Table of Contents
0. Einleitung
1. Bauarten von Isolatoren
1.1. Stütz-Isolatoren
1.1.1. Stützen-Isolatoren
1.1.2. Freileitungs-Stützer
1.1.2.1. Vollkern-Freileitungs-Stützer
1.1.2.2. Verbund-Freileitungs-Stützer
1.2. Ketten-Isolatoren
1.2.1. Schlingen-Isolatoren
1.2.2. Kappen-Isolatoren
1.2.2.1. Keramik-Isolatoren
1.2.2.2. Glas-Isolatoren
1.2.3. Vollkern-Isolatoren
1.2.4. Langstab-Isolatoren
1.2.5. Verbund-Isolatoren
2. Werkstoffe für Isolatoren
2.1. Keramische Isolierstoffe
2.1.1. Porzellan
2.1.2. Steatit
2.1.3. Steinzeug
2.2. Glasisolierstoffe
2.3. Kunststoffe
2.3.1. Einstoff-Systeme
2.3.2. Mehrstoff-Systeme
3. Isolatorketten
3.1. Auswahl der Zubehörteile
3.1.1. Befestigung am Mast
3.1.2. Verbindungen zwischen den Isolatoren
3.1.3. Ketten-Abstandhalter für Mehrfachketten
3.1.4. Feldsteuer- und Lichtbogen-Schutzarmaturen
3.1.5. Befestigung der Leiterseile
3.1.5.1. Tragklemmen
3.1.5.2. Abspannklemmen
3.2. Mechanische Bemessung
3.2.1. Tragketten
3.2.2. Abspannketten
3.2.3. Isoliertraversen
3.3. Elektrische Bemessung
3.4. Bemessung gegen Ausnahmeeinwirkungen
3.4.1. Hochleistungs-Lichtbogen
3.4.2. Bruch eines Isolatorstranges
4. Prüfungen an Isolatoren und Isolatorketten
4.1. Prüfung der Werkstoffe für Isolatoren
4.1.1. Keramik- und Glasisolierstoffe
4.1.2. Kunststoffe
4.1.2.1. Struktur- und Umhüllungswerkstoffe
4.1.2.2. Kernwerkstoffe
4.2. Prüfungen an Isolatoren
4.2.1. Bauartprüfungen
4.2.1.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.1.2. Verbund-Isolatoren
4.2.2. Typprüfungen
4.2.2.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.2.2. Verbund-Isolatoren
4.2.3. Stichprobenprüfungen
4.2.3.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.3.2. Verbund-Isolatoren
4.2.4. Stückprüfungen
4.2.4.1. Keramik- und Glas-Isolatoren
4.2.4.2. Verbund-Isolatoren
4.3. Prüfungen an Isolatorketten
5. Begriffserklärungen
5.1. Allgemeine Begriffe
5.2. Begriffe zu Bauarten von Isolatoren
5.3. Begriffe zu Armierungsteilen von Isolatoren
5.4. Begriffe zu Isolatorketten
5.5. Begriffe zur Prüfung
5.5.1. Begriffe zu elektrischen Prüfungen
5.5.2. Begriffe zu mechanischen Prüfungen
5.6. Begriffe zum Herstellungsprozeß von Isolatoren
5.7. Begriffe zu Werkstoffen von Isolatoren
6. Aktuelle Normen
6.1. Deutsche Normen
6.2. Ausländische Normen
6.2.1. US-amerikanische Normen (American National Standards)
6.2.2. Britische Normen (British National Standards)
6.2.3. Japanische Normen (Japanese Industrial Standards)
6.2.4. Kanadische Normen (Canadien National Standards)
6.3. Internationale Normen
6.3.1. lEC-Normen (International Electrotechnical Commission)
6.3.2. ISO-Normen (International Standards Organization)
6.3.3. CISPR-Normen (Comite International Special des Pertubations Radioelectriques)
6.4. Internationale Normenorganisationen
7. Literaturverzeichnis
8. Verzeichnis der genannten Isolatoren- und Armaturen-Hersteller
9. Sachwortverzeichnis
Impressum - Kontakt

Dr.-Ing. Horst Klengel, VDE

Isolatoren und Armaturen für Isolatorketten in Starkstrom-Freileitungen

Radebeul, 2009


Impressum


Covergestaltung: Johannes Krüger

Unter Verwendung des Bildes "Kraftübertragung" von Georg Richter-Lößnitz (1891 - 1938).


Digitalisierung: Johannes Krüger

© 2020 andersseitig

ISBN

9783966510707 (ePub 2020 2. Auflage)

9783966510714 (mobi 2020 2. Auflage)

9783955011260 (PDF 2009 1. Auflage)



logimpressumepub


(mehr unter Impressum-Kontakt)







Das Buch ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das Übersetzen in fremde Sprachen, vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlags ist es auch nicht gestattet, diese Bücher oder Teile daraus auf fotomechanischem Wege zu vervielfältigen oder unter Verwendung elektronischer Systeme zu verarbeiten oder zu verbreiten.

