TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet elektrischen Isolatoren und
der Herstellung elektrischer Isolatoren, insbesondere für Mittel- und Hochspannungsanlagen.
Sie betrifft einen Isolator mit einer hitzebeständigen Schicht und die Herstellung
eines solchen.
STAND DER TECHNIK
[0002] Elektrische Isolatoren weisen oft hitzeempfindliche Materialien wie etwa Kunststoffe
auf. Wenn solche Isolatoren in einer Umgebung mit zumindest zeitweilig erhöhter Temperatur
eingesetzt werden, müssen diese thermisch durch eine hitzebeständige Schicht geschützt
werden, um mechanische Schäden und Verringerungen der Isolationsfestigkeit wie etwa
durch Verkohlung der Kunststoffe zu vermeiden.
[0003] Die Verbindung zwischen einem Isolatorgrundkörper und der hitzebeständigen Schicht
ist dabei problematisch. Durch eine niedrige Oberflächenspannung der hitzebeständigen
Schicht beispielsweise durch das Aufweisen eines Fluorkunststoffes, wie etwa Polytetrafluorethylen,
Perfluoralkoxy-Polymere oder Perfluorethylenpropylen-Copolymer, ist ein Aufkleben
der Schicht auf den Isolatorgrundkörper sehr schwierig aufgrund der schlechten Oberflächenbenetzung
der hitzebeständigen Schicht durch einen Klebstoff.
[0004] Daher wird die hitzebeständige Schicht bisher durch Ätzen vorbehandelt, um so die
Oberflächenspannung zur reduzieren und die Verklebung zu ermöglichen. Der Prozess
des Ätzens ist hochtoxisch. Unter Verwendung von metallischem Natrium, das unter Stickstoffatmosphäre
in Tetrahydrofuran und Naphthalin zerfällt, wird eine Lösung die Ätzflüssigkeit hergestellt.
Sowohl dieses Produkt wie das metallische Natrium sind hochexplosiv und spalten bei
einer möglichen Reaktion an Luft und Feuchtigkeit hochkonzentrierte Natronlauge ab.
So hergestellte Isolatoren sind beispielsweise aus
EP 19970810118 bekannt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Isolator zur Verfügung
zu stellen, welcher Isolator einen Isolatorgrundkörper und eine fest mit dem Isolatorgrundkörper
verbundene, hitzebeständige Schicht aufweist, und ohne Ätzen der hitzebeständigen
Schicht hergestellt wird.
[0006] Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Isolator und eine Verfahren zur Herstellung
eines solchen elektrischen Isolators mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche
gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
[0007] Gegenstand der Erfindung ist es, das eine hitzebeständige Schicht zusätzlich zu einer
hitzebeständigen Grundschicht mit einer Glastemperatur von mindestens 100 Grad Celsius,
bevorzugt von mindestens 115 Grad Celsius, auf einer Seite Verbindungsfasern aufweist.
Diese Verbindungsfasern sind teilweise durch die Grundschicht imprägniert und bilden
durch das Umschliessen der Verbindungsfasern durch die Grundschicht in diesen Teilen
eine Verbindung zwischen den Verbindungsfasern und der Grundschicht. Die Verbindungsfasern
aufweisende Seite der Schicht wird relativ zu einer zu schützenden Oberfläche des
Isolatorgrundkörpers positioniert so, dass es zu einem Kontakt zwischen der Verbindungsfasern
aufweisenden Seite der Schicht und dem Isolatorgrundkörper kommt. Eine Verbindung
zwischen den Verbindungsfasern und dem Isolatorgrundkörper wird durch einen ersten
Kunststoff hergestellt, welches erste Kunststoff einen noch nicht durch die hitzebeständige
Grundschicht imprägnierten Teil der Verbindungsfasern imprägniert und fest mit dem
Isolatorgrundkörper verbunden ist.
