Isolator
Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das eine hohe mechanische Belastbarkeit, aber nur eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Isolatoren werden überall eingesetzt, wo blanke elektrische Leiter befestigt, gehalten oder geführt werden müssen, ohne dass es zu einem wesentlichen Stromfluss durch das Befestigungselement kommen darf.
Isolatoren findet man an Freileitungsmasten, Umspannwerken, Antennen oder auch als Durchführungsisolatoren an Leistungstransformatoren, großen Kondensatoren, Abschirm-Gehäusen oder zum Beispiel Zündkerzen.
Elektrische Kabel besitzen eine Isolierung, eine elektrisch isolierende Umhüllung.
Grundsätzliches
Materialien
Isolatoren bestehen aus Stoffen mit möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit, zum Beispiel:
- Spezialkeramik mit hohen Aluminiumoxidanteilen
- Steatit
- Porzellan
- Glas
- glasfaserverstärkte Kunststoffe im Innenbereich
- hydrophobe Kunststoffe im Außenbereich. Die Hydrophobie verhindert die Bildung von leitfähigen Tropfenspuren, die ansonsten zu einem Fremdschichtüberschlag führen können.
Im Freien eingesetzte Isolatoren müssen gegen Ultraviolettstrahlung dauerbeständig sein.
Isoliereigenschaften
Je höher der spezifische Widerstand des Isolator-Körpers, desto besser ist grundsätzlich seine Isoliereigenschaft. Das oft für Isolatoren verwendete Glas hat einen spezifischen Widerstand von 1010 bis 1014 Ωm. Porzellan oder bestimmte Kunststoffe besitzen teilweise ein noch höheres Isolationsvermögen.
Kriechstrom
Isolatoren im Freien unterliegen ungünstigen Umwelteinflüssen wie Regen, Schnee, großen Temperaturänderungen, Staubablagerungen und direkter Sonnenbestrahlung. Während Temperaturänderungen sich kaum auf die Eigenschaften eines Isolators auswirken, können Wettereinflüsse wie Starkregen, Eisregen oder Schneeablagerung die elektrische Isolationsfähigkeit erheblich herabsetzen. Zwar bleibt das Material des Isolators selbst praktisch nichtleitend, aber infolge von Verschmutzung und Nässe kann sich auf der Oberfläche des Bauteils ein hinreichend leitfähiger Film bilden, der die Funktion des Isolators beeinträchtigt. Dann entsteht ein so genannter Kriechstrom entlang seiner Oberfläche, der im günstigen Fall nur einen Übertragungsverlust bewirkt, im ungünstigen jedoch auch zu einer Gleitentladung und in Folge zu einem Überschlag, einem Lichtbogen und folglich zu einem Kurzschluss oder einem Erdschluss führen kann.
Um Kriechströme möglichst klein zu halten, ist es zweckmäßig, den Kriechweg an der Außenseite des Isolators zu verlängern. Deshalb werden Isolatoren nicht mit „gerader“ Oberfläche, sondern mit glockenförmigen Schirmen oder Rippen gefertigt, die den Kriechweg erhöhen. Dachförmig abgeschrägte Schirme sorgen auch bei Regen für trockene – und damit schlechter leitfähige – Abschnitte an ihrer Unterseite.
Bauformen
Isolatoren für Spannungen über 1 kV werden heute vorwiegend als komplettes Bauteil aus keramischen Werkstoffen hergestellt (Langstabisolator). Die Tragfunktion übernimmt der zentrale Strunk, die Schirme oder Rippen dienen der Kriechwegverlängerung. Die metallenen Befestigungsarmaturen an beiden Enden werden mit festen Zementen angebracht. Bei den neuartigen Silikonisolatoren besteht der Strunk aus hochfestem glasfaserverstärktem Kunststoff, die Schirme aus Silikon werden mit einer Klebeverbindung aufgebracht.
Ältere Leitungen sind häufig noch mit Kappenisolatoren ausgestattet. Diese Isolatoren werden nicht als Ganzes gefertigt, sondern aus einzelnen Metall-Glas-Isolierelementen zusammengesetzt, die in der benötigten Stückzahl ineinandergehängt werden. Aus denselben Grundelementen lassen sich so Isolatoren für alle Nennspannungen und Anwendungen anfertigen, wodurch diese Technik sehr wirtschaftlich ist. Da die Elemente ineinander beweglich gelagert sind, bilden sie biegsame Isolatoren, die Seitenkräfte besser aufnehmen können als Langstabisolatoren. Im Gegensatz zum Langstabisolator sind sie jedoch nicht durchschlagsicher, bergen also das Risiko, von Überspannungen (beispielsweise bei Blitzschlag ins Leiterseil) durchschlagen und mechanisch beschädigt zu werden.[1] Daher werden sie in Mitteleuropa bei Neu- und Umbauten nicht mehr eingesetzt.
Die Leiterseile werden am Isolator mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart vom Anwendungszweck abhängt: Bei Tragmasten muss nur das Gewicht des Leiterseil-Abschnitts getragen werden, während bei Abspannmasten die deutlich höhere Seilzugkraft von der Klemme aufgenommen werden muss.