0. Einleitung

Bei der Übertragung elektrischer Energie über größere Entfernungen schaffen Starkstrom-Freileitungen nach wie vor die Voraussetzungen für eine sichere, wirtschaftliche und verbraucherfreundliche Versorgung der Abnehmer mit dieser Energie. Der steigende Verbrauch von Elektroenergie sowie die aktuellen Herausforderungen durch

fordern jedoch eine Anpassung der vorhandenen Verteilungs- und Übertragungs-Freileitungsnetze. Die jetzige Infrastruktur der Netze in Deutschland, die in den vergangenen wachstumsstarken Jahren entstand, erreicht zunehmend das Ende ihrer Lebensdauer. Neue Netzstrukturen müssen errichtet und so dimensioniert werden, damit

Starkstrom-Freileitungen sind elektrotechnische Anlagen zur oberirdischen Fortleitung elektrischer Energie, die aus frei gespannten Leitungsseilen sowie den dafür erforderlichen Stützpunkten (Mast mit Gründung und Erdung) mit speziellen Bauelementen, wie Isolatoren und Armaturen, bestehen. Zur Planung, Berechnung und Ausführung von Starkstrom-Freileitungen sind zahlreiche deutschsprachige Fachbücher erschienen. Hier seien dazu als Beispiele nur die Bücher von Girkmann/Königshofer aus dem Jahre 1952 [37], von Großpetsch von 1965 [26]  oder die von Kießling und Mitarbeitern von 1993 [734] und 2001 [735] genannt.

Die Vielzahl und die Wichtigkeit der in einer Starkstrom-Freileitung eingebauten Isolatoren mit ihren Armaturen sind der Anlaß zu dem Versuch, im vorliegenden Buch in Ergänzung zur vorliegenden Fachliteratur die technische Entwicklung und die Eigenschaften dieser speziellen Bauelemente in den nachfolgenden Abschnitten zu untersuchen und zu beschreiben. Dabei wurde auf eine Betrachtung der Entwicklung und der Eigenschaften der zu einer Starkstrom-Freileitung ebenfalls gehörenden Leitungsseile und Leitungsseil-Armaturen nicht bzw. nur im erforderlichen Umfang eingegangen, da hierfür ein späteres Buch vorgesehen ist.

Die elektrischen Grundaufgaben eines Isolators bzw. einer Isolatorkette in Starkstrom-Freileitungen sind:

Darüberhinaus müssen die statischen und dynamischen mechanischen Kräfte einer Starkstrom-Freileitung, die durch das Leitungsseil in den Isolator oder die Isolatorkette eingeleitet werden, mit ausreichender Sicherheit von diesen Bauelementen aufgenommen werden.

Die erwartete Nutzungsdauer von Freileitungs-Isolierungen beträgt mehrere Jahrzehnte. In dieser Zeit soll der Aufwand für Überprüfung, Instandhaltung und Reparatur minimal sein. Deshalb ist deren Bemessung und Auswahl besonders nach folgenden Kriterien vorzunehmen:

Die Isolatoren und Isolatorketten für Starkstrom-Freileitungen haben als Bauelemente mit der ständigen Weiterentwicklung der Drehstrom-Übertragung zu immer höheren Betriebsspannungen einen besonders großen Wandel erfahren. Antrieb für diese Entwicklung waren die ständig steigenden Anforderungen an deren elektrische und mechanische Festigkeit. Der spätere Übergang zur Gleichstrom-Übertragung über Starkstrom-Freileitungen stellte an die Isolatoren-Hersteller weitere neue Entwicklungsaufgaben, die gegenwärtig noch weitere umfangreiche Arbeiten erfordern.

1. Bauarten von Isolatoren

1.1. Stütz-Isolatoren

Stütz-Isolatoren sind Isolatoren, die aus einem Isolierkörper bestehen, der mittels einer metallenen Armatur (Stütze oder Kappe) am Mast befestigt wird und an dem sich das Leiterseil durch einen Drahtbund oder durch andere Mittel befestigen läßt.

Es wird unterschieden in:

Stützen-Isolatoren (pin type insulators) mit Innenbefestigung der metallenen Armatur.

Diese besitzen einen aus einem Stück oder mehreren dauerhaft miteinander verbundenen Stücken bestehenden glockenförmigen Isolierkörper mit einem oder mehreren Schirmen. Typisch für diesen Isolator ist die in die Bohrung im Isolierkörper ragende metallene Stütze, die durch Kittung oder auf andere Art fest mit dem Isolierkörper verbunden ist und gleichzeitig zur Befestigung des Stützen-lsolators am Mast dient. Der auf unterschiedliche Weise mit dem Leiterseil verbundene Isolator wird auf Biegung beansprucht, der Isolierkörper auf Druck und Scherung.

Der Isolierkörper kann aus Porzellan, Glas oder Kunststoff bestehen.

In elektrischer Hinsicht ist der Stützen-Isolator ein durchschlagbarer Isolator (Typ B).

Stützen-Isolatoren werden

Freileitungs-Stützer (line-post type insulators) mit Außenbefestigung der metallenen Armatur.

Diese haben einen zylinderförmigen Vollkern- oder Verbund-Isolierkörper mit mehreren Schirmen. Kennzeichnend für diesen Isolator ist die am unteren Ende des Isolierkörpers aufgekittete metallene Kappe (Fußarmatur), in die Metallteile (Schrauben, Bolzen usw.) zur Befestigung des Freileitungs-Stützers am Mast eingeschraubt werden. Der mit dem Leiterseil auf unterschiedliche Weise verbundene Isolator wird nur auf Biegung belastet.

Der Vollkern-Isolierkörper kann aus Keramik oder Kunststoff bestehen. Verbund-Isolierkörper bestehen aus zusammengesetzten Kunststoffteilen (GfP-Kern mit aufgesetzten Kunststoffschirmen) und besitzen am oberen Ende des Isolierkörpers zusätzlich eine metallische Kappe (Kopfarmatur).

In elektrischer Hinsicht ist der Freileitungs-Stützer ein nichtdurchschlagbarer Isolator (Typ A).

