sup7;/ºC) Schmelztemperatur (ºC) Hauptzusammensetzung Tabelle 2 Deckabschnitt des Lichtleiters Silikonkautschuk Zugfestigkeit (kg/cm²) Bruchdehnung (%) Härte Material (Shore D) UV-gehärtetes Polyurethanacrylatharz Silikonlautschuk vom Additionsrektionstyp Tabelle 3 Kovar 42Ni-Legierung Wärmedehnungskoeffizient (x10&supmin;&sup7;/ºC) spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur (uΩ cm) Bruchdehnungsfestigkeit (kg/cm²) Material 29%Ni, 17%Co, Rest Fe Tabelle 4 anorganisches Klebemittel wärmebeständiges organisches Klebemittel Wärmebeständigkeitstemperatur (ºC) Haftfestigkeit (kg/cm²) Wärmedehnungskoeffizient (x10&supmin;&sup7;/ºC) Hauptzusammensetzung Polyimid vom Additionsreaktionstyp Tabelle 5 Tests Testbedingungen Wärmeschocktest Wärmebeständigkeitstest Wärmezyklustest Test mit langfristigem Anlegen von Spannung Temperaturdifferenz: 90ºC (warmes Wasser 90ºC kaltes Wasser 0ºC) Eintauchzeit : 30 Minuten Häufigkeit des Eintauchens: 5 Zyklen Erwärmungstemperatur : 60 160ºC (2nºC Intervall) Konstanttemperaturzeit : 3 Stunden Erwärmungsrate : 100ºC/h Temperaturdifferenz : 110ºC warm 90ºC, kalt -20ºC) Anzahl der Zyklen : 3000 Zyklen angelegte Spannung: 46,5 kV (Gleichstrom) (Spannung an freier Luft angelegt) Tabelle 6 Material Probe Nr. Isolator zylindrisches Element Glas Silikonkautschuk wärmebeständiges anorganisches Klebemittel Anmerkungen Kovar 42Ni-Legierung keine eingefüllt vorliegende Erfindung Vergleich
Die verschiedenen in Tabelle 5 gezeigten Tests wurden durchgeführt, um die langfristigen Eigenschaften des Abdichtabschnitts des Isolators mit Lichtleiter zu untersuchen. Was den Wärmeschocktest betrifft, wurde ein Fluoreszenzeindringtest bezogen auf die Isolatoren der Probe Nr. 1 bis 8 mit der Glasabdichtungskonstruktion durchgeführt, um zu bestimmen, ob Risse entstanden waren oder nicht. Darüberhinaus wurde bei den herkömmlichen Isolatoren der Proben Nr. 9 und 10 mit der Silikonkautschukdichtungskonstruktion ermittelt, ob der Silikonkautschuk aus dem Abdichtendabschnitt vorragt oder nicht und ob Risse im Silikonkautschuk entstanden waren oder nicht. Beim Wärmebeständigkeitstest wurde ermittelt, ob ein Lichtübertragungsverlust vor und nach dem Wärmebeständigkeitstest vorliegt oder nicht, ob Risse im Abdichtabschnitt oder im Isolator entstanden waren oder nicht und ob der Silikonkautschuk vorragte oder nicht.
Darüberhinaus wurde im Wärmezyklustest ein Zustand der Beeinträchtigung des Abdichtabschnitts aufgrund einer langfristigen Temperaturbelastung ermittelt. Bei den Isolatoren der Proben Nr. 1-8 mit der Glasabdichtkonstruktion wurde ermittelt, ob Risse entstanden waren oder nicht, und bei den Isolatoren der Proben Nr. 9 und 10 wurde ermittelt, ob Risse im Silikonkautschuk entstanden waren oder nicht. Was den Test für langfristiges Anlegen von Spannung betrifft, wurde ermittelt, ob es nach dem Vorgang des langfristigen Anlegens von Spannung zu einer Kriechwegbildung im Isolator mit Lichtleiter gekommen war, indem der Isolator in Stücke geschnitten wurde.
Die Testergebnisse werden in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7 Tests Probe Nr. Wärmeschocktest Beständigkeit gegen Rißbildung nach Wärmebeständigkeitstest (ºC) Beständigkeit gegen Rißbildung nach Wärmebeständigkeitstest (Zyklen) Beständigkeit gegen Rißbildung nach Test für Anlegen von Spännung (Tage) vorliegende Erfindung Vergleich
