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2022 | Book

Silikon-Verbundisolatoren

Werkstoffe, Dimensionierung, Anwendungen

Authors: Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

Mit diesem Fachbuch wird eine umfassende und aktuelle Vorstellung von Verbundisolatoren mit dem speziellen Fokus auf Silikonelastomer als Mantelwerkstoff geliefert. Verbundisolatoren werden seit mehr als vierzig Jahren in verschiedenen Anwendungen der Energieübertragung und heute auch bis in die Höchstspannungsebenen erfolgreich eingesetzt. Der Stand der Technik für die Auswahl von Fertigungsverfahren und von Materialien wird erläutert und bewährte Regeln für die Dimensionierung der Isolatoren sowie deren Korona- und Lichtbogenschutzarmaturen werden vorgestellt. Auf Einzel- und Spezialanwendungen wird in den Kapiteln Langstab, Stützer, Kompaktleitungen, Phasenabstandshalter und Hohlisolatoren detailliert mit Betriebsbeispielen eingegangen. Bewährte Vorgehensweisen bei der Bewertung gebrauchter Isolatoren werden diskutiert. Eine Übersicht zu aktuellen Normen bzw. Prüfverfahren runden den Informationsgehalt ab. Die Themenauswahl und deren Darstellung ist durch das mehr als dreißigjährige Know-how der Autoren geprägt, die von einer langen Mitarbeit in IEC-Normungsgremien und in CIGRE-Arbeitsgruppen begleitet wurde. Die vorliegende zweite Auflage wurde nicht nur aktualisiert, sondern auch um die Kapitel Fremdschichtisoliervermögen von Polymerisolatoren und Trends erweitert. In letztgenanntem werden aktuelle Themen wie Interface-Verhalten von Verbundisolatoren, DC-Bewertung und -anwendung, Coatings sowie Superhydrophobie thematisiert und mit einem Outlook für die Freileitungstechnik abgeschlossen.

Table of Contents

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Neben den bisher üblichen Isolatoren herkömmlicher Bauart aus Porzellan und Glas, haben in den letzten Jahren Verbundisolatoren eine führende Bedeutung in der Isolierung von Freileitungen and anderen elektrischen Betriebsmitteln gefunden. In diesem Einleitungskapitel wird über die weltweiten Betriebserfahrungen mit Verbundisolatoren, sowie über deren Einsatz im Netz, sowie über die CIGRE- und IEC-Arbeit auf diesem Gebiet berichtet.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 2. Materialauswahl für Verbundisolatoren mit Silikongummimantel
Zusammenfassung
Das Kap. 2 mit Beiträgen von Fr. Dr.-Ing. Christiane Bär befasst sich mit den Materialien und den Halbzeugen von Verbundstabisolatoren und Verbundhohlisolatoren. Aufgrund des umfassenden Einsatzes wird auf den Mantelwerkstoff Silikongummi fokussiert. Der Isoliermantel von Freiluftisolatoren steht in enger Wechselwirkung mit der Umwelt, d. h. die Beständigkeit gegenüber Belastungsfaktoren wie Feuchtigkeit, Fremdschichten etc. bei simultaner Spannungsbelastung ist von zentraler Bedeutung für eine lange Lebensdauer der Isolierung. Ausgewählte betriebsrelevante Eigenschaften werden vorgestellt, die Beständigkeit gegen Erosion und Kriechspurbildung sowie das vom Silikongummi bekannte dynamische Hydrophobieverhalten stehen dabei im Mittelpunkt. Gegenüber der 1. Auflage wurde das Kapitel „Material und Herstellungsverfahren“ in zwei Kapitel aufgeteilt. Neben der Aktualisierung des Wissenstandes wurden in diesem Kapitel die Themen Thermoplast-Pultrusion, biogene Fremdschichten, Beeinflussung durch Vögel (u. a. das Phänomen des Bird Streamers) und Werkstoffmechanik neu aufgenommen. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE verwiesen.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 3. Herstellungsverfahren für Verbundisolatoren