Freileitungs-Stützer werden bis zu Nennspannungen von 500 kV eingesetzt.

1891 baute Oskar von Miller die erste deutsche Drehstrom-Fernübertragung über eine Entfernung von 175 km von Lauffen am Neckar nach Frankfurt am Main mit 15 kV bzw. später mit 25 kV Betriebsspannung unter Verwendung von 3282 Holzmasten und der entsprechenden Anzahl von Porzellan-Isolatoren [21], [492]. Man glaubte damals, dass man sich nicht allein auf das Porzellan verlassen kann. Es wurden deshalb Stützen-Isolatoren aus Porzellan mit ölgefüllten Innenrinnen (sog. "Öl-Isolatoren") verwendet, die bei der Ausführung dieser Freileitung

- zu 1/3 aus von der Margarethenhütte Großdubrau der Porzellanfabrik Schomburg & Söhne gelieferten zweiteiligen Porzellan-Stützen-Isolatoren mit 3 ölgefüllten Rinnen im Inneren für die Teilstrecke Lauffen-Eberbach (Bild 2)

bestanden [22] bis [27].

Bei der Fertigung der helmartigen 2-teiligen Stützen-Isolatoren (Bild 2) traten damals zahlreiche Trockenrisse auf. Deshalb konnten zum Zeitpunkt des Liefertermines nur 1/3 der ursprünglich für die gesamte Leitungsstrecke vorgesehenen Isolatoren zur Verfügung gestellt werden. Die Reststrecke mußte mit den lieferbaren einteiligen Glocken-Isolatoren (Bild 1) bestückt werden [28]. Während des Betriebes der Freileitung ergab sich dann jedoch, dass die Glocken-Isolatoren mit nur einer Ölrinne den Anforderungen vollkommen gerecht wurden.


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Bild 1: Glocken-Isolator mit eingezogenem Rand und 1 Ölrinne


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Der Grundgedanke dieser Öl-Isolatoren war (nach Johnson und Phillips, 1876), den Kriechweg entlang der Porzellanoberfläche, der durch Schmutz und Feuchtigkeit leitfähig werden könnte, durch eine "Ölstrecke", die gegen Regen und Wind geschützt ist, zu unterbrechen. Nachteilig und wirtschaftlich kaum vertretbar war dabei, dass die Isolatoren öfters "nachgeölt" werden mußten, das heißt, das Öl in den Rinnen mußte aufgefüllt werden.

Die Anordnung der Stützen-Isolatoren und die Befestigung der Stützen am Holzmast der Freileitung Lauffen-Frankfurt zeigt Bild 3.

Diese Fernübertragung wurde der Auftakt für die Entwicklungsgeschichte des Freileitungs-Isolators.

Vorbild für die Konstruktion der ersten Hochspannungs-Isolatoren und der Isolatoren nachfolgender Starkstrom-Freileitungen waren die Telegrafen-Stützen-Isolatoren der bereits bekannten oberirdischen Telegrafenleitungen, nämlich

- der Glockenisolator von Werner von Siemens (1849) und

- die Doppelglocke von v. Chauvin (1858) [20], [22], [24] (Bild 4).

Praktische Bedeutung hat nur die Doppelglocke erlangt. Sie wurde in vielen Ländern, teilweise in abweichender äußerer Form, eingesetzt. Ihre technische Überlegenheit beruhte auf folgenden Vorteilen [20], [24]:

1862 führte die deutsche Reichspost für Fernmelde-Freileitungen 2 unterschiedlich große Doppelglocken-Isolatoren ein (Bild 5), die sog. "Reichspost-Modelle" (RM) [28]. Der Doppelglocken-Isolator RM I war auch lange Zeit für Freileitungen bis 0,5 kV zugelassen. Es war hierfür lediglich eine Kennzeichnung der Isolatoren vorgeschrieben, um sie nicht mit denen für Fernmelde-Freileitungen zu verwechseln.


Parallel dazu entstand 1869 ein französischer Stützen-Isolator mit Luftkammer für Starkstrom-Freileitungen (Bild 6) [24]. Bei diesem 2-teiligen Isolator wurde die Taubildung auf den Oberflächen im Inneren des Isolierkörpers völlig unterbunden. Dieser Isolator setzte sich jedoch auf Grund seiner schwierigen Herstellungsweise nicht durch.


1901 wurde von der Porzellanfabrik Hermsdorf aus der bewährten Telegrafen-Doppelglocke nach Bild 5 ein Dreifachglocken-Isolator für Hochspannung bis 13 kV entwickelt und hergestellt (Bild 7) [28]. Die Formgebung dieses Isolators war jedoch noch nicht ausgereift. Im Vordergrund der Entwicklung standen die Verbesserung der Porzellanqualität durch intensive Werkstoffentwicklung sowie eine verbesserte Brandführung des keramischen Sinterprozesses und nicht die elektrotechnischen Eigenschaften des Isolierkörpers.


Parallel dazu entstanden ebenfalls in der Porzellanfabrik Hermsdorf für Betriebsspannungen bis 500 V NS-Starkstrom-Isolatoren, die sog. "Rillen-Tellerisolatoren" mit der Bezeichnung "RTI" (Bild 8) [28].