Isolatoren zur Befestigung von Oberleitungen (Fahrleitungen) unterscheiden sich nicht grundlegend von denen für Freileitungen, müssen aber für die besonderen mechanischen Belastungen der Oberleitung ausgelegt sein. Isolatoren für Stromschienen müssen die schwere Stromschiene tragen. Häufig dient auch eine vorhandene Schutzabdeckung als Isolation zur isolierten Befestigung wie bei der Berliner S-Bahn.
Hochspannungsisolatoren sind oft mit einer Funkenstrecke als Überspannungsableiter ausgerüstet, um bei Überspannung (Blitzschlag) den energiereichen Lichtbogen vom Isolator fernzuhalten und ihn durch bestimmte Gestaltung zum Verlöschen zu bringen.
Anwendungen
Freileitungen
Niederspannung und Mittelspannung
Als Isolatoren für früher übliche Fernsprechfreileitungen und Niederspannungs-Freileitungen bis 1 kV Nennspannung werden meist knopfförmige Keramikkörper verwendet, an deren Kappe das Leiterseil mit einer speziellen Schlinge befestigt wird. Sie sind stehend auf Metallhaken gekittet oder gehanft (das heißt: mit einer Hanfeinlage aufgeschraubt), mit denen sie an Masten oder Wände montiert sind.
Auch werden in diesem Bereich keramische Isoliereier verwendet, welche ausschließlich unter Druckspannungen bei Abspannungen eingesetzt werden. Da die Isolationsfähigkeit von Isoliereiern infolge der kurzen Kriechwege gering ist, kommen sie nur für den Niederspannungsbereich in Betracht. Zur Erhöhung der Isolationsspannung kann man mehrere Isoliereier hintereinander einsetzen.
Für Mittelspannung (Bereich 1 kV bis 30 kV) werden meist gerippte Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die entweder auf den Traversen der Masten stehen als auch darunter hängen können. Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten konstruktionsbedingt mehr Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils (beim Isolatorbruch fällt es auf die Traverse). Hängende Isolatoren können Querkräften (etwa durch Seitenwind) durch seitliche Auslenkung ausweichen und werden somit weniger auf Biegung beansprucht. Zudem stellen die spannungsführenden Leiterseile bei hängender Anordnung keine so große Gefahr für Vögel dar, die auf der Traverse landen.
Hoch- und Höchstspannung
Isolatoren für Hochspannung (30 kV bis 150 kV) werden nur in hängender Ausführung verwendet. Die Technik der Befestigung der Leiterseile unterscheidet sich nicht von der im Mittelspannungsbereich angewandten Technik. Häufig werden Doppelisolatoren verwendet. Für Bahnstromleitungen werden die gleichen Typen wie für Drehstromleitungen verwendet.
Isolatoren für Höchstspannungen (> 150 kV) werden häufig als Ketten aus zwei oder mehreren Isolatoren für Hochspannung hergestellt (Isolatorkette). Neben den klassischen Isolierstoffen Glas und Porzellan kommen vermehrt auch hochfeste Kunststoffe zum Einsatz. In Deutschland werden für 380-kV-Leitungen grundsätzlich doppelte Isolatoren verwendet. Für sehr hohe statische Anforderungen können auch drei oder vier parallele Langstabisolatoren oder Isolatorketten verwendet werden.
Isolatoren für die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung unterscheiden sich prinzipiell nicht von den für Wechselspannung verwendeten Typen, ihre Beanspruchung bei gleicher Spannung ist sogar geringer, da die Vorentladungen (z. B. bei feuchtem Wetter) geringer sind.
Antennen
Sendemasten
Besondere Anforderungen werden an die Isolatoren von selbststrahlenden Sendemasten gestellt, denn diese müssen bei hohen Sendeleistungen Spannungen von bis zu 300 kV und Lasten von bis zu 1000 Tonnen tragen können. Man verwendet hierfür zur Isolation der Pardunen Gurtbandisolatoren aus Steatit und zur Isolierung der Türme und Masten Hohl- oder Massivkörper aus Steatit, auf denen exakt passend der Aufliegekörper, der den Turm oder Mast trägt, befestigt ist.
Der Mastisolator muss bis zum Einbau in einer Pressvorrichtung liegen. Der Turm oder Mast wird zum Einbau des Isolators hydraulisch gehoben und langsam auf dem Isolator abgesetzt.
Drahtantennen
Abspannseile von Sendemasten und Oberleitungen, aber auch Drahtantennen werden mit eiförmigen Isolierkörpern isoliert, die Löcher und Rillen zur Aufnahme der Seile besitzen.
Durchführungsisolatoren
Isolator-Durchführungen führen den Leiter im Inneren entlang und isolieren ihn von einer metallischen Wandung, durch die sie ragen. Sie werden im Stromnetz zur abgedichteten Einführung in Gebäude, Gehäuse, Erdkabel, Strom- und Spannungswandler oder Transformatoren benötigt.