Zusammenfassung
Das Kap. 3 mit Beiträgen von Fr. Dr.-Ing. Christiane Bär thematisiert die Verfahren zum Aufbringen der Armatur, die Herstellung des Isoliermantels sowie der Dichtung zwischen Armatur, Isoliermantel und Stab (bzw. Rohr). Wie im Kap. 2, steht der Mantelwerkstoff Silikongummi im Fokus und die komplexe Vielschichtigkeit der Thematik „Verbundisolator“ findet seine Fortsetzung in diesem Kapitel über Herstellungsverfahren. Mit der weiter steigenden Anwendung von Verbundisolatoren bis in die höchsten Spannungsbereiche wirken sich economy-of-scale-Effekte positiv auf die Kosten auf. Gleichzeit ist durch enge Tolerierung der Halbzeugeigenschaften und eine sichere Prozessautomatisierung für eine 24/7-Fertigung, sowie deren Überwachung bzw. Protokollierung, die Qualitätssicherung so einstellbar, dass hochwertige Produkte mit langer Lebensdauer hergestellt werden können. Gegenüber der 1. Auflage wurde das Thema Herstellungsverfahren in ein eigenständiges Kapitel überführt. Neben der Aktualisierung des Wissensstandes wurden die Themen Niederdruckformbefüllung mit Vakuumbehandlung des Silikonkautschuks, Weiterentwicklung des HTV-Spritzgießens, die Anwendung des ACIM-Verfahrens für Hohlisolatoren sowie das Entformungsverhalten von Silikongummi aufgenommen.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 4. Zur Auslegung von Verbundisolatoren aus Sicht des Koronaschutzes
Zusammenfassung
Im Kap. 4 wird die Vermeidung von Koronaentladungen bei Verbundisolatoren bzw. mit Verbundisolatoren zusammengestellten Ketten behandelt. Bisher gültige Normen für Isolatorenketten mit konventionellen Isolatoren sind insofern anwendbar, als das Auftreten von kontinuierlicher Korona an Kettenkomponenten oder der Isolatorarmatur direkt geprüft werden kann. Speziell ist für hydrophobe Verbundisolatoren das Phänomen der Wassertropfenkorona (aber auch für konventionelle Isolatoren mit einem Coating) zu berücksichtigen, welches von vielen Faktoren abhängt. Das Design des Verbundisolators, d. h. die Materialauswahl, die Stabilität des Dichtungssystems usw. und die auftretende Belastung am Einsatzort können diesbezüglich eine Rolle spielen. Der Grenzwert der Feldstärke auf der Isolierstoffoberfläche von 4,2 kV/cm kann als konservative Empfehlung gelten. Im Vergleich zur 1. Ausgabe wurden der Wissensstand aktualisiert und die Themen Experimentelle Bestimmung von Wassertropfenkorona an Isolatorketten sowie Beispiele für elektrische Feldberechnungen und daraus resultierende Laboraufbauten aufgenommen. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 5. Lichtbogenschutzarmaturen für Verbundlangstabisolatoren
Zusammenfassung
Während der im Kap. 4 behandelte Koronaschutz von Verbundisolatoren als essentielle Voraussetzung für eine hohe Lebensdauer gilt, hängt die Notwendigkeit für den Einsatz von Lichtbogenschutzarmaturen von anderen Faktoren ab. Dazu zählen die Netzparameter wie Kurzschlussstrom, Kurzschlussdauer und Kurzschlusshäufigkeit, sowie ist der prinzipielle Aufbau der Isolatorkette bedeutsam: Es ist in Kappen- und Langstabdesign zu unterscheiden, die ein unterschiedliches Verhalten gegenüber einem Lichtbogen haben und damit die Konzeption des Lichtbogenschutzes mitbestimmen. Verbundisolatoren gehören zum Langstabdesign mit dem Unterscheidungsmerkmal, dass sie im Gegensatz zu Porzellanlangstabisolatoren einteilig ohne Zwischenarmaturen auch für die höchsten Spannungsebenen hergestellt werden können. Damit sind viele Lichtbogenerfahrungen und Regeln von Porzellanlangstabisolatoren auch auf Verbundlangstabisolatoren übertragbar. Im Vergleich zur 1. Ausgabe wurden der Wissensstand aktualisiert und Themen zum Einfluss von Hornelektroden auf die Steuerung des Lichtbogenstiels und weitere experimentelle Beispiele ergänzt. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 6. Fremdschichtisoliervermögen von Polymerisolatoren