[0008] Eine erste bevorzugte Ausführungsform betrifft einen Isolatorgrundkörper, welcher
einen zweiten Kunststoff aufweist. Dabei wird der noch nicht durch die hitzebeständige
Grundschicht imprägnierte Teil der Verbindungsfasern durch den zweiten Kunststoff
des Isolatorgrundkörpers imprägniert.
[0009] Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform betrifft eine Imprägnierung des noch nicht
durch die hitzebeständige Grundschicht imprägnierten Teils der Verbindungsfasern durch
den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers, wobei die Imprägnierung gleichzeitig
mit der Herstellung des Isolatorgrundkörpers erfolgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0010] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit
den Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- Fig. 1
- eine hitzebeständige Schicht mit Verbindungsfasern;
- Fig. 21&22
- die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines duroplastischen Isolatorgrundkörpers
und gleichzeitiger Verbindung des Isolatorgrundkörpers mit einer hitzebeständigen
Schicht durch Wickeln; und
- Fig. 31&32
- die Schritte eines Verfahrens zur Verbindung eines thermoplastischen Isolatorgrundkörpers
mit einer hitzebeständigen Schicht durch Schmelzimprägnieren.
[0011] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst.
Grundsätzlich sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
[0012] Fig. 1 zeigt eine hitzebeständige Schicht 1 mit einer hitzebeständigen Grundschicht
2 aus Perfluoralkoxylalkan und Verbindungsfasern 3 aus Polytetrafluorethylen, welche
Verbindungsfasern 3 auf einer Seite der Grundschicht 2 angeordnet sind und teilweise
durch Perfluoralkoxylalkan imprägniert sind.
[0013] Fig. 21 zeigt einen Winkeldorn 4 für ein duroplastisches Nasswickelverfahren. Auf
dem Winkeldorn 4 ist die hitzebeständige Schicht 1 positioniert und bildet so eine
in Umfangsrichtung des Wickeldorns 4 geschlossene Mandelfläche. Dabei ist die mit
den Verbindungsfasern 3 versehene Seite der Schicht 1 dem Winkeldorn 4 abgewandt.
[0014] Fig. 22 zeigt ein Umwickeln der auf dem Winkeldorn 4 positionierten hitzebeständigen
Schicht 1 auf der Verbindungsfasern 3 aufweisenden Seite mit imprägnierten Verstärkungsfasern
5, welche Verstärkungsfasern 5 nach dem Umwickeln im ausgehärteten Zustand einen Isolatorgrundkörper
7 bilden. Dabei werden die Verstärkungsfasern 5 vor dem Wickeln mittels einer Imprägniervorrichtung
6 durch ein Epoxidharz imprägniert. Das Wickeln wird so lange fortgesetzt bis sich
die gewünschte Form des Isolatorgrundkörpers 7 ergibt. Durch das Wickeln der imprägnierten
Verbindungsfasern 3 auf die mit den Verbindungsfasern 3 versehene Seite der hitzebeständigen
Schicht 1 wird überschüssiges Epoxidharz auf einen noch nicht durch die hitzebeständige
Grundschicht 2 imprägnierten Teil der Verbindungsfasern 3 appliziert und so imprägniert.
Nach dem Aushärten des Epoxidharzes sind die Verbindungsfasern 3 teilweise durch die
hitzebeständige Grundschicht 2 und teilweise durch das Epoxidharz umschlossen, wodurch
eine Verbindung zwischen der radial innen liegenden hitzebeständigen Schicht 1 und
dem radial aussen liegenden hohlzylinderförmigen Isolatorgrundkörper 7 entsteht. Ein
so hergestellter Isolator ist besonders als Heizkammerisolator für Generatorschalter
vorteilhaft.