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Bild 8: NS-Starkstrom-Isolatoren RTI bis 500 V (Rillen-Tellerisolatoren, 1901)


1920 wurden für diese NS-Starkstrom-Isolatoren Normenentwürfe veröffentlicht [29]. Als Grundsatz galt, dass schon äußerlich durch die Formgebung der Isolatoren zum Ausdruck zu bringen ist, dass es sich um Starkstrom-Isolatoren handelt. Außerdem wurde bei diesen Isolatoren die Halsrille merklich vergrößert, der Kriechweg wurde kleiner und der funktionswichtige Überschlagweg größer. Es wurde außerdem festgelegt, die Bezeichnung für diese Isolatorentypen von "RTI" in "N" zu ändern. 1921 wurde diese VDE-Norm als verbindlich erklärt [30].

Später, 1941, entstand daraus die Norm DIN 48 150, in der zusätzlich ein Nullleiter-Stützen-Isolator mit der Bezeichnung "NO" aufgenommen wurde (Bild 9).


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Bild 9: Nullleiter-StützenIsolator "NO" (1941)


Die ersten Hochspannungs-Isolatoren waren mehr oder weniger "gefühlsmäßig" entstanden. Mit Beginn des umfassenden Freileitungsbaues lernte man jedoch, die Isolatoren den tatsächlich auftretenden elektrischen und mechanischen Anforderungen anzupassen. Eine systematische, wissenschaftlich begründete Isolationskeramik begann sich zu entwickeln.

So entstand 1896/97 eine neue Bauform des Hochspannungs-Stützen-Isolators, und zwar fast gleichzeitig

Die "Delta-Glocke" (Bild 10), von Prof. Robert M. Friese 1897 entwickelt und durch die Porzellanfabrik Hermsdorf hergestellt, stellte einen wichtigen Meilenstein bei der Entwicklung neuer Hochspannungs-Stützen-Isolatoren dar, da eine grundsätzlich neue Form des Hochspannungs-Isolators entstand. Es war der erste auf wissenschaftlich-experimenteller Grundlage konstruierte Hochspannungs-Freileitungsisolator [23], [24]: erstmals wurden die Flächen der Porzellanschirme senkrecht zur Feldlinienrichtung angeordnet und damit Gleitfunkenentladungen vermieden. Der Name "Delta-Glocke" (Schutzmarke der Porzellanfabrik Hermsdorf) für diesen Isolator leitet sich von der deltaformigen Gestalt (Δ) der schirmartig ausgebildeten Teller ab (sog. "Helmtyp").


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Bild 10: Delta-Glocke von Friese (1897)


Zur Aufnahme des Leiterseiles waren am Kopf und am Hals der Delta-Glocke Rillen vorgesehen.

Für höhere Spannungen mußten die dann erforderlichen größeren Isolierkörper, aus mehreren Teilen zusammengesetzt werden, da man so große Porzellanteile noch nicht sicher brennen konnte (Bild 11) [32], [33].


Herausragentes Merkmal der mehrteiligen Stützen-Isolatoren war die gleichmäßige Scherbendicke bei einer gleichzeitig vorhandenen gleichmäßigen Kittfugenbreite. Außerdem wurden die gespreizten Isolatorenschirme durch eine einfache wulstartige Randverdickung widerstandsfähiger gegen Schlagbeanspruchung (z. B. beim Transport) gemacht [28].

1926 brachte Thomas Insulators (USA) einen zweiteiligen Stützen-Isolator auf den Markt, der besonders widerstandsfähig gegen Vandalismus (z. B. Steinwurf) sein sollte (Bild 12) [34].


1924 wurden für eine 50-kV-Freileitung in Schweden 4-teilige Delta-Isolatoren von der Porzellanfabrik Hermsdorf geliefert, die einen Höhepunkt in der Entwicklung des Delta-Isolators darstellten (Bild 13) [28].


Die ein- und die mehrteilige Delta-Glocke blieb für Jahrzehnte, bei ständiger Weiterentwicklung, der führende Hochspannungs-Isolator in der Welt.

Um 1898 bis 1904 entstanden auch in den USA die ersten sehr unterschiedlichen Konstruktionen von Isolierkörpern für Stützen-Isolatoren

So wurde für die 40-kV-Freileitung Provo/Utah ein Glas-Isolator mit 3 Außenrillen eingesetzt (Bild 14) [35].



Später griff die Hemingray Glass Co. (USA) die Fertigung von Glas-Stützen-Isolatoren bis 15 kV aus einem Stück auf (ähnlich Bild 14) und fertigte diese viele Jahre [36].

Auch in Frankreich begann nach 1920 die Herstellung von Stützen-Isolatoren aus Glas, allerdings durchweg in mehrteiliger Ausführung [37]. Die Bauform lehnte sich an den deutschen HW-Typ (Bild 30) an. Bei gleichen Maßen war

Eine zweiteilige "Glasglocke" entstand 1901 für die 55-kV-Anlage am Missouri River (Bild 15), wobei das Unterteil nur die Aufgabe hatte, die bei dieser Bauweise verwendete Holzstütze zu schützen.


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Eine eigenartige Kombination aus Porzellan und Glas stellte der Isolator für die 60-kV-Anlage der Bay Conties Co. dar (Bild 16) [24], [283]:

Der pilzförmige Isolierkörper bestand aus einem Kopf aus Porzellan, welcher 2 Randnasen hatte, die das Regenwasser ablaufen ließen, sowie einem gläsernen Unterteil (Kelch), der über die ganze Stütze gezogen wurde. Die Verbindung der Glaseinzelteile erfolgte anfangs mit Schwefel, später mit Zementkitt.