Zusammenfassung
Gegenüber der 1. Auflage ist das Kap. 6 ein „kompletter Neuzugang“ der Koautoren Prof. Dr.-Ing. Roland Bärsch und Prof. Dr.-Ing. habil. Jürgen Pilling und behandelt in bisher nicht bekannter Detailtiefe das komplexe Thema Fremdschichtüberschlag bei Verbundisolatoren, d. h., deren Verhalten bei simultaner Fremdschicht- und Spannungsbelastung. Die höhere Komplexität gegenüber konventionellen Isolatoren aus Glas und Porzellan entsteht, da die möglichen Teilentladungs-, Überschlags- und Alterungsprozesse sowie der Einfluss konstruktiver sowie belastungsspezifischer Faktoren entscheidend vom Benetzungszustand der Isolatoren bestimmt werden. Daher wird in drei Zustände des Benetzungszustandes bei der Bewertung unterschieden: Polymerisolatoren mit einem „stark“ hydrophoben Benetzungszustand (Fremdschichtbelag A), Polymerisolatoren mit einem „abgeschwächten“ hydrophoben Benetzungszustand (Fremdschichtbelag B) und Polymerisolatoren mit einem „vollständig“ hydrophilen Benetzungszustand (Fremdschichtbelag C). Das Fremdschichtisoliervermögen, speziell im Benetzungszustand C, kann durch Alterung auch unter die Werte sinken, die für einen vollständigen Verlust der Hydrophobie repräsentativ sind. Wenn immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 7. Langstabisolatoren
Zusammenfassung
Verbundlangstabisolatoren werden hauptsächlich in Hängeketten in Tragmasten bzw. als Abspannketten in Abspann- und Endmasten verwendet. Sie werden auch in den Schlaufen oder aber in den Portalen von Freiluftschaltanlagen. Sie profitieren von den Herstellungsmöglichkeiten des GFK-Stabes (glasfaser-verstärkter Kunststoff) und insb. von der Möglichkeit GFK-Stäbe in technisch genutzten Längen bis zu 20 m in einem Stück zu produzieren, was zu Isolatoren bis zu 10 m Einzellänge und darüber für die UHV/EHV Netze (AC und DC) von heute führt; das ist mit den klassischen Isoliermaterialien Porzellan und Glas nicht machbar. Zudem entfallen im Vergleich zu den oft verwendeten Kappenisolatoren die vielen Metallteile (Klöppel und Kappen). In diesem Kapitel wird auf deren mechanische Auslegung eingegangen, es werden die dazugehörigen Prüfungen vorgestellt sowie die kritischen Punkte bei der Montage der Endarmaturen erläutert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 8. Stützisolatoren
Zusammenfassung
Verbundstützisolatoren werden, im Gegensatz zu den Verbundlangstabisolatoren durch externe Kräfte belastet, welche senkrecht zu der Längsachse des Isolators wirken und somit Biegespannungen im Isolatorenquerschnitt hervorrufen. Diese Biegespannungen erreichen ihren Maximalwert an der Einspannstelle des GFK-Stabes in der Metallarmatur, welche sich an der Befestigungsstelle des Isolators an der Tragkonstruktion befindet. Aufgrund dieser Biegebelastung. Leitungsstützisolatoren tragen zu einer Kompaktierung und zur Ästhetik des Leitungsbildes bei, sowie zu einer wesentlichen Reduzierung des erforderlichen Leitungskorridors. Sie werden vertikal oder horizontal eingebaut. In diesem Kapitel werden hauptsächlich die Grundlagen deren mechanischen Bemessung eingehend diskutiert und deren einzigartiges Verhalten bei Überlastungen präsentiert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 9. Kompaktleitungen
