DE969089C - Selbstreinigender Freilufthochspannungsisolator - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 30. APRIL 1958

C 4570 VIII dj21 c

Gegenstand der Erfindung ist ein selbstreinigender Freilufthochspannungsisolator mit senkrechter (oder nahezu senkrechter) Achse und einer größeren Anzahl von scheibenartig oder wendelförmig angeordneten Schirmen, die sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite vom Regen abgewaschen werden.

Bei den bekannten senkrechten Hochspannungsisolatoren werden mit Hilfe von Schinnen, die als Regendächer und eventuell auch als Schutzschirme gegen das Eindringen von Nebel- und Tautröpfchen dienen, Trockenzonen auf der Oberfläche geschaffen, die den Hauptteil der Spannung tragen.

Bei den selbstreinigenden Hochspannungsisolatoren bespült nun das Regenwasser die Isolatoroberfläche an allen Stellen, und der Wasserfluß wird bei einer größeren Anzahl von Schirmen und senkrecht hängenden Isolatoren nach unten immer stärker, und damit nimmt auch der Wasserfilm auf den unteren Teil des Isolators an Stärke zu. Ohne besondere Maßnahmen würde sich also das herabfließende Regenwasser an den unteren Teilen des Isolators zunehmend anstauen, dadurch zu hohen Strömen Anlaß geben und die Entstehung von »Unterbrechungsstellen«, verursacht durch dasVerdampfen der Wasserhaut infolge der Stromwärme, verhindern. An den vorspringenden Teilen des Kriechweges würden sich örtliche Wasseransammlungen (in Form von Wassersäcken, angestauten oder hängenden Wasserringen) bilden, die die Quelle starker senkrechter Wasserbahnen sind und zum »Durchzünden« von Überschlägen schon bei verhältnismäßig niedrigen Spannungen führen.

Eine solche unbrauchbare Verteilung des Regenwassers wird bei den bekannten Schirmisolatoren zum größten Teil durch das Abtropfen des herab-

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fließenden Wassers von den Schirmrändern bei verhältnismäßig großen Schirmabständen vermieden An Hand der Zeichnungen wird dieser Vorgang näher erläutert.
In der Fig. ι a ist der bekannte Isolator mit Regenschutzschirmen dargestellt. Ihm ist in der Fig. ib ein selbstreinigender Isolator mit Tellern und zusammenhängender Benetzung durch Regen gegenübergestellt. Die Verteilung des elektrischen ίο Feldes ist durch Äquipotentiallinien (die Schnittlinien der Äquipotentialflächen mit der Zeichenebene) angegeben. Beim Isolator mit Regenschutzschirmen (Fig. ι a) wirken die zum wesentlichen Teil auf die Schirmoberseiten beschränkten Regenwasserhäute W ähnlich wie Äquipotentialflächen, d. h., sie drängen das elektrische Feld auf die »Trokkenzonen« unter den Schirmen, wodurch besonders an den Rändern der Schirme erhöhte Feldstärken hervorgerufen werden. Dadurch werden die an den Schirmrändern hängenden Wassertropfen nach außen in der Feldrichtung abgestoßen, in die Länge gezogen und zerteilt. Die schon durch die Formgebung der Schirme erreichte Abführung des Wassers wird dadurch wirksam unterstützt. Dagegen wirkt beim »selbstreinigenden« Isolator nach Fig. ib, bei dem das Regenwasser auch über die Unterseite der Teller zum Schaft fließt, die zusammenhängende Regenwasserhaut W wie ein spannungsteilender Widerstand (Potentiometer), der eine verhältnismäßig gleichmäßige Spannungsverteilung hervorbringt. An den Tellerrändern treten daher keine erhöhten Feldstärken auf, und das Wasser wird nicht abgestoßen. Da in diesem Fall das Regenwasser also nicht abtropft und nach außen abgestoßen wird, sondern am Isolator herabfließt, wird nach unten zu die Stärke des Wasserfilmes immer größer.

Aufgabe der Erfindung ist es also, die Verstärkung des Wasserflusses nach unten am Isolator zu verhindern und trotz Fehlens einer wasserabweisenden Schirmform einen gleichmäßig geringen Wasserfilm auch auf dem unteren Isolatorteil zu erreichen. Die Erfindung besteht darin, daß allein durch Aufbringen von halbleitenden oder dielektrisch hochleitenden Stoffüberzügen auf die Schirmoberfläche in Querzonen, deren untere Ränder an den äußeren Schirmrändern liegen, eine Feldverdichtung mit wasserabstoßender und -zersprühender Wirkung an den Schirmrändern erzeugt wird, so daß die Schichtdicke des am Isolator entlang strömenden Wassers über die ganze Isolatorfläche gleichmäßig gering bleibt.

Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, eine Feldverdichtung an den Rändern der beiderseitig benetzten Teller und dadurch eine abstoßende und zersprühende Wirkung auf das herabfließende Wasser allein durch die Verwendung von elektrisch halbleitenden oder dielektrisch hochleitenden Stoffen hervorzubringen.

Es ist bekannt, daß eine wasserabstoßende Wirkung an metallenen Regenschutzdächern oder an scharfen Kanten der Rippen keramischer Isolatoren eintritt, mit denen man Freiluftisolatoren ausgerüstet hat. So ist auch ein im Freien verwendbarer Gasreinigungsisolator bekannt, bei dem der Feuchtigkeitsniederschlag auf der Isolatoroberfläche entfernt oder die den Isolator umgebende Luft von Feuchtigkeit befreit werden soll. Das geschieht bei diesem Isolator durch eine scharfkantige Ausbildung des Randes der als Schirme anzusprechenden Rippen des Isolators oder durch Anwendung besonderer Sprühelektroden am Isolator und von den zu behandelnden Luftraum außen umgebenden Gegenelektroden. Bei diesem bekannten Isolator können die scharfen Kanten in Form von besonderen Überzügen aus nichtleitendem Material erhalten werden. Bei dem bekannten Isolator ist jedoch das Problem, wie es im vorliegenden Fall bei selbstreinigenden Isolatoren mit einer größeren Anzahl von Schirmen in Erscheinung tritt, nicht in Erwägung gezogen, noch sind die Mittel benutzt, durch die gemäß der Erfindung die Lösung der gestellten Aufgabe beim Erfindungsgegenstand erfolgt.

Es ist also die Erzeugung einer Feldverteilung mit den angegebenen Mitteln bei zusammenhängend regenbenetzten, sogenannten selbstreinigenden Isolatoren zu dem Zweck, dem Wasserabfluß trotz Fehlens wasserabwerfender Schirmformen auf die ganze Länge des Isolators eine gleichmäßig geringe Stärke zu verleihen, neu.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der dargestellte Stützer ist mit fünfzehn kräftigen Tellern T ausgerüstet, deren Oberseiten einen kleineren Neigungswinkel α besitzen als die Unterseiten, deren Neigungswinkel mit β bezeichnet ist. Die durch Schummerung in der Fig. 2 hervorgehobenen Querzonen Z der Oberfläche besitzen eine erhöhte Leitfähigkeit, die aber das Feld des trockenen Isolators und somit die Trockenüberschlagspannung nur unwesentlich beeinflußt. Erst wenn sich unter Regen die Isolatoroberfläche mit einer zusammenhängenden Regenwasserhaut überzieht, die die besser leitenden Querzonen Z leitend miteinander und mit den Elektroden verbindet, verzerrt sich die Spannungsverteilung stark. An den unteren Rändern R der Zonen Z und somit an den Tellerrändern entsteht eine bedeutende Erhöhung der Feldstärke und eine nach außen gerichtete Feldkomponente, ähnlich wie in Fig. 1 a. Die auf das Wasser am Tellerrand zusammenballend wirkenden no elektrischen Molekularkräfte der Oberflächenspannung und der Kohäsion, die für sich allein ein Anstauen des Regenwassers an den Tellerrändern hervorrufen würden, werden nun durch die stärkere Kraft des äußeren elektrischen Feldes übertroffen. Wenn die Leitfähigkeit der Querzonen Z so gewählt ist, daß der größte Teil des herabrinnenden Wassers nach außen abgestoßen wird, dann ist eine störende Zunahme der Regenwassermenge nach dem unteren Ende des Isolators zu vermieden. Es können auch keine örtlichen Wasseransammlungen und herabrinnenden stärkeren Wasserbahnen entstehen. Weil bei diesem Isolator die Gefahr der Überbrückung des Kriechweges zwischen je zwei Tellern durch Hängetropfen nicht besteht, ist es möglich, die Teller dichter untereinander anzuord-

nen, als es bei Regenschutzschirmen mit Tropfkanten möglich ist.