Beim Einsatz der vorgenannten Stützen-Isolatoren verstärkte sich in den USA die Erkenntnis, dass nicht Glas, sondern nur die glasierte Oberfläche und die Werkstoffeigenschaften des Porzellans eine sichere Isolation einer Freileitung gewährleisten. Es entstanden daraufhin 1902 für eine 50-kV-Anlage der Shawingen Water and Power Company dreiteilige Isolatoren aus Porzellan, die mit Portland-Zement zusammengekittet waren (Bild 17) [284].


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Bild 16: Amerikanischer Porzellan-Glas-Isolator für 60 kV von Locke (1901)


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Bei weiteren Freileitungen fanden 1904 auch 4-teilige Porzelan-Stützen-Isolatoren Anwendung (Bild 18) [35].


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Bild 18: 4-teiliger amerikanischer Stützen-Isolator (1904)


Die zunächst "gefühlmäßigen" amerikanischen Festlegungen zur Gestaltung der ersten Hochspannungs-Isolatoren mündeten 1904 in den ersten technisch-wissenschaftlich fundierten Forderungen an die Konstruktion solcher Isolatoren [35]. Diese lauteten:

Hierbei wurden bereits erste Vorschläge für Arten und Methoden von Prüfungen an Isolatoren geäußert.

In den ersten deutschen Sicherheitsvorschriften für den Freileitungsbau von 1904 [39] wurde lediglich festgelegt:

Freileitungen dürfen nur auf Porzellanglocken (Doppelglocken), Rillen-Isolatoren oder gleichwertigen Isoliervorrichtungen verlegt werden. Die Glocken sind dabei in aufrechter Stellung zu befestigen.

Um beim Übergang auf höhere Betriebsspannungen den Durchmesser der Stützen-Isolatoren klein zu halten, wurde von Vernon G. Converse (USA) 1901 [35] ein neuartiger langer Isolator entwickelt (Bild 19). Dabei ist das Oberteil (Kopf) des Isolierkörpers auf einem Holzbolzen aufgeschraubt. Dazugehörige Zwischenstücke sind auf ein tragendes Unterteil aufgesteckt und ragen jeweils mit einem rohrähnlichen Ende in Rinnen des nächsten Zwischenstückes. Die Rinnen sind mit isolierendem Kitt gefüllt. Ob dieser Isolator jemals zur Anwendung kam, ist unbekannt.


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Bild 19: Stützen-Isolator von Converse (1901)


In Deutschland wurden die ein- und mehrteiligen Delta-Isolatoren von zahlreichen Porzellanfabriken hergestellt. Diese waren in einem Porzellan-Isolatorensyndikat zusammengefaßt. Die Isolatoren erhielten einheitliche Seriennummem, z. B. "J X387" ( = Stützen-Isolator HD 25), wobei das X jeweils durch die Syndikats-Nummer des Isolatoren-Herstellers ersetzt wurde.

Die Porzellanteile (Scherben) der mehrteiligen Isolierkörper

Bei der Methode "Verbinden mittels Zementkitt" sind die Porzellanteile an den Kittstellen unglasiert.

Beim "Zusammenglasieren" erfolgt die Verbindung der Einzelteile durch eine Glasur in einem 2. Brand. Durch vorheriges Schleifen an den senkrechten konischen Isolierkörperflächen werden die Teile auf das Einbringen der Verbindungs-Glasur vorbereitet [40]. Die Spalten zwischen den waagerechten Flächen der Einzelteile bleiben unverbunden und bilden dadurch oft Hohlräume. Beim Einbringen der Stütze konnte deshalb der Boden des Isolierkörper-Unterteiles leicht durchstoßen werden [41].

Seit 1920 wurde eine große Anzahl von "zusammengehanften" Isolatoren durch die Hescho Hermsdorf hergestellt. Diese haben sich wegen ihrer Nachgiebigkeit gut bewährt [28], [42]. Dabei wird über die aufgerauhte Außenfläche des Unterteiles des Isolierkörpers ein mit Leinöl getränkter Hanfüberzug aufgewickelt und darauf das mit Innengewinde versehene Oberteil aufgeschraubt. Nach längerer Betriebszeit führten hier allerdings Leiterseil-Schwingungen zu Lockerungs- und Korrosionserscheinungen [28].

An mehrteiligen Delta-Isolatoren kam es nach 3- bis 5-jährigem Betrieb zu zahlreichen Betriebsstörungen durch Zerspringen des Isolierkörpers. Umfangreiche Untersuchungen [32]  führten zu folgenden Erkenntnissen:

Daraus konnte geschlossen werden:

Die Ursache für das Zerspringen des Isolierkörpers von mehrteiligen Stützen-Isolatoren ist der Überdruck innerhalb des Isolierkörpers, der durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungs-Koeffizienten von Kittwerkstoff und Porzellan bei Temperaturänderungen entsteht. Je nach Zusammensetzung des Kittwerkstoffes ist dessen Wärmeausdehnungs-Koeffizient 2 bis 4 mal größer, als der des Porzellans.

Dass das Zerspringen des Isolierkörpers erst nach mehrjähriger Betriebszeit auftrat, wurde damit erklärt, dass Zementkitt in den ersten Jahren noch etwas nachgiebig ist und erst nach einer Reihe von Jahren seine endgültige starre Beschaffenheit annimmt.