Zusammenfassung
Kompaktleitungen sind eine interessante Alternative zu konventionellen Freileitungen, dort wo die Durchleitungsrechte einerseits, aber auch die optische Beeinträchtigung der Landschaft andererseits von Bedeutung sind. Zudem bieten Kompaktleitungen weitere Vorteile, wie z. B. eine höhere übertragbare Leistung sowie niedrigere EMV-Belastung. Kompaktleitungen haben an Bedeutung mit der breiten Einführung der Verbundisolatoren gewonnen. Der Grund dafür ist, dass die Isoliertraversen, welche für den Bau von Kompaktleitungen unabkömmlich sind, primär auf Druck belastet werden und dabei relativ große Verformungen erleben, was für Verbundmaterialien weniger ein Problem darstellt als für keramische Werkstoffe. In diesem Kapitel wird zunächst die mechanische Dimensionierung einer Isoliertraverse präsentiert, einschließlich der dafür unabkömmlichen Stabilitätsuntersuchungen. Abschließend werden mehrere Anwendungen von Kompaktleitungen bis 500 kV vorgestellt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 10. Phasenabstandshalter mit Verbundisolatoren
Zusammenfassung
Kompaktleitungen tragen bei nicht nur zur Reduktion der Trassenbreite, sondern auch durch ihren geringeren Wellenwiderstand, zur Erhöhung der Übertragungsfähigkeit der Leitung, was im Wesentlichen mit der Minimierung der Leiterabstände zusammenhängt. Dadurch und da die Leiterabstände um Einiges kleiner sind als bei normalen Freileitungen, besteht bei einer kompakten Bauweise eine höhere Gefahr für Überschläge zwischen Außenleitern durch Annäherung zweier Leiter, sei es durch Windböen, Eisabwurf oder Kurzschlüsse. Das hätte evtl. eine Abschaltung zur Folge. Um das zu vermeiden werden Phasenabstandshalter (PAH) verwendet, in den letzten Jahren vermehrt in Verbundbauweise. In diesem Kapitel werden neben Erfahrungen aus dem Betrieb, die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von PAH beschrieben und eine neue Formel zu deren Dimensionierung auf Knicken vorgestellt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 11. Hohlisolatoren
Zusammenfassung
Verbundhohlisolatoren werden in der Hochspannungstechnik primär als Geräteisolatoren eingesetzt. Auf Grund der Einsatzbedingungen müssen sie hauptsächlich Biege- und Druckbelastungen aufnehmen. Da eine Vielzahl der elektrischen Apparate gasisoliert sind, stehen sie auch unter einem inneren Druck. Hohlisolatoren in Verbundbauweise sind praktisch explosionssicher und können beim Transport und bei der Montage nicht beschädigt werden. Durch deren Unempfindlichkeit gegenüber dynamischen Belastungen, z. B. Kurzschlussstromkräfte, werden sie bevorzugt in Freiluftschaltanlagen auch in Gegenden mit hohem Erdbebenrisiko eingesetzt. Neben typischen Anwendungen wird in diesem Kapitel die mechanische Berechnung des GFK-Rohres beschrieben, sowie die Auslegung der Fußarmaturen erläutert. Dazu werden typische Versuche gezeigt und die dazugehörigen Prüfnormen erklärt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 12. Zur Laborbewertung von Verbundisolatoren nach deren Entnahme aus dem Netz
Zusammenfassung
