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2012 | Buch

Silikon-Verbundisolatoren

Werkstoffe, Dimensionierung, Anwendungen

verfasst von: Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Verbundisolatoren werden seit nahezu vierzig Jahren in verschiedenen Anwendungen der Energieübertragung und heute auch bis in die Höchstspannungsebenen erfolgreich eingesetzt. Mit diesem Buch wird eine umfassende und aktuelle Vorstellung von Verbundisolatoren mit dem speziellen Fokus auf Silikongummi als Mantelwerkstoff geliefert. Es erfolgt eine Beschreibung der mechanischen und elektrotechnischen Grundlagen dieser Isolatoren und es wird detailliert auf wesentliche Teilaspekte von der Auswahl der Werkstoffe über Dimensionierung bis zu deren konkreten Anwendung in den Netzen eingegangen. Dazu zählen das mechanische Verhalten von Leitungsisolatoren, Stützisolatoren, Phasenabstandshaltern und Hohlisolatoren. Der Stand der Technik für die Auswahl von Fertigungsverfahren und von Materialien wird erläutert und bewährte Regeln für die Auslegung von Korona- und Lichtbogenschutzarmaturen werden vorgestellt. Beispiele, wie Verbundisolatoren nach deren Entnahme aus dem Netz bewertet werden können und eine Übersicht zu aktuellen Normen bzw. Prüfverfahren runden den Informationsgehalt umfassend ab.

Die Themenauswahl und die Buchdarstellungen sind durch das mehr als dreißigjährige Know-how der Autoren bei einem führenden europäischen Hersteller von Verbundisolatoren und von kompletten Isolatorenketten geprägt, die von einer langen Mitarbeit in IEC-Normungsgremien und in CIGRE-Arbeitsgruppen begleitet wurde. Die Beschreibungen des Buchinhaltes wurden praxisnah dargestellt. So wendet sich das Buch an Ingenieure der Elektrizitätswirtschaft aber auch an Materialwissenschaftler und dient als umfassende Einführung wie als Nachschlagewerk für den praktizierenden Fachmann.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Hochspannungsisolatoren sind für die Betriebssicherheit und Wirtschaftlichkeit von elektrischen Energieübertragungssystemen von entscheidender Bedeutung, und es wundert daher nicht, dass an diese Bauteile besonders hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt werden. Neben den bisher üblichen Langstabisolatoren herkömmlicher Bauart aus Porzellan und Kappenisolatorketten aus Glas oder Porzellan haben in den letzten Jahren Verbundisolatoren eine zunehmende Bedeutung in der Isoliertechnik von Hochspannungsfreileitungen gefunden.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
2. Verbundlangstabisolatoren
Zusammenfassung
Die Bezeichnung „Langstab“ wird eigentlich für eine besondere Bauweise von Porzellanisolatoren verwendet, welche zuerst in Deutschland in den 20er Jahren eingeführt worden sind als Alternative (und auch für kritische Umweltbedingungen, z. B. hohe Verschmutzung) zu den Kappenisolatoren. Der Aufbau eines Verbundlangstabes wird in Abb. 2.1 gezeigt. Man erkennt den glasfaserverstärkten Kern, die Metallarmaturen und die Silikonbeschirmung.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
3. Verbundstützisolatoren
Zusammenfassung
Verbundstützisolatoren werden, im Gegensatz zu den Verbundlangstäben mit nur nennenswert axialen Belastungen, durch externe Kräfte belastet, welche senkrecht zu der Längsachse des Isolators wirken und somit Biegespannungen am Isolatorenquerschnitt hervorrufen. Diese Biegespannungen erreichen ihren Maximalwert an der Einspannstelle des GFK-Stabes in der Metallarmatur (rot eingekreist in Abb. 3.1), welche sich an der Befestigungsstelle des Isolators an der Tragkonstruktion befindet, sei es die Traverse eines Stahlgittermastes einer Freileitung, die Anschlussplatte eines Stahlrohr- oder Betonmastes oder das Podest in einem Umspannwerk und werden im Detail im Abschn. 3.9 berechnet.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
4. Isoliertraversen für 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 und all dies zu Kosten, welche nicht notwendigerweise höher als die Kosten für eine konventionelle Leitung sein müssen. Die ersten Kompaktleitungen sind schon in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts gebaut worden [4.1, 4.2], an Bedeutung haben sie erst gewonnen mit der breiten Einführung der Verbundisolatoren, welche erst in den 90ern richtig einsetzte. 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 bei den herkömmlichen Isoliermaterialien (Porzellan, Glas).