Das Unterbrechen des Oberflächenstromflusses geht so vor sich, daß die Wasserhaut an den Stellen intensivster Wärmeentwicklung, also im vorliegenden Fall an allen Schaftstellen, die zwischen je zwei Tellern liegen, infolge der Verdampfung durch die Stromwärme aufreißt. Dort bilden sich gleichzeitig von oben bis unten viele kurze, über die Wasserhaut

ίο in Reihe geschaltete Glimmentladungen bzw. Entladungen mit glimmenden Fußpunkten, die ansteigende Stromspannungskennlinie haben und infolge ihres hohen Spannungsverbrauches den Strom abdrosseln.

Von wesentlicher Bedeutung ist nun, daß die angewendeten Überzüge nicht durch ihre Leitfähigkeit die Umbildung der glimmenden Fußpunkte der Unterbrechungsentladungen in stromdichte, thermisch ionisierte Brennflecke begünstigen dürfen, wie das der Fall wäre, wenn man etwa frei liegende Metallüberzüge verwenden würde. Der Stoff für die Überzüge muß daher erfindungsgemäß so gewählt sein, daß die Fußpunkte der Entladungen glimmend bleiben, indem die Überzüge den Stromfluß auf eine größere Fläche verteilen, so daß an den Fußpunkten eine kleine Stromdichte herrscht. Zu diesem Zweck sollen erfindungsgemäß halbleitende oder bloß dielektrisch leitende Überzüge verwendet werden. Durch halbleitende Überzüge wird auch das Feld am Rand gleichmäßiger verteilt, so daß die Bildung stromdichter Entladungen erschwert ist. Es sind halbleitende Überzüge bekannt, die dadurch hergestellt werden, daß einer keramischen Glasurmasse zwei oder drei Metalloxyde, z.B. NiO, ZnO, Fe₂O₃, Cr₂O₃, in bestimmten Verhältnissen zugesetzt werden. Diese metalloxydhaltige Glasur wird in der üblichen Art, z. B. durch Tauchen oder Aufspritzen, auf den Porzellankörpet aufgebracht und in einer reduzierenden Atmosphäre (z. B. Was-

♦o serstofr) gebrannt. Die Leitfähigkeit solcher Glasuren kann in weitem Bereich durch die anteilmäßige Zusammensetzung, die Stärke der Glasur oder den Grad der Reduktion während der Brenn- und Abkühlzeit verändert werden, wodurch sie für die Ausführung der Erfindung brauchbar sind. Man hat aber bisher versucht, die ganze Isolatoroberfläche mit solchen Halbleiterglasuren sogleichmäßig zu überziehen, daß sie eine gleichförmige Feldverteilung und ein gleichzeitiges Abtrocknen des ganzen Flüssigkeitsfilms hervorbringen. Die Herstellung der Glasur mit überall genau gleichem spezifischem Oberflächenwiderstand und die Kontaktherstellung zwischen Glasur und den Kappen des Isolators macht aber Schwierigkeiten. Außerdem fließt im Falle einer halbleitenden Vollglasur ein dauernder Verluststrom auch über den trockenen Isolator.

Solche Schwierigkeiten entstehen bei der Anwendung der Glasur zur Ausführung der Erfindung nicht. Man braucht an die Gleichmäßigkeit des spezinschen Oberflächenwiderstandes keine so großen Anforderungen zu stellen wie im Falle der Vollglasur, weil es ja auf die Erzielung eines Sprunges der Leitfähigkeit am Rande ankommt, der auch mit minder gleichmäßigen Glasuren hervorgebracht werden kann. Das Problem der Herstellung eines guten Kontaktes mit den Kappen des Isolators ist für den Erfindungsgegenstand nicht wesentlich. Die halbleitenden Querzonen werden bei der bisher besprochenen Ausführungsform: der Erfindung (Fig. 2) erst durch Oberflächenwasserhäute, also im Bedarfsfall, eingeschaltet. Ihre Leitfähigkeit kann daher freier gewählt, d. h. ohne unzulässige Erhöhung des dauernd fließenden Verluststromes so groß bemessen werden, wie es ihre feldsteuernde Funktion verlangt.

Man kann als halbleitenden Überzug auch feingemahlenen Graphit verwenden, der entweder vor dem Glasieren und Scharfbrennen des Isolators auf die Zonen Z aufgetragen oder mit der Glasurmasse, eventuell unter Hinzufügung eines Bindemittels, gemischt wird, wie dies an sich bekannt ist. Überzüge sehr hoher Dielektrizitätskonstante erhält man durch Anwendung der Erdalkalititanate, z. B. als Beimischung zu keramischen Glasurmassen.

