Wikipedia · einfach zusammengefasst · Stand
Isolator (Elektrotechnik)
Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektrotechnik und der Energietechnik, mit dem blanke (also nicht selbst isolierte) elektrische Leiter befestigt, gehalten …
Inhalt6 Abschnitte
Aufgabe und grundlegende Eigenschaften
Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektro- und Energietechnik. Er befestigt, hält oder führt blanke elektrische Leiter, ohne dass durch das Befestigungselement ein nennenswerter Strom fließt. Dafür muss er hohe mechanische Belastbarkeit mit einer bedeutungslos geringen elektrischen Leitfähigkeit verbinden. Er besteht deshalb aus festen Isolierstoffen.
Einsatzorte sind unter anderem Freileitungsmasten, große Antennen und Umspannwerke. Durchführungsisolatoren führen einen spannungsführenden Leiter durch die Wand eines geschlossenen Raums und isolieren ihn gegenüber dieser Wandung, beispielsweise bei Transformatoren, großen Kondensatoren oder Abschirmgehäusen. Der Porzellankörper einer Zündkerze erfüllt ebenfalls diese Funktion. Im Unterschied dazu ist die Isolierung eines Kabels eine elektrisch isolierende Umhüllung.
Geeignete Werkstoffe sind Nichtleiter mit hohem spezifischem Widerstand und hoher Durchschlagsfestigkeit, also Widerstand gegen einen elektrischen Durchbruch durch das Material. Richtwerte: Aluminiumoxid hat einen spezifischen Widerstand von 10^14 Ω·cm und eine Durchschlagsfestigkeit von > 20 kV/mm; Steatit 10^13 Ω·cm bei 20 °C, aber 10^7 Ω·cm bei 600 °C, sowie 20 kV/mm. Porzellan erreicht je nach Art 10^11−10^12 Ω·cm und 20 kV/mm, Glas 10^7−10^16 Ω·cm und 10–40 kV/mm. Glasfaserverstärkte Kunststoffe erreichen 10^10−10^14 Ω·cm und 20–40 kV/mm, Epoxidharze 10^14 Ω·cm und > 10 kV/mm. Werte hängen von Temperatur und Frequenz ab. Im Freien müssen Isolatoren zudem UV-Strahlung, Nässe und Temperaturschwankungen dauerhaft widerstehen. Endarmaturen bestehen meist aus Metallguss und werden mit hochfestem Zement befestigt.
Kriechstrom und Schutz durch die Form
Regen, Schnee, Staub und in Meeresnähe Salz können die Oberfläche eines Freiluftisolators verschmutzen. Die Ablagerungen können mit der Zeit einen leitfähigen Film bilden. Dann fließt an der Oberfläche Kriechstrom. Dieser verursacht meist nur geringe Übertragungsverluste, kann aber eine Gleitentladung, einen Überschlag oder einen Lichtbogen auslösen. Dadurch können Kurzschluss oder Erdschluss entstehen und eine Leitung ausfallen oder beschädigt werden.
Die Bauform verlängert deshalb den Kriechweg, also den Weg, den Strom an der Oberfläche zurücklegen müsste. Glockenförmige Schirme oder Rippen zwingen den Strom auf einen gefalteten Zick-Zack-Weg, der ein Mehrfaches der Baulänge erreichen kann. Dachartig abgeschrägte Schirme halten bei senkrecht hängenden Isolatoren zudem Bereiche ihrer Unterseite trocken. Der Doppelglockenisolator wurde 1856 von Josiah Latimer Clark in England zum Patent angemeldet und durch Franz von Chauvin in Preußen eingeführt; er wird prinzipiell noch in vielen freien Niederspannungsnetzen verwendet.
Wichtige Bauformen
Glockenisolatoren sind etwa 2 bis 20 cm groß und bestehen aus Kunststoff, Keramik oder Glas. Sie sitzen als isolierender Hut auf einem Befestigungshaken. Ihre glockenförmige Unterseite, bei Doppelglocken mehrfach ausgeführt, verlängert den Kriechweg. Der Leiter wird seitlich in einer umlaufenden Rille mit einer Drahtschlaufe befestigt; ein Rillenteller darunter kann sein Gewicht tragen. Knopfisolatoren sind besonders kleine Ausführungen ohne ausgeprägte Glockenform und mit kurzem Kriechweg.
Langstabisolatoren sind längliche, starre keramische Einzelteile bis 2 Meter Länge. Sie haben lange Kriechwege und eine hohe Durchschlagsicherheit: Der kürzeste Weg durch den Isolator entspricht seiner Baulänge und besteht vollständig aus Isolierstoff. Deshalb sind sie an Hochspannungs-Freileitungen weit verbreitet.
