Elektroisolation

Stützisolator für Spannungen bis zu 35 kV wie er in Mittelspannungsnetzen eingesetzt wird.

Vor Regen geschützte Rippen zur Kriechwegverlängerung am Isolator einer 15-kV-Freileitung

Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das den Stromfluss zwischen elektrischen Leitern verhindert und zu deren Befestigung dient.

Isolatoren bestehen daher aus Isolierstoffen, d. h. aus Stoffen mit geringer elektrischer Leitfähigkeit. Sie dienen zur isolierten Befestigung elektrischer Leiter oder Bauteile von Freileitungsnetzen, Umspannwerken, Antennen oder auch als Durchführungsisolator an Hochspannungstransformatoren, großen Kondensatoren, Abschirm-Gehäusen oder zum Beispiel Zündkerzen.

Je höher der spezifische Widerstand des Isolator-Körpers, desto besser ist seine Isoliereigenschaft. Das oft für Isolatoren verwendete Glas hat einen spezifischen Widerstand von ρ_Glas = 10¹⁰…10¹⁴ Ωm. Porzellan oder auch Plastwerkstoffe besitzen teilweise ein noch höheres Isolationsvermögen.

Die Eigenschaften von Isolatoren können von Umgebungsvariablen wie Temperatur und Feuchtigkeit abhängig sein. Üblicherweise verringert sich die Leitfähigkeit eines Isolators bei höherer Temperatur jedoch nur wenig.

Feuchtigkeit jedoch kann die Isolation an der Oberfläche eines Isolators soweit verringern, dass seine Funktion nicht mehr gegeben ist. Bei hoher Luftfeuchtigkeit oder Regen kann daher der Kriechweg entlang der Oberfläche des Isolators entstehen und dessen Kriechstromfestigkeit nicht mehr ausreichend sein. Isolatoren werden daher oft gerippt gestaltet, wobei die Rippen für Außeneinsatz zweckmäßigerweise dachförmig abgeschrägt sind, sodass die untenliegenden Oberflächen trocken bleiben.

Materialien für elektrische Isolatoren

Glasisolatoren an einem spanischen Strommast

• Keramik (Steatit, Porzellan)
• Glas
• in Innenräumen auch teilweise glasfaserverstärkte Kunststoffe
• im Außenbereich auch hydrophobe Kunststoffe (Die Hydrophobie verhindert die Bildung von leitfähigen Tropfenspuren, die zu einem Fremdschichtüberschlag führen können.)
• Spezialkeramik aus Aluminiumoxid

Bauarten

Isolatoren einer Fernsprechfreileitung

Hängende Isolatorkette einer Hochspannungsfreileitung (400 kV), welche das Leiterbündel trägt: Die metallischen Koronaringe am Ende der einzelnen Isolatoren sollen den Krümmungsradius vergrößern, um Leistungsverluste durch Feldemission zu vermeiden.

Abspannmast der Elbekreuzung 2. Um die hohe mechanische Belastung tragen zu können, sind die Isolatorenketten vierfach ausgeführt

Freileitungen

Als Isolatoren für Fernsprechfreileitungen und Niederspannungs-Freileitungen werden meist knopfförmige Keramikkörper verwendet, um deren Kappe das Leiterseil mit einer speziellen Schlinge geschlungen wird. Sie sind stehend auf Metallhaken gekittet, mit denen sie an Masten oder Wände montiert sind.

Für Mittelspannung (Bereich 1 kV bis 30 kV) werden meist Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die zur Erhöhung des Kriechwegs gerippt sind. Kriechströme „kriechen“ über (vornehmlich verschmutzte) Oberflächen von Isolatoren oder Isoliermaterial. Wenn dieser Kriechstrom lange besteht, kann es zu einer Gleitentladung und zu einem Überschlag, einem Lichtbogen und folglich zu einem Kurzschluss kommen.

Die Leiterseile werden mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart je nach Anwendungszweck (Trag- oder Abspannklemme) unterschiedlich ist. Es gibt in diesem Spannungsbereich sowohl auf den Traversen der Masten stehende als auch hängende Isolatoren.

Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten durch die Mastkonstruktion eine Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils, während hängende Isolatoren größeren Querkräften durch seitliche Auslenkung ausweichen, sodass sie keine Biegebeanspruchung erfahren.

Isolatoren können für erhöhte mechanische Belastung auch doppelt (nebeneinander) angeordnet sein. In diesem Fall kann z. B. bei hohen Sicherheitsanforderungen ein hängender Isolator im Fall eines Isolatorbruchs das Leiterseil oft noch allein tragen.

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 entstehenden Lichtbogen vom Isolierstoff fernzuhalten und durch bestimmte Gestaltung zum Verlöschen zu bringen.

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). Daneben kommen auch Langstabisolatoren zum Einsatz. Es kommen neben Glas und Porzellan 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 Isolator 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

Isolierei, wie es auch für Amateurfunk-Drahtantennen verwendet wird

Abspannseile von Sendemasten und Oberleitungen, aber auch Drahtantennen werden mit eiförmigen Isolierkörpern isoliert, die Löcher und Rillen zur Aufnahme der Seile besitzen. Die Seilschlaufen versetzen ein solches keramisches Isolierei ausschließlich unter die von ihm besser ertragbaren Druckspannungen, indem sie, vom Ei getrennt, ineinandergreifen.
Zur Erhöhung der Isolationsspannung werden oft mehrere Isoliereier in Reihe geschaltet.

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.

Historische Bauformen

Skizze der Öl-Isolatoren, die 1891 bei der Drehstromübertragung Lauffen-Frankfurt zur Anwendung kamen. Links für 55 V Wechselspannung, rechts für 15 bzw. 25 kV

Elektromast mit Langstab-Isolatoren der Firma Hermsdorf-Schomburg-Isolatoren-Gesellschaft (Hescho) 1951

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 Umwelteinflussen wie Feuchtigkeit (Nebel, Regen) zu minimieren. Außerdem ist Öl leichter als Wasser, so dass das elektrisch nicht leitende Öl bis zu einem gewissen Verschmutzungsgrad immer an der Oberfläche verbleibt und so eine elektrisch isolierende Barriere darstellt.

Öl-Isolatoren werden wegen des hohen Wartungsaufwandes, Verschmutzungsproblemen und der Verfügbarkeit von effizienteren Möglichkeiten zur Verhinderungen von Kriechströmen heute nicht mehr eingesetzt.

Museum

Ein Isolatorenmuseum findet sich in Lohr am Main in der Haaggasse in einem denkmalgeschützten ehemaligen Transformatorenhäuschen. Neben einigen anderen wird es als "Deutschlands kleinstes Museum" bezeichnet.

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.

Isolator„ventile“ 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.

Weblinks

• Isolatorenmuseum der Stadt Lohr am Main − Sammlung Vormwald