Die in Tabelle 7 gezeigten Markierungen haben die folgende Bedeutung. Für den Wärmeschocktest, den Wärmebeständigkeitstest und den Wärmezyklustest wurden jeweils 10 Isolatoren mit Lichtleiter für eine Probe verwendet. Darüberhinaus wurde für den Wärmeschocktest und den Wärmezyklustest die gleiche Probe wiederholt auf jeweiligen Testebenen verwendet.
Bei den obengenannten Testpunkten zeigt eine Markierung , daß alle 10 Proben keine Risse aufweisen, eine Markierung Δ zeigt, daß nur eine Probe Risse aufweist und die anderen neun Proben keine Risse aufweisen, und eine Markierung x zeigt, daß mehr als zwei Proben Risse aufweisen und die anderen Proben keine Risse aufweisen.
Darüberhinaus wurden, was den Test für das langfristige Anlegen von Spannung betrifft, auf jeweiligen Testebenen fünf Isolatoren mit Lichtleitern verwendet. In diesem Fall zeigt eine Markierung , daß alle fünf Proben keine Kriechwegbildungen darin aufweisen, eine Markierung Δ zeigt, daß eine Probe Kriechwegbildung darin aufweist und die anderen vier Proben keine Kriechwegbildung darin aufweisen, und eine Markierung x zeigt, daß mehr als zwei Proben Kriechwegbildung darin aufweisen und die anderen Proben keine Kriechwegbildung darin aufweisen.
Als Ergebnis wird beim Wärmeschocktest bestätigt, daß alle Proben keine Risse aufweisen. Es wird vorgeschlagen, die Wärmedehnungskoeffizienten der zu testenden Materialien auf geeignete Art auszuwählen.
Darüberhinaus wird beim Wärmebeständigkeitstest bestätigt, daß alle Proben Nr. 1 bis 8 mit Glasabdichtungskonstruktion bis zu einer Temperatur von 160ºC keine Fehler aufweisen und daher gute Eigenschaften haben. Im Gegensatz dazu wird bestätigt, daß bei den Proben Nr. 9 und 10 mit der Silikonkautschukdichtungskonstruktion bei einer Temperatur von mehr als 120ºC ein Vorsprung aus dem Silikonkautschuk entsteht. Es wird vermutet, daß, da der Wärmedehnungskoeffizient des Silikonkautschuks etwa dreißigmal größer ist als jener des Porzellans, der Silikonkautschuk bei einer hohen Temperatur stark ausgedehnt wird und so aufgrund einer hohen Belastungskonzentration, die größer ist als die dem Silikonkautschuk eigene Zugfestigkeit, ein Vorsprung aus dem Silikonkautschuk entsteht. Bei einem in Umspannwerken usw. verwendeten Isolator steigt die Temperatur des Isolators aufgrund der Wärmeabsorption im Sommer auf über 80ºC, und so wird angenommen, daß der die Silikonkautschukabdichtungskonstruktion aufweisende Isolator mit Lichtleiter ungeeignet ist, was die Langzeiteigenschaften betrifft.
Beim Wärmezyklustest zeigen die Proben Nr. 1 bis 8 mit Glasabdichtungskonstruktion bis zu 3000 Zyklen keine Fehler und weisen somit gute Eigenschaften auf. Im Gegensatz dazu enstehen bei den Proben Nr. 9 und 10 mit Silikonkautschukabdichtungskonstruktion über 2000 Zyklen Risse im Silikonkautschuk.