[0015] Dabei kann die Art und die Orientierung der Verbindungsfasern 3 und der Verstärkungsfasern
5 variiert werden. So sind beispielsweise sowohl Kurzfasern mit einer zufälligen Anordnung
als auch kontinuierliche Fasern in Form eines Gestrickes als Verbindungsfasern 3 oder
die Verwendung von Prepregs als Verstärkungsfasern 5 möglich. Eine mögliche Herstellung
der hitzebeständigen Schicht 1 ist das Aufpressen der Verbindungsfasern 3 auf das
geschmolzene Material der hitzebeständigen Grundschicht 2 direkt nach deren Extrusion.
Um eine in Umfangsrichtung durchgehende hitzebeständige Schicht 1 auf dem Winkeldorn
4 zu garantieren, ist es möglich die hitzebeständige Schicht 1 soweit um den Winkeldorn
4 in Umfangsrichtung zu wickeln bis ein Anfangskante der Schicht 1 und eine Endkante
der Schicht 1 eine Überlappung bilden. Alternative können die Anfangskante und Endkante
direkt auf Stoss positioniert werden und der Stoss mit einem zusätzlichen Streifen
der hitzebeständigen Schicht 1 überdeckt werden. So kann ein mit Epoxidharz gefüllter
Spalt zwischen der Anfangskante und der Endkante vermieden werden, welcher Spalt durch
hitzebedingte Verkohlung leitfähig wäre. Statt eines Nasswickelverfahrens kann auch
ein Trockenwickelverfahren mit nachfolgender Infusionsimprägnierung verwendet werden.
[0016] Fig. 31 zeigt einen Isolatorgrundkörper 7 aus einem Thermoplast. Eine in Fig. 1 beschriebene
hitzebeständige Schicht 1 wird mit einer Seite welche Verbindungsfasern 3 aufweist
mit dem Isolatorgrundkörper 7 in Kontakt gebracht. Durch zugeführte Wärme 8 wird der
Isolatorgrundkörper 7 über die Glastemperatur des Thermoplasts erwärmt. Dadurch wird
der Thermoplast in dem erwärmten Bereich flüssig. Vorzugsweise ist die Wärme 8 auf
den Kontaktbereich zwischen dem Isolatorgrundkörper 7 und der hitzebeständigen Schicht
1 beschränkt.
[0017] Fig. 32 zeigt ein Imprägnieren eines noch nicht durch die hitzebeständige Grundschicht
2 imprägnierten Teils der Verbindungsfasern 3 durch den flüssigen Thermoplasten des
Isolatorgrundkörpers 7 so, dass die Verbindungsfasern 3 nach Abkühlung des Isolatorgrundkörpers
7 unterhalb der Glastemperatur teilweise durch die hitzebeständige Grundschicht 2
und teilweise durch den Thermoplast umschlossen sind, wodurch eine Verbindung zwischen
der hitzebeständigen Schicht 1 und dem Isolatorgrundkörper 7 entsteht.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0018]
- 1
- hitzebeständige Schicht
- 2
- hitzebeständige Grundschicht
- 3
- Verbindungsfasern
- 4
- Wickeldorn
- 5
- Verstärkungsfasern
- 6
- Imprägniervorrichtung
- 7
- Isolatorgrundkörper
- 8
- Wärme
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators, welcher einen Isolatorgrundkörper
(7) und eine fest mit dem Isolatorgrundkörper (7) verbundene, hitzebeständige Schicht
(1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, wobei die Nummerierung der Schritte
nicht notwendigerweise die Reihenfolge der Schritte impliziert:
a) Bereitstellen der hitzebeständigen Schicht (1), welche eine hitzebeständige Grundschicht
(2) und Verbindungsfasern (3) zur Verbesserung der Verbindung zwischen dem Isolatorgrundkörper
(7) und der hitzebeständigen Schicht (1) auf einer Seite der hitzebeständigen Grundschicht
(2) aufweist, wobei die Verbindungsfasern (3) teilweise durch die hitzebeständige
Grundschicht (2) imprägniert sind;
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7);
c) Positionieren der hitzebeständigen Schicht (1) relativ zu dem Isolatorgrundkörper
(7), wobei die verbindungsfaseraufweisende Seite der hitzebeständigen Schicht (1)
dem Isolatorgrundkörper (7) zugewandt ist; und
d) Imprägnieren eines nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten
Teils der Verbindungsfasern (3) der hitzebeständigen Schicht (1) und Verbinden der
hitzebeständigen Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) durch einen ersten Kunststoff.