1919 vertrat die Porzellanfabrik Freiberg die Ansicht [48], dass sich mehrteilige, mit Kitt verbundene Isolatoren einwandfrei herstellen lassen, wenn die Ursachen für das Zerspringen der Isolatoren, wie

beseitigt werden. Als zweckmäßiger Kitt wurde eine 1921 von dieser Porzellanfabrik entwickelte Zementmischung (Magerung mit feingemahlenem Quarz), der sog. "Teleo-Kitt", angesehen, der im abgebundenen Zustand ungefähr die gleiche Wärmeausdehnung besitzt, wie Porzellan [49], [50]. Außerdem weist dieser Kitt eine höhere Festigkeit als übliche Sandzementmischungen auf. Als weitere Maßnahme wurde die Anwendung elastischer Anstriche zwischen Kitt und Porzellan empfohlen.

Um die Isolatorenbrüche durch unzweckmäßige Kittung zu verhindern, wurde 1926 von der Porzellanfabrik PINCO (USA) von der herkömmlichen Kittmethode "Zement auf den gesamten Kittflächen" abgegangen [51]. Man schlug vor, die Lochböden der einzelnen Isolierkörperteile mit einer elastischen Masse zu versiegeln und danach die Kittung an den senkrechten konischen Flächen vorzunehmen. Dazu wurden die senkrechten nicht glasierten Innenseiten der Isolierkörperteile mit einer Wellung versehen, die nicht glasierten Außenseiten dagegen blieben glatt (Bild 20). Als Kittwerkstoff wurde Portland-Zement verwendet.


Eine andere Methode der Kittung fand bei Ohio Brass (USA) Anwendung (Bild 21) [52]: Auf den konischen Kittflächen wurden Porzellankömer anglasiert, danach wurden die Teile mit Portlandzement verkittet.

Der Innenraum des fertigen Isolierkörpers wurde nach dem Vorbild der Telegrafen-Stützen-Isolatoren normalerweise mit einem Porzellan-Rundgewinde zur Aufnahme der Stahlstütze versehen. Allerdings wurde dieses Rundgewinde von den Herstellern sehr unterschiedlich ausgeführt (Bild 22) [53].

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Bild 22: Rundgewinde im Isolierkörper von Stützen-Isolatoren (USA)


Während anfangs auch in Deutschland die Art des Innengewindes im Isolierkörper dem Hersteller überlassen war, schrieb man später dafür Rundgewinde nach DIN 405, T. 1 vor. Auch für am Schaftende mit Gewinde versehene Stützen wurde diese Gewindeart angewendet.

Anfänglich wurden die mehrteiligen Isolierkörper aus Fabrikationsgründen zylindrich gedreht und mit ebenem Boden versehen. Die dabei entstehenden scharfen Kanten erleichterten das Entstehen von Rissen. Ab 1916 wurde deshalb die halbkugelige Form der Kittflächen für alle mehrteiligen Isolatoren vorgesehen (Bild 23).


Systematische Weiterentwicklungen der Stützen-Isolatoren des Delta-Types führten zu deren Normalisierung mit der Typenbezeichnung "HD" (Bild 24) [31]. Diese Bezeichnung, geht auf die Firmenbezeichnung "Hermsdorf-Delta-Isolator" zurück.

Die Normung für die Betriebsspannungen 6 kV bis 35 kV (VDE-Bezeichnung: HD 6 bis HD 35) wurde 1920 eingeleitet [24], [29], [30] und 1932 mit der Veröffentlichung der DIN VDE 8002/VI.32 abgeschlossen. Darin wurde jedoch die Verbindungsart der Isolierkörper-Einzelteile bei mehrteiligen Isolierkörpern nicht festgelegt.

In DIN VDE 8002 waren für ein- und mehrteilige Ausführungen der Isolierkörper noch unterschiedliche Bruchfestigkeiten angegeben. Sie betrugen bei mehrteiligen nur 80 bis 90 % der der gleichen einteiligen Isolierkörper. Nach einer späteren grundlegenden Überarbeitung dieses Normblattes entfielen diese Unterschiede. Das neue Normblatt erhielt die Bezeichnung DIN 48 002/12.40.


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Die erste 40-kV-Freileitung Europas Gromo-Nembro (Italien), die 1905 BBC baute, wurde bereits mit 2-teiligen Hermsdorf-Delta-Isolatoren ausgerüstet [55]. Bei einer 1908 von der BBC in Italien (Novara/Anza) errichteten 45-kV-Freileitung verwendete man 3-teilige Stützen-Isolatoren mit gebogenen Stützen an Holzmasten (Bild 25) [56].

1911 bis 1914 entstanden die ersten Vorschläge für die Anordnung von Stützen-Isolatoren an Stahl-Gittermasten, bei den älteren Leitungen mit Anordnung des Erdseiles unterhalb der Leiterseile, bei den jüngeren Leitungen mit dem Erdseil auf der Mastspitze (Bild 26).


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Bild 26: Anordnung von Stütz-Isolatoren auf Stahl-Gittermasten (1914)



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1908 wurden für eine 35-kV-Freileitung zur Urft-Talsperre Stahlgitter-Maste an den Wegübergängen mit Stahl-Auslegern zur Befestigung der Drähte von Schutznetzen eingesetzt (Bild 27) [57].

In den ersten deutschen Sicherheits-Vorschriften für den Freileitungsbau von 1904 war vorgeschrieben, dass bei Kreuzungen mit anderen Leitungen Schutznetze oder Schutzdrähte zu verwenden sind. Durch ihre Form und Lage gegenüber den Leitungsdrähten mußte dafür gesorgt werden, dass

Für die Schutznetze verwendete man Stahldraht, wobei die Längsdrähte 2,5 mm bis 5 mm Durchmesser und die Querdrähte 1,5 mm bis 4 mm Durchmesser besaßen. IWH empfahl 1919 für die Verbindung der Längs- und Querdrähte von Schutznetzen Knotenverbinder entsprechend (Bild 28) [58], [59].