Das Kap. 12 hat die Laborbewertung von gealterten, gebrauchten oder ausgefallenen Leitungs-Verbundisolatoren zum Inhalt. Der Begriff Laborbewertung wird gewählt, weil der Zustand der Isolatoren nicht als On-Line-Diagnose, sondern als Off-Line-Diagnose erfolgt. Für die Bewertung des technischen Zustandes werden verschiedene Konzepte, Methoden und Hilfsmittel beschrieben, die eine Abschätzung der verbleibenden Einsatzdauer von Verbundisolatoren repräsentativ für die untersuchten Typen und/oder Jahrgänge ermöglichen. Die zu bewertenden Verbundisolatoren werden gezielt der Leitung entnommen, um dezidierte Ergebnisse für diese Isolatorengeneration zu erhalten. Es ist festzuhalten, dass die Normung von Verbundisolatoren auch unter interaktiver Berücksichtigung von Freilufterfahrungen einen hohen Reifegrad erreicht hat. Dies ermöglicht es heute, dass aus den Normen, die für die jeweilige Bauartvielfalt sinnvoll anwendbaren Prüfungen zur Diagnose entnommen werden können. Im Vergleich zur 1. Ausgabe wurden der Wissensstand aktualisiert und weitere Beispiele ergänzt. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 13. Eine Übersicht zur Normung und zur Prüfung von Verbundisolatoren
Zusammenfassung
Das Kap. 13 geht mit Beiträgen von Fr. Dr.-Ing. Christiane Bär auf verschiedene Aspekte der Normung und Prüfung von Verbundisolatoren ein. Im ersten Teil werden wichtige IEC-Normen aufgeführt, nach denen Verbundisolatoren geprüft und ausgelegt werden und die mit konventionellen Isolatoren gemeinsamen Normen für die Kettenauslegung sind vergleichend aufgeführt. Im zweiten Teil wird auf Prüfprinzipien eingegangen. Am Beispiel der Schiefe-Ebene-Prüfung, die als Materialprüfverfahren für die Bewertung der Beständigkeit gegenüber Erosion und Kriechspurbildung im Jahr 1977 mit der ersten Normausgabe eingeführt wurde, kann gezeigt werden, dass weitere Eigenschaften von polymeren Isolierstoffen mit diesem Prüfprinzip bewertbar sind. Im dritten Teil wird auf analytische Methoden eingegangen, mit denen die eingesetzten polymeren Werkstoffe eines Verbundisolators identifiziert werden können. Im Vergleich zur 1. Ausgabe wurden der Wissensstand aktualisiert und Themen zur künstlichen Fremdschichtprüfung von Verbundisolatoren, Bewertung weiterer Hydrophobieeigenschaften mit dem Schiefe-Ebene-Prüfprinzip und weitere Prüfungen zur Finger-Print-Analyse ergänzt. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Kapitel 14. Trends
Zusammenfassung
Das Kap. 14 mit Beiträgen von Fr. Dr.-Ing. Christiane Bär ist ein „kompletter Neuzugang“ gegenüber der 1. Ausgabe. Das Teilkapitel Interface von Verbundisolatoren ist sehr aktuell und hat auch hinsichtlich neuer Prüfverfahren ein großes Interesse bei Herstellern und Anwendern gefunden. Im Teilkapitel Gleichspannung werden der Stand zur Prüfung betriebsrelevanter Materialeigenschaften, zur DC-Kriechwegdimensionierung, zur Berücksichtigung von DC-Korrosion und das Thema Hybridleitung behandelt. Das Teilkapitel Weitere Aspekte vermittelt einen Überblick zur eingeführten Technik des Coatings incl. einer möglichen superhydrophoben Oberflächenwirkung. Für das Arbeiten unter Spannung (AuS) mit Verbundisolatoren wird die Entwicklung eines sensorüberwachten Polymerableiters, der temporär im AuS-Leitungsabschnitt eingebaut wird, kurz beschrieben. Auf das Thema Recycling von Verbundisolatoren wird im Zusammenhang mit Verfahren für andere Anwendungen informativ eingegangen. Ein Outlook über weitere Entwicklungen in der Freileitungstechnik schließt als Momentaufnahme zum Zeitpunkt der Erstellung der 2. Buchauflage dieses Kapitel ab. Wann immer möglich, wurde auf die aktuelle Normenlage in IEC und auf Publikationen der CIGRE referenziert.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Backmatter
Metadata
Title
Silikon-Verbundisolatoren
Authors
Konstantin O. Papailiou
Frank Schmuck
Copyright Year
2022
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-64249-8
Print ISBN
978-3-662-64248-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-64249-8