2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) zusätzlich umfasst:
a) Bereitstellen der hitzebeständigen Schicht (1) durch ein Aufpressen von Verbindungsfasern
(3) auf eine Seite der hitzebeständigen Grundschicht (2).
3. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers
(7).
4. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 3, wobei der
Isolatorgrundkörper (7) einen zweiten Kunststoff umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers
(7) mittels eines für den zweiten Kunststoff geeigneten Herstellungsverfahrens.
5. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 4, wobei der
zweite Kunststoff des Isolatorgrundkörper (7) ein Duroplast ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers
(7) mittels eines für Duroplasten geeigneten Herstellungsverfahrens.
6. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 4, wobei der
zweite Kunststoff des Isolatorgrundkörper (7) ein Thermoplast ist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers
(7) mittels eines für einen Thermoplast geeigneten Herstellungsverfahrens.
7. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach einem der Ansprüche 4
bis 6, wobei der Isolatorgrundkörper (7) Verstärkungsfasern (5) zur mechanischen Verstärkung
des zweiten Kunststoffes aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b) zusätzlich umfasst:
b) Bereitstellen des Isolatorgrundkörpers (7) durch ein Herstellen des Isolatorgrundkörpers
(7) mittels eines für faserverstärkte Kunststoffe geeigneten Herstellungsverfahrens.
8. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach einem der Ansprüche 4
bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) umfasst:
d) Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten
Teil der Verbindungsfasern (3) und Verbinden der hitzebeständigen Schicht (1) mit
dem Isolatorgrundkörper (7) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers
(7) anstelle des ersten Kunststoffes.
9. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Isolators nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) umfasst:
d) Imprägnieren des nicht durch die hitzebeständige Grundschicht (2) imprägnierten
Teil der Verbindungsfasern (3) und Verbinden der hitzebeständigen Schicht (1) mit
dem Isolatorgrundkörper (7) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers
(7) gleichzeitig mit einem Imprägnieren der Fasern des Isolatorgrundkörpers (7).
10. Elektrischer Isolator, welcher einen Isolatorgrundkörper (7) und eine fest mit dem
Isolatorgrundkörper (7) verbundene, hitzebeständige Schicht (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator Verbindungsfasern (3) aufweist, welche der Verbindung zwischen der hitzebeständigen
Schicht (1) mit dem Isolatorgrundkörper (7) dienen, welche teilweise durch die hitzebeständige
Schicht (1) imprägniert sind und deren nicht durch die hitzebeständige Schicht (1)
imprägnierter Teil mit den Isolatorgrundkörper (7) verbunden ist.
11. Elektrischer Isolator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter
Teil der Verbindungsfasern (3) um dem Isolatorgrundkörper (7) durch ein Imprägnieren
des nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teils der Verbindungsfasern
(3) durch einen ersten Kunststoff erfolgt.
12. Elektrischer Isolator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das der erste Kunststoff ein Klebstoff ist.
13. Elektrischer Isolator nach 10, wobei der Isolatorgrundkörper (7) einen zweiten Kunststoff
aufweist, dadurch gekennzeichnet die Verbindung zwischen dem nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter
Teil der Verbindungsfasern (3) um dem Isolatorgrundkörper (7) durch ein Imprägnieren
des nicht durch die hitzebeständige Schicht (1) imprägnierter Teils der Verbindungsfasern
(3) durch den zweiten Kunststoff des Isolatorgrundkörpers (7) erfolgt.