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
5. Phasenabstandshalter
Zusammenfassung
Leitungskompaktierung ist ein bewährtes Mittel nicht nur zur Reduktion einer Leitungstrasse, sondern auch durch eine tiefere Impedanz, zur Erhöhung der Übertragungsfähigkeit der Leitung. Zudem werden das elektrische wie das magnetische Feld an den Grenzen des Durchleitungskorridors so weit herabgesetzt, dass es in diesem Zusammenhang keine negativen Einflüsse auf die Umwelt zu erwarten sind.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
6. Verbundhohlisolatoren
Zusammenfassung
Verbundhohlisolatoren (im Folgenden gel. abgekürzt als VHI) werden in der Hochspannungstechnik primär als Geräteisolatoren eingesetzt. In einigen wenigen Fällen wurden sie als Stützisolatoren verwendet, wenn die erforderlichen mechanischen Belastungen von einem Vollkernstützer nicht aufgenommen werden konnten. 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. Als Isoliermedium kommen SF6 bzw. SF6-Gasgemische zum Einsatz. Verbundhohlisolatoren in Verbundbauweise sind praktisch explosionssicher und verursachen im Versagensfall kaum Personen- oder Sachschaden. Wegen ihrem tiefen Gewicht und der Flexibilität des Isoliermantels können sie verglichen mit Porzellanhohlkörpern beim Transport und der Montage nicht beschädigt werden. Durch deren Unempfindlichkeit gegenüber dynamischen Belastungen (z.B. Kurschlusskräfte) werden sie bevorzugt in Freiluftschaltanlagen in Gegenden mit hohem Erdbebenrisiko eingesetzt. Ihre typische Bauweise wird in Abb. 6.1 gezeigt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
7. Materialauswahl und Herstellungsverfahren für Verbundisolatoren mit Silikongummimantel
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird über den aktuellen Stand von Materialien und Fertigungsverfahren für Verbundisolatoren berichtet. Dies schließt auch einen Rückblick auf die Entwicklung von Stabmaterialien und damit verbundene Erfahrungen aus der eigenen Fertigung von glasfaserverstärkten Halbzeugen ein. Aufgrund der mehr als dreißigjährigen Erfahrung bei PFISTERER SEFAG AG mit der Verarbeitung von niedrigviskosem Silikongummi (RTV = raumtemperaturvernetzend, später auch LSR = Flüssigsilikongummi) und hochviskosem Festsilikongummi (HTV = hochtemperaturvernetzend) sowie der anerkannten Bedeutung von Silikongummi als zuverlässiger Mantelwerkstoff wird auf die detaillierte Darstellung dieser Materialfamilie fokussiert. Aufgrund der engen Wechselwirkung zwischen Materialformulierung, anwendbaren Herstellungsverfahren und betriebsrelevanten Eigenschaften werden ebenfalls Ergebnisse zu wichtigen Materialuntersuchungen dargestellt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
8. Zur Auslegung von Verbundisolatoren aus Sicht des Koronaschutzes
Zusammenfassung
Koronaentladungen werden seit Jahrhunderten beobachtet, zu Beginn stark mystifiziert wegen ihres natürlichen Vorkommens an Schiffsmasten oder Türmen und auch als Sankt Elms-Feuer bezeichnet. Es ist der Verdienst des deutschen Physikers G. C. Lichtenberg, der als erster Professor für experimentelle Physik in Göttingen ab 1770 tätig war und einen für seine Zeit sehr großen Influenzgenerator von 2,5 m2 Fläche baute. Im Staub auf Isolierplatten fand er nach Versuchen verästelte Spuren, die als Lichtenberg-Figuren in die Geschichte eingingen und den Beginn der Koronaphysik markieren. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war es die Pionierarbeit von J. S. E. Townsend, der Gasentladungen systematisch untersuchte und das Phänomen Korona mit den ersten nutzbaren Gleichungen beschrieb. Diese Arbeit wurde von L. B. Loeb, J.M. Meek und H. A. Raether weitergeführt.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
9. Lichtbogenschutzarmaturen für Verbundlangstabisolatoren
Zusammenfassung