Stützisolatoren oder Stützer nehmen hauptsächlich Druck- statt Zugkräfte auf. Sie tragen zum Beispiel Stromschienen oder übertragen Kräfte auf spannungsführende bewegliche Teile wie Stromabnehmer und Trennschalter. Schraubverbindungen erlauben es, Leitungsgeometrien in jeder Richtung festzulegen. Neben Keramik wird Epoxidharz verwendet; Eigenschaften und Benennungen vieler Mittel- und Hochspannungsformen sind in IEC 60237 festgelegt.
Silikon-Verbund-Isolatoren sind ähnlich aufgebaut wie Langstabisolatoren. Ihr Kern ist ein Stab aus hochfestem glasfaserverstärktem Kunststoff, die Schirme bestehen aus aufgeklebtem oder im Spritzguss aufgebrachtem Silikon. Die hydrophobe, also wasserabweisende, Oberfläche vermindert Verschmutzung und verbessert die Isolation bei Regen und besonders bei Betauung. Sie können daher kürzer und leichter sein als Glas- oder Keramikisolatoren und haben eine längere erwartete Lebensdauer.
Kappenisolatoren bestehen aus beweglich ineinanderhängbaren Glas- oder Keramikelementen mit Metallarmaturen. Zwei bis drei Elemente reichen für Mittelspannung, für Höchstspannung entstehen mehrere Meter lange Ketten. Ihre Beweglichkeit macht sie weniger empfindlich gegen Seitenkräfte. Metallische Verbindungsteile verringern jedoch die Durchschlagsicherheit; Überspannungen, etwa Blitzschlag, können sie durchschlagen und beschädigen. Ein Vollkernisolator fasst zwei Kappen zu einem starren keramischen Element mit höherer Durchschlagfestigkeit zusammen.
Beim Isolier-Ei liegt ein Keramikkörper zwischen zwei Drahtschlingen und wird nur auf Druck beansprucht. Wegen seines kurzen Kriechwegs eignet es sich nur für Niederspannung oder Weidezäune; mehrere Eier können hintereinander geschaltet werden. Pardunenisolatoren von Sendemasten folgen demselben Prinzip, um trotz hoher Zugkräfte nur Druck auf den Isolierkörper wirken zu lassen.
Freileitungen nach Spannungsbereich
Bei Niederspannung unter 1 kV werden für frühere Fernsprechfreileitungen und Niederspannungs-Freileitungen meist Glocken- oder Schäkelisolatoren eingesetzt. Der Leiter wird mit einer Schlinge befestigt. Die Isolatoren sind auf Metallhaken stehend gekittet oder mit Hanfeinlage aufgeschraubt. Für Abspann- und Antennenseile kommen auch keramische Isolier-Eier vor.
Für Mittelspannung von 1 kV bis 30 kV werden meist gerippte Glas- oder Keramikisolatoren verwendet, die auf Traversen stehen oder darunter hängen. Stehende Formen erlauben niedrigere Masten und verringern beim Bruch die Gefahr, dass das Leiterseil herabfällt. Hängende Formen können bei Seitenwind ausweichen, werden weniger auf Biegung belastet und sind für Vögel auf der Traverse weniger gefährlich. Freiluftisolatoren aus cycloaliphatischem Gießharz werden etwa bei Masttrennschaltern für 12 kV, 24 kV oder 36 kV eingesetzt. Im Innenbereich werden Gießharz- oder Epoxidharzformen auf Basis von Bisphenol-A genutzt. Sie können Leiter, Strom- oder Spannungswandler enthalten und als Durchführung, Sicherungsgehäuse oder Polgehäuse ausgeführt sein. Im Bereich von 12 kV bis 40,5 kV ist ein niedriger Teilentladungs-Pegel wichtig; die mit Quarzmehl gefüllten 2-Komponenten-Harze werden unter Vakuum verarbeitet, damit keine Hohlräume oder Blasen entstehen.
Hochspannungsisolatoren für 60 kV bis 150 kV hängen als Langstab- oder Kappenisolatoren. Häufig bilden zwei parallele Einzelisolatoren einen Doppelisolator. Höchstspannungsisolatoren über 150 kV bestehen oft aus Ketten von zwei oder mehr Langstabisolatoren. Für 380-kV-Leitungen werden in Deutschland grundsätzlich zwei parallele Isolatoren verwendet; bei sehr hohen statischen Anforderungen sind drei oder vier möglich. Bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung sind die Bauformen grundsätzlich gleich wie bei Wechselspannung. Vorentladungen sind bei gleicher Spannung geringer, die Spannungsaufteilung kann aber ungleichmäßiger sein und verlangt definierte, homogene Isolationswiderstände.