Darüberhinaus wird bei einem Teil der Proben zwischen dem Silikonkautschuk und dem Deckabschnitt des Lichtleiters und zwischen dem Silikonkautschuk und dem inneren Durchgangsloch der Isolatorgrenze des Silikonkautschuks Abblättern festgestellt. Aus dem Ergebnis einer Schnittuntersuchung nach der Durchführung des Wärmezyklustests mit 3000 Zyklen bezogen auf die Proben Nr. 1 bis 6 mit Glasabdichtungskonstruktion, bei denen der Silikonkautschuk eingefüllt ist, sind die Risse im Silikonkautschuk oder das Abblättern zwischen dem Silikonkautschuk und dem Deckabschnitt des Lichtleiters überhaupt nicht zu erkennen, und so wird angenommen, daß Beeinträchtigungen durch Abblättern von einem Wasserbestandteil abhängen. Das heißt, bei den Proben Nr. 9 und 10 wird, da der Wärmezyklustest unter einer solchen Bedingung durchgeführt wird, daß der Isolator dem Wasserbestandteil direkt ausgesetzt ist, angenommen, daß die Beeinträchtigungen aufgrund des Vorhandenseins eines Wasserbestandteils fortschreiten.
Als Ergebnis des Tests für langfristiges Anlegen von Spannung weisen die Proben Nr. 1 bis 6 mit Glasabdichtungskonstruktion, bei denen der Silikonkautschuk eingefüllt ist, auch nach der Durchführung des Tests für langfristiges Anlegen von Spannung mit einer Dauer von 500 Tagen keine Spur von Kriechwegbildung auf. Im Gegensatz dazu kommt es bei den Proben Nr. 7 und 8 mit Glasabdichtungskonstruktion, bei denen ein freier Abschnitt angeordnet ist, auch nach der Durchführung des Tests für langfristiges Anlegen von Spannung über einen Zeitraum von 300 Tagen zu teilweiser Kriechwegbildung. Darüberhinaus wird bei den Proben Nr. 9 und 10 mit Silikonkautschukabdichtungskonstruktion bestätigt, daß die Kriechwegbildung sich allmähnlich vom Abdichtungsendabschnitt zum inneren Abschnitt ausdehnt. In den Proben Nr. 7 und 8 wird angenommen, daß die Kriechwegbildung aufgrund des Wasserbestandteils allmählich von nahe dem Endabschnitt erzeugt wird und beim Abdichtvorgang ein Fleck usw. auf dem inneren freien Abschnitt verblieb.
Wie aus den obengenannten Testergebnissen zu erkennen ist, ist die Glasabdichtungkonstruktion, was die Langzeiteigenschaften betrifft, besser als die Silikonkautschukdichtungskonstruktion, aber für den Fall, daß der innere freie Abschnitt verbleibt, besteht bei langfristigem Anlegen von Spannung die Gefahr der Kriechwegbildung. Daher ist der erfindungsgemäße Isolator mit Lichtleiter mit der Glasabdichtungskonstruktion an beiden Endabschnitten seines Durchgangslochs, bei dem der Silikonkautschuk in den mittleren Abschnitt des Durchgangslochs gefüllt ist und das wärmebeständige anorganische Klebemittel zwischen dem Silikonkautschuk und dem zylindrischen Element in das Durchgangsloch eingefüllt ist, wirksam, um die Vorteile der Glasabdichtungskonstruktion zu verbessern.
Es sollte angemerkt werden, daß mit dem Isolator mit Lichtleiter, bei dem anstelle des obengenannten Silikonkautschuks Urethankautschuk, Silikonöl, Silkonfett oder SF&sub6;-Gas in das Durchgangsloch gefüllt ist, im wesentlichen die gleichen Eigenschaften erzielt werden können.
Wie aus obigem zu erkennen ist, ist es, da der Isolator mit Lichtleiter die Vorteile hat, daß die anorganische Abdichtungskonstruktion und die organische Abdichtungskonstruktion an seinen beiden Endabschnitten in einem Induktionserwärmungsvorgang durchgeführt werden können, gemäß dem obengenannten Isolator mit Lichtleiter und Herstellungsverfahren dafür möglich, in einem einfachen Herstellungsverfahren einen verläßlichen Isolator mit Lichtleiter zu erhalten.