Die Notwendigkeit für den Einsatz von Lichtbogenschutzarmaturen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Zum einen haben die Netzparameter wie Kurzschlussstrom, Kurzschlussdauer und Kurzschlusshäufigkeit einen wichtigen Einfluss. Aber auch der prinzipielle Aufbau der Isolatorkette ist bedeutsam: Dabei ist in Kappen- und Langstabdesign zu unterscheiden, die ein unterschiedliches Verhalten gegenüber einem Lichtbogen haben und damit die Philosophie 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. Mit dieser Einordnung gelten viele Erfahrungen mit dem Ereignis „Lichtbogen“ und Regeln von Porzellanlangstäben auch für Verbundlangstäbe. Auf einen Unterschied ist noch hinzuweisen: Die Schlankheit der Verbundlangstäbe führt zu kleineren Armaturendurchmessern, das den Schutz gegen Korona bereits bei niedrigeren Übertragungsspannungen erforderlich macht. Auf diesem Weg haben auch Ringkonstruktionen aus Aluminium Einzug in Kettendesigns gehalten, die ausschließlich dem Koronaschutz dienen sollen. In diesem Kapitel werden angewandte Designkriterien von Lichtbogenschutzarmaturen unter Berücksichtigung der gängigen Praxis von Porzellanlangstäben und der langjährigen Erfahrungen mit Kettenkomponenten bzw. Silikonverbundisolatoren dargestellt, die den Inhalt der CIGRE Technischen Broschüre TB 365 [9.1] wesentlich prägten.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
10. Zur Laborbewertung von Verbundisolatoren nach deren Entnahme aus dem Netz
Zusammenfassung
Dieses Kapitel hat die Laborbewertung von gealterten, alten oder ausgefallenen Leitungs-Verbundisolatoren zum Inhalt. Für die Bewertung des technischen Zustandes werden verschiedene Methoden, Philosophien und Hilfsmittel beschrieben, die eine Abschätzung der verbleibenden Einsatzdauer von Verbundisolatoren des gleichen, wie untersuchten Typs ermöglichen. Die zu bewertenden Verbundisolatoren werden gezielt der Leitung entnommen, um repräsentative Ergebnisse für diese Isolatorengeneration zu erhalten. Oft werden auch Analysen durchgeführt, wenn im Rahmen von planmäßigen Austauschaktionen alte Verbundisolatoren zur Verfügung stehen. Wurde ein kritisches Betriebsverhalten bereits festgestellt, ist die Bewertung von mindestens zehn Isolatoren empfehlenswert. Wenn der Leitungsverlauf verschiedene Verschmutzungszonen oder sich anderweitig unterscheidende Belastungen einschließt, ist von jeder eine ausreichende Anzahl von Isolatoren zu untersuchen. Bei der Entnahme aus dem Netz ist zu beachten, dass die Einbaubedingungen ausreichend und eindeutig zuordenbar dokumentiert werden. In vielen Fällen kann der Hersteller der Verbundisolatoren weitere Daten zur Produktidentifikation beistellen (technischer Stand der Isolatorengeneration, Produktionsdatum, Materialchargen usw.). In kritischen Fällen wird empfohlen, die Bewertung mit dem Hersteller und einem spezialisierten unabhängigen Labor durchzuführen. Das Feststellen von intensiven Alterungserscheinungen, die praktisch das Ende der Lebensdauer bedeuten, kann die erneute Entnahme weiterer Isolatoren des gleichen Typs/Generation erfordern.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
11. Eine Übersicht zur Normung und zur Prüfung von Verbundisolatoren
Zusammenfassung
Dieses Kapitel geht 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. Bei der Betrachtung von Isolatorenketten ergeben sich viele Gemeinsamkeiten mit konventionellen Isolatoren, sodass die entsprechenden Normen ebenfalls zum Vergleich aufgeführt werden. Im zweiten Teil wird auf Prüfprinzipien eingegangen. Am Beispiel des Schiefe-Ebene-Tests (IEC 60587 [11.1]), der als Materialprüfverfahren für die Bewertung der Erosions- und Kriechspurbeständigkeit im Jahr 1977 mit seiner ersten Ausgabe eingeführt wurde, kann gezeigt werden, dass weitere Eigenschaften von polymeren Isolierstoffen mit diesem Testprinzip bewertbar sind. Im dritten Teil wird auf analytische Methoden eingegangen, mit denen die eingesetzten polymeren Werkstoffe eines Verbundisolators identifiziert werden können. Diese Thematik, das sogenannte „Finger-Printing“ ist auch Gegenstand der aktuellen Arbeit der CIGRE-Arbeitsgruppe D1.27.
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Erratum zu: Silikon-Verbundisolatoren
Konstantin O. Papailiou, Frank Schmuck
Backmatter
Metadaten
Titel
Silikon-Verbundisolatoren
verfasst von
Konstantin O. Papailiou
Frank Schmuck
Copyright-Jahr
2012
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-23814-7
Print ISBN
978-3-642-23813-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-23814-7