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Bild 28: Knotenverbinder für Schutznetze


Die 2-teiligen Knotenverbinder aus verzinktem Stahlblech wurden mit Hilfe von Schlagwerkzeugen (Bild 29) mit dem Hammer an den Knotenstellen von Längs- und Querdrähten zusammengepreßt.

Für Gegenden mit besonders schwierigen Umweltverhältnissen entstand 1921 aus dem Delta-Isolator durch die Firma Schomburg & Söhne der Weitschirm-Isolator (sog. "Kammertyp") mit der Typenbezeichnung "HW" (Bild 30) [28], [31], [60], [61].


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Bild 30: Weitschirm-Stützen-Isolatoren ohne Kopfrille, Typenreihe "HW" (1921) [54]


Im Gegensatz zur "Helmtype" (Delta-Glocke) sind beim Weitschirm-Isolator tief einschneidende Hohlräume vermieden und dafür nach unten verlaufende Rippen am oberen Schirm angeordnet. Dadurch entstehen zahlreiche "Kammern", die bei Regen trocken bleiben. Auf Grund seiner schwierigen Herstellung hat sich der Weitschirm-Isolator in Deutschland nur in geringem Umfang eingeführt [62].

Problematisch war in mechanischer Hinsicht bei diesen Isolatoren der hohe Angriffspunkt des Leiterseiles in der Kopfrille gegenüber dem Stützenende. Dadurch wurde das Oberteil (Kopf) ungünstig belastet, besonders bei 3- und 4-teiligen Isolierkörpern.

Die Normung der Weitschirm-Isolatoren mit Kopfrille, unter der Bezeichnung "Stützen-Isolator HW", wurde mit der Einführung der DIN VDE 8003/IV.32 abgeschlossen. Bei einer späteren grundlegenden Überarbeitung des Normblattes erhielt dieses die Bezeichnung DIN 48 003/12.40.

Später konnte man die mehrteiligen Typen der Delta- und der Weitschirm-Isolatoren auch mit einteiligen Isolierkörpern, mit entsprechend dicken Wandstärken herstellen. Dafür schlug z. B. die Porzellanfabrik Kloster Veilsdorf 1926 für die Nennspannungen 10 kV bis 25 kV sog. "durchschlagsichere" Stützen-Isolatoren entsprechend (Bild 31) vor [29].


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Bild 31: Sog. "durchschlagsichere" Stützen-Isolatoren der Porzellanfabrik Kloster Veilsdorf (1926), links: für 10 kV, rechts: für 25 kV


Unabhängig von dieser gewählten Bezeichnung ist ein Stützen-Isolator jedoch stets ein nicht durchschlagfester Isolator, da der Durchschlagweg zwischen Leiterseil und Stütze wesentlich kleiner als der Überschlagweg ist (Bild 32).



Als Endformen dieser Entwicklung entsprechend Bild 31 entstanden in Deutschland die Typenreihen

* VHD nach DIN VDE 8004/IV.32 (verstärkter Stützen-Isolator für Nennspannungen 10 kV bis 35 kV, der später mit "St" bezeichnet wurde) und

* VHW nach DIN VDE 8005/IV.32 (verstärkter Weitschirm-Stützen-Isolator, ebenfalls für 10 kV bis 35 kV) [24], [42], [63].

Beide Typenreihen haben eine höhere Durchschlagfestigkeit als der Delta-Isolator, da das Loch für die Stütze im Isolierkörper nicht bis zur Höhe der Halsrille reicht und an der elektrisch am höchsten beanspruchten Stelle eine dicke Porzellanwand vorhanden ist (Bild 33, rechts) [62], [64].


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Nach einer grundlegenden Überarbeitung der DIN-VDE-Normblätter erhielten diese eine neue Bezeichnung:

1931 kamen Stützen-Isolatoren auf den Markt, die Salzablagerungen (Bild 34) [24] und starke Verschmutzungen durch Industrieluft (Bild 35 und Bild 36) [24], [53] beherrschen sollten.


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Bild 34: Stützen-Isolator für Gegenden mit Salzablagerungen


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Bild 35: Stützen-Isolator für starke Industrie-Luftverschmutzung


Zum Schutz von Stützen-Isolatoren vor Lichtbögen, die nach Überschlägen durch Blitzeinschläge in die Freileitung am Isolator entstehen können, wurde 1909 von L. C. Nicholson erstmals an der Stütze eines Stützen-Isolators ein metallischer Schutzring angebracht (Bild 37) [67], [68], [315]. Dadurch erfolgt der Durchschlag der Luftstrecke mit nachfolgendem Lichtbogen vom Isolierkörper entfernt, zwischen Schutzring und Leiterseil.


1910 brachte die Porzellanfabrik Rosenthal einen neuartigen Stützen-Isolator auf den Markt, der im wesentlichen nur aus einem Pozellandach und einem einzigen, die Stahlstütze umgebenden Porzellanmantel bestand (Bild 38) [65].



Auf einer 25-kV-Freileitung in der Nähe von Genua (Italien) traten 1907 schwierige Isolationsbedingungen mit normalen Stützen-Isolatoren auf [69]. Feine Wasserteilchen, die der Wind von der Seeseite heranblies, blieben auf den Isolatoren haften. Nach Trocknung entstand ein feinkristalliner Überzug, auf dem Staub und Ruß haften blieb. Diese Schicht wuchs in 2 Monaten bis zu 1 mm Dicke, bildete sich jedoch nicht auf den dem Regen ausgesetzten Flächen.