Claims

1. Elektrischer Isolator mit Lichtleitfaser, der einen länglichen Isolatorkörper (1), entlang dessen Mittelachse ein Durchgangsloch (2) vorgesenen ist, und eine Lichtleitfaser (3) entrält, die sich das genannte Durchgangsloch (2) entlang erstreckt, worin ein Isoliergas oder ein organisches Isoliermaterial (6) einen mittleren Abschnitt (2-1) des genannten Durchgangslochs (2) füllt, dadurch gekennzeichnet, daß er

im genannten Isolatorkörper (1) weithalsige Abschnitte (2-2), die an beiden Endabschnitten des genannten Durchgangslochs (2) angeordnet sind;

leitfähige hohle zylindrische Elemente (4), die in die genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) eingesetzt sind und Außenflächen aufweisen, die den Innenflächen der genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) entsprechen, wobei die Räume zwischen dem Lichtleitfaser (3) und den genannten zylindrischen Elementen (4) und die Räume zwischen den Außenflächen der genannten zylindrischen Elemente (4) und die Innenflächen der genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) durch ein anorganisches Material (5) abgedichtet sind; und

wärmebeständiges Klebematerial (7), das im genannten Durchgangsloch (2) zwischen dem genannten Isoliergas oder organischen Isoliermaterial (6) und den genannten zylindrischen Elementen (4) angeordnet ist, umfaßt.

2. Isolator mit Lichtleitfaser nach Anspruch 1, worin die genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) eine sich verjüngende Gestalt aufweisen.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators mit Lichtleitfaser nach Anspruch 1, das folgende Schritte umfaßt:

(a) das Einsetzen einer Lichtleitfaser (3) entlang einem Durchgangsloch (2), das entlang der Mittelachse eines länglichen Isolatorkörpers (1) vorgesehen ist, bei dem beide Endabschnitte des genannten Durchgangslochs (2) weithalsige Abschnitte (2-2) aufweisen;

(b) das Einfüllen eines Isoliergases oder organischen Isoliermaterials (6) in einen mittleren Abschnitt des genannten Durchgangslochs (2), gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

(c) das Anordnen von wärmebeständigem Klebematerial (7) im genannten Durchgangsloch (2) zwischen dem genannten mittleren Abschnitt, der aus dem genannten Isoliergas oder organischen Isoliermaterial (6) besteht, und den genannten weithalsigen Abschnitten (2-2),

(d) das Einfügen leitfähiger hohler Zylinderelemente (4) mit Außenflächen, die den Innenflächen der genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) entsprechen, in die genannten weithalsigen Abschnitte (2-2), wobei die genannten Außenflächen mit einem anorganischen Glas (5) beschichtet sind,

(e) das Einfügen von anorganischen Glaselementen (5-1) in die genannten leitfähigen Zylinderelemente (4) um die Lichtleitfaser (3) herum, und

(f) das Schmelzen des genannten anorganischen Glases (5), das zwischen den Innenflächen der genannten weithalsigen Abschnitte (2-2) und den Außenflächen der genannten zylindrischen Elemente (4) angeordnet ist, und der genannten anorganischen Glaselemente (5-1), die im genannten Zylinderelement (4) angeordnet sind, durch die der genannte Lichtleitfaser (3) angeordnet ist, durch Erwärmen der genannten leitfähigen Zylinderelemente (4) durch ein Hochfrequenzinduktionserwärmungsverfahren, um Enddichtungskonstruktionen zu bilden.