Auch mit halbleitenden Schichten unter einer isolierenden Glasur können die feldsteuernden Wirkungen gemäß der Erfindung hervorgebracht werden, ohne den Entladungsfußpunkten metallische Ansatzflächen darzubieten.

Nach der weiteren Erfindung können die halbleitenden oder dielektrisch leitenden Querzonen auf einen Isolator mit schraubenförmigen Tellerflächen aufgebracht werden, um das Regenwasser gleichzeitig auf zweierlei Art abzuführen, nämlich sowohl durch Abwerfen von den Tellerrändern als auch durch die Ableitung auf dem langen, schraubenförmigen »inneren« Weg längs des Schaftes. In diesem Falle hat die leitende Zone auch die Form einer Schraubenfläche. Fig. 3 zeigt dies in einem Ausführungsbeispiel. Eine schraubenförmige Tellerfläche T ist um den Isolatorschaft herumgeführt. Der Steigungswinkel der Schraube ist mit γ bezeichnet. Das Regenwasser fließt zum Teil auf dem schraubenförmigen Weg ab, dessen Mittellinie zwölfmal so lang ist, wie die mit einem gespannten Faden gemessene Schlagweite. Die leitende Zone Z hat die Form einer Schraubenfläche, die dauernden Kontakt mit den Kappen des Isolators hat. Sie hat daher außer ihrer wasserabschleudernden Funktion durch die hohe Randfeldstärke noch eine zweite Funktion: nämlich no die Vorheizung der Schaftzonen zwischen den Tellern zwecks Unterstützung der Vielfachunterbrechung der kürzesten (den senkrecht verlaufenden Mantellinien folgenden) Strompfade in der Wasserhaut an diesen Stellen.

Die Erfindung ist auf alle Arten vertikaler oder nahezu vertikaler Freilufthochspannungsisolatoren anwendbar, gleichgültig ob es sich um Stütz- oder Hängeisolatoren handelt.

Der selbstreinigende Freilufthochspannungsisolator nach der Erfindung hat gegenüber den bisherigen Freiluftisolatoren mit Schutzschirmen (gegen Regen und Verschmutzung) den Vorteil, daß er nacih längerer Betriebszeit in staub- oder salzhaltiger oder durch Rauch und industrielle Abgase verun reinigter Luft beim Eintreten von Tau, Nebel,

Sprühregen usw. eine verhältnismäßige hohe Überschlagsspannung beibehält. Der lange Kriechweg des Isolators bleibt nämlich an allen Stellen verhältnismäßig sauber und frei von Wasser Stauungen; das Feld bleibt daher regelrecht verteilt. Die geplante Abstufung des elektrischen Feldes im Falle von Niederschlägen ist durch die gleichförmige Formgebung (nämlich die gleichmäßige Verteilung möglichst vieler Teller auf den ganzen Kriechweg) und durch die Anordnung der Ouerzonen vor einer Störung durch lange, stärkere Fremdschichten und Wasserbahnen weitgehend gesichert. Somit bleibt eine vielstufige Unterbrechung des Oberflächenstromfiusses unter allen Umständen gesichert.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Selbstreinigender Freilufthochspannungsisolator mit senkrecht stehender Achse und einer größeren Anzahl von scheibenartig oder wendelförmig angeordneten Schirmen, die sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite vom Regen abgewaschen werden, dadurch gekennzeichnet, daß allein durch Aufbringen von halbleitenden oder dielektrisch hochleitenden Stoffüberzügen auf die Schirmoberfläche in Ouerzonen, deren untere Ränder an den äußeren Schirmrändern eine

   Feldverdichtung

   mit wasserabsto-

   liegen,

   ßender und -zersprühender Wirkung an den Schirmrändern erzeugt wird, so daß die Schichtdicke des am Isolator entlang strömenden Wassers über die ganze Isolatoroberfläche gleichmäßig gering bleibt.
2. 2. Isolator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Überzüge aus halbleitenden Oberflächenglasuren bestehen.
3. 3. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Überzüge Erdalkalititanate enthalten.
4. 4. Isolator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch halbleitende Schichten unter einer nichtleitenden Glasur.
5. 5. Isolator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei wendelförmig angeordneten Schirmflächen die Querzonen ebenfalls wendelförmig verlaufen.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 207357,316154,

   355248, 584628;

   britische Patentschriften Nr. 202539, 214170,

   577748; USA.-Patentschrift Nr. 2576723.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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