Leiterseile werden mit Klemmen befestigt: Tragmasten tragen das Seilgewicht, Abspannmasten benötigen Klemmen für die deutlich höhere Zugkraft. Hochspannungsisolatoren besitzen oft eine Funkenstrecke als Überspannungsableiter, die bei Blitzschlag den Lichtbogen vom Isolator fernhalten und zum Verlöschen bringen soll.
Antennen und Durchführungen
Bei selbststrahlenden Sendemasten müssen Isolatoren Sendeleistungen mit Spannungen bis zu 300 kV und Lasten bis zu 1000 Tonnen aushalten. Zur Isolation der Pardunen dienen Gurtbandisolatoren aus Steatit. Türme und Masten stehen auf Hohl- oder Massivkörpern aus Steatit mit genau passendem Aufliegekörper. Der Mastisolator wird schon ab der Fertigung dauerhaft unter Druck gehalten, bis zum Einbau in einer Pressvorrichtung gelagert und der Mast hydraulisch auf ihm abgesetzt. Abspannseile, Oberleitungen und Drahtantennen können mit eiförmigen Isolierkörpern mit Löchern und Rillen für die Seile isoliert werden.
Bei Durchführungen verläuft der Leiter im Inneren eines Isolators durch eine metallische Wandung. Solche Bauteile ermöglichen abgedichtete Einführungen in Gebäude, Gehäuse, Erdkabel, Strom- und Spannungswandler sowie Transformatoren. Kleinere Ausführungen finden sich an Zündkerzen und Kondensatoren mit Metallgehäuse. Außen besitzt der Isolator meist einen Flansch oder eine ringförmige lötbare Metallfläche, innen hat der Leiter Löt- oder Schraubanschlüsse. Konzentrische Metallfolien im Isolatorkörper können als Zylinderkondensatoren den Verlauf der elektrischen Feldstärke radial oder axial steuern; diese Bauart heißt Kondensator-Durchführung.
Grenzen, Schäden und historische Formen
Jeder reale Isolator hat nur bis zu einer bestimmten Spannung eine vernachlässigbare Leitfähigkeit und damit einen endlichen, meist sehr hohen Widerstand. Seine maximale Spannungsbelastung hängt vom Material, umgebenden Medium, Temperatur und – bei Wechselstrom und pulsierendem Gleichstrom – von der Frequenz ab. Hat die umgebende Luft einen geringeren Widerstand oder eine geringere Durchschlagsfestigkeit als der Isolator, tritt bei Freileitungen zuerst ein Spannungsüberschlag auf. Bei Umgebung mit höherem Widerstand, etwa Vakuum, oder wenn nur ein Kabelmantel die Leiter trennt, kann ein Spannungsdurchschlag entstehen; daraus folgt ein Kurzschluss. Bei der Auslegung müssen daher Isolator und Umgebung berücksichtigt werden.
Mit ausreichend hoher Spannung oder starker Erhitzung können auch Isolatoren kurzfristig Strom leiten. Sie werden dabei mindestens beschädigt, oft zerstört; Glas kann beispielsweise Strom leiten, schmilzt dabei aber. Nach dem Bändermodell sind Isolatoren nur am absoluten Nullpunkt völlig nichtleitend. Mit steigender Temperatur gelangen mehr Elektronen aus den höchstbesetzten Bändern in das niedrigste unbesetzte Band. Durchschlagsfestigkeit sinkt mit Temperatur und Frequenz, bei Hochfrequenz deutlich. Bei hohen Temperaturen ähneln Isolatoren zunehmend Halbleitern, leiten wegen ihrer großen Bandlücken von einigen Elektronenvolt aber weiterhin kaum Strom.
Historische Öl-Isolatoren verwendeten kreisförmige, nach dem Einbau mit Öl gefüllte Rillen. Das Öl sollte Kriechströme bei Feuchtigkeit mindern und blieb wegen seiner geringeren Dichte bis zu einer bestimmten Verschmutzung an der Wasseroberfläche als isolierende Barriere. Wegen hohen Wartungsaufwands, Verschmutzung und wirksameren Alternativen wurden sie kurz nach ihrer Einführung aufgegeben. Bei der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt kamen sie 1891 für 55 V Wechselspannung sowie für 15 beziehungsweise 25 kV vor. Während des Ersten Weltkriegs wurden in Deutsch-Ostafrika wegen Materialmangels auch mit Pflanzenfasern und Zement gefüllte Flaschen, mit Wachs überzogener gebrannter Ton und Röhrenknochen von Wild als Isolatoren genutzt.