Zur Lösung des Problems schlug Anfosi [65], [69] einen Isolator vor, der nur aus einem flachen Dach und einer Hülse um die Stütze bestand (Bild 39).

Einen völlig anderen Zweck sollte dagegen der Stützen-Isolator von Ginori [65] erfüllen (Bild 40): Das Leiterseil bzw. der Leitungsdraht ist unterhalb eines Daches aus Porzellan angebracht. Durch dieses Dach werden die darunterliegenden Porzellanteile bei Regen trocken gehalten.


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Bild 39: Stützen-Isolator von Anfosi (1907)


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Bild 40: Stützen-Isolator von Ginori (1910)


Für eine 75-kV-Freileitung wurde 1910 von der Edison Electric Company (USA) ein 4-teiliger Stützen-Isolator nach Bild 41 [70] eingesetzt.

Eine Verbesserung der Isoliereigenschaften brachte der 1910 von der Porzellanfabrik Hermsdorf für Spannungen bis 25 kV hergestellte Metallschirm-Isolator [71]. Er unterscheidet sich von den Delta-Isolatoren dadurch, dass der oberste Porzellanmantel durch einen leichten Metallschirm ersetzt wurde (Bild 42).


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Bild 42: Metallschirm-Isolator der Porzellanfabrik Hermsdorf (1910)

Der weitausladende gepreßte feuerverzinkte Metallschirm sollte bei Regen die direkte Benetzung der darunterliegenden Pozellanteile verhindern.

Ähnliche Eigenschaften hat der von der Porzellanfabrik Rosenthal entwickelte Kammer-Isolator [82], [83], der 1910 für eine 66-kV-Freileitung der Hidro-electrica Espanola Madrid verwendet wurde (Bild 43).

1918 analysierte Gilchrest die in den amerikanischen Hochspannungs-Freileitungsnetzen sehr zahlreich aufgetretenen Störungen an mehrteiligen Stützen-Isolatoren und zog daraus für die richtige Konstruktion solcher Isolatoren folgende Schlußfolgerungen:

Bild 44 zeigt einen nach diesen Gesichtspunkten konstruierten Isolierkörper für einen Stützen-Isolator [72], der als Faradoid-Isolator bezeichnet wurde.


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Bild 44: Von Gilchrest vorgeschlagene Idealform eines mehrteiligen Isolierkörpers für Stützen-Isolatoren (1918, Faradoid-Isolator)


Seit 1918 beschäftigte sich ein Ausschuss des VDE mit der Bewertung und Normung von Porzellan-Isolatoren. 1920 entstanden die ersten Entwürfe für eine deutsche Norm über Freileitungs-Isolatoren [29], [30]. In den Normentwürfen wurde darauf hingewiesen, dass bei Stützen-Isolatoren Maßnahmen vorzusehen sind, die das Entstehen von Rißbildungen im Isolierkörper ausschließen.

Insbesondere sind bei zusammengekitteten Isolierkörpern

Die Befestigung der Stützen-Isolatoren auf den Mastkonstruktionen geschah in den USA zunächst mittels Holz-Stützen [28], [73]. So wurden beispielsweise 1904 Holz-Stützen

hergestellt [38], [74]. Beim mehrjährigen Betrieb derartiger Freileitungen zeigte sich jedoch, dass die Holz-Stützen durch die Einwirkung von Glimmentladungen und Ladeströmen allmählich verkohlten, bzw. direkt verbrannten. Sie wurden deshalb durch rohrförmige Stahl-Stützen ersetzt. Der Isolierkörper wurde direkt auf das Gewinde der Stahl-Stütze oder durch Zwischenlegen eines Bleifadens aufgedreht [74].

Für eine 60-kV-Freileitung am Niagarafall wurden für 3-teilige Stützenisolatoren gußeiserne Stützen mit einer breiten Grundplatte verwendet (Bild 45).


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Bild 45: Gußeiserne Stütze (USA, 1906)



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Bild 46: Rohrförmige Stahlstütze in Holztraverse eingelassen (1908)


Auch rohrförmige Stahl-Stützen, die direkt in die Holztraverse eingesteckt wurden, kamen zur Anwendung, wie 1908 auf einer 35-kV-Freileitung in Neuseeland (Bild 46) [77].

Stahl-Stützen bewährten sich gut. Man brachte aber dadurch das Erdpotenzial in das Innere des Isolierkörpers und bis auf wenige Zentimeter an das Hochspannungspotenzial heran.

Später wurde die Befestigung der Stützen-Isolatoren generell mit geraden oder gebogenen massiven Stahl-Stützen vorgenommen, die je nach Umbruchkraft des Isolators unterschiedlich ausgeführt und weitgehend normalisiert wurden (Bild 47 bis 49) [28], [29], [78].

Für die Normung der Stützen galt zunächst der Gesichtspunkt:

Für die verschiedenen Isolierkörperarten von Stützen-Isolatoren sollen möglichst gleiche Stützen verwendet werden.


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Bild 47: Gerade Stützen


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Bild 48: Gebogene Stützen für NS-Stützen-Isolatoren


Nach Vorentwürfen [28], [78] entstand 1922 eine VDE-Norm, in der festgelegt war:

        * Für gebogene Stützen sind 2 Ausführungsformen vorgesehen:

IV = bis 500 V (NS) und

V = über 500 V (HS).

Außerdem gab es in der Norm Stützen, deren Länge aus Rücksicht auf den Vogelschutz größer festgelegt war (mindestens 250 mm).