Kleinere Bauformen finden sich an Zündkerzen oder Kondensatoren mit Metallgehäuse. Durchführungsisolatoren besitzen zur Montage in einem Loch außen einen Flansch oder eine ringförmige lötbare Metallfläche. Der innen durchgeführte Leiter besitzt Löt- oder Schraubanschlüsse. Oft werden in den Isolatorkörper konzentrische Lagen aus Metallfolien eingelegt, die als Zylinderkondensatoren wirken und den Verlauf der elektrischen Feldstärke in radialer oder axialer Richtung steuern.
Historische Bauformen
In der Anfangszeit der elektrischen Energieübertragung wurden Isolatoren an mit Hochspannung betriebenen Freileitungen auch mit speziell geformten Ölrinnen ausgeführt. Bei diesen Isolatoren, auch als Öl-Isolator bezeichnet, wurde das Öl in eigens dafür geformten Rillen, welche kreisförmig um den Isolator geführt sind, nach der Montage eingebracht. Es diente dazu unerwünschte Kriechströme vom Leiterseil zur geerdeten Aufhängung in Folge von Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit (Nebel, Regen) zu minimieren. Außerdem ist Öl leichter als Wasser, sodass das elektrisch nicht leitende Öl bis zu einem gewissen Verschmutzungsgrad immer an der Oberfläche verbleibt und so eine elektrisch isolierende Barriere darstellt.[2]
Öl-Isolatoren werden wegen des hohen Wartungsaufwandes, Verschmutzungsproblemen und der Verfügbarkeit von effizienteren Möglichkeiten zur Verhinderungen von Kriechströmen heute nicht mehr eingesetzt.
Isolatorenmuseen
Ein Isolatorenmuseum befindet sich in Lohr am Main in einem denkmalgeschützten ehemaligen Transformatorenhäuschen an der Haaggasse. Neben einem großen Teil der privaten Sammlung des Inhabers, eines gelernten Starkstrom-Elektrikers, sind dort auch einzelne Leihgaben anderer Isolatoren-Sammler zu sehen. Dargestellt werden die unterschiedlichen Größen und Bauformen von Isolatoren sowie deren historische Entwicklung. Es teilt sich den Titel „Deutschlands kleinstes Museum“ mit einigen anderen Kandidaten.
Das Museum Margarethenhütte in Großdubrau (Sachsen) zeigt Keramik-Isolatoren und deren Herstellung aus Kaolin. Die Margarethenhütte war Hersteller von Hochspannungsisolatoren in der DDR. Die Rohstoffe der Fertigung kamen aus der Umgebung, das fertige Produkt kann noch heute (Mai 2012) in einer Hochspannungstestanlage geprüft werden.
Andere Isolator-Bauteile
Optischer Isolator
Unter einem optischen Isolator versteht man eine sogenannte optische Diode, also eine Art „Ventil“ für Licht. Dieses Bauteil lässt polarisiertes Licht nur in einer Richtung passieren: in bestimmten, in einem Magnetfeld befindlichen Materialien wird dessen Polarisationsrichtung um 45° gedreht, in der anderen ebenfalls, jedoch in der gleichen Drehrichtung und nicht etwa zurück. Der gedrehte Anteil kann mittels Polarisationsfiltern entfernt werden.
„Isolatorventile“ in der Hochfrequenztechnik
In der Hochfrequenztechnik ist ein Isolator ein Bauelement mit zwei Anschlusstoren (engl.: ports), das elektromagnetische Wellen nur in eine Richtung passieren lässt, während in Gegenrichtung idealerweise keine Leistung übertragen wird. Das in der Praxis endliche Übertragungsverhältnis zwischen Vor- und Rückrichtung wird als Isolation bezeichnet und meist in Dezibel angegeben.
Häufig wird ein solcher Isolator mit Hilfe eines Zirkulators realisiert, bei dem eines der drei Tore mit einem Abschlusswiderstand versehen ist. Die Signale werden auf diese Weise zwischen den verbleibenden zwei Toren nur in eine Richtung weitergeleitet, in der anderen Richtung werden sie auf den Abschlusswiderstand umgeleitet und dort in Wärme umgesetzt.
Eine weitere Bauart sind Faraday-Rotatoren, die prinzipiell ebenso wie optische Isolatoren funktionieren, nur dass das drehende Material ein Ferrit ist und die polarisationsbegrenzenden Elemente aus Schlitzen bestehen.
Frequenzselektive Isolatoren
Eine Hochfrequenz-Doppelleitung kann – bei bekannter Wellenlänge – mit Metallstäben gestützt und geerdet werden, obwohl keine isolierenden Werkstoffe verwendet werden. Der Innenleiter einer luftgefüllten Koaxleitung für hohe Übertragungsleistungen lässt sich auf vergleichbare Weise durch einen λ/4-Topfkreis stützen. Das gelingt, wenn die Länge der Stützstäbe exakt die Länge λ/4 beträgt, weil dann der vertikale Bügel wie ein Sperrkreis isoliert (siehe Leitungstheorie#Sonderfall λ/4).
Einzelnachweise
Weblinks
Commons: Electric insulators – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Isolator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen- Isolatorenmuseum der Stadt Lohr am Main – Sammlung Vormwald
- Museum Margarethenhütte, Großdubrau