Isolator

Stützisolator für Spannungen bis zu 35 kV wie er in Mittelspannungsnetzen eingesetzt wird. Der mittige „Strunk“ trägt die Last, die so genannten „Schirme“ außen dienen der Kriechwegverlängerung

Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektrotechnik, das den Stromfluss zwischen elektrischen Leitern verhindert und zu deren Befestigung dient. Er wird hauptsächlich zur Isolierung und zur mechanischen Befestigung der blanken Leiterseile bei Freileitungen eingesetzt.

Anwendungen

Isolatoren dienen zur isolierten Befestigung meist blanker elektrischer Leiter oder Bauteile von Freileitungsnetzen, Umspannwerken, Antennen oder auch als Durchführungsisolator an Hochspannungstransformatoren, großen Kondensatoren, Abschirm-Gehäusen oder zum Beispiel Zündkerzen. Elektrische Kabel besitzen eine elektrisch isolierende Umhüllung.

Isolatoren finden primär im Freien Anwendung und unterliegen dabei verschiedenen ungünstigen Umwelteinflüssen wie Regen, Schnee, großen Temperaturänderungen, Staubablagerungen und direkter Sonnenbestrahlung. Bestimmte Wettereigenschaften wie Starkregen, Eisregen oder Schneeablagerung auf dem Isolator reduzieren die elektrische Isolationsfähigkeit. Aus diesem Grund weisen Isolatoren meist eine gerippte oder gewellte äußere Form auf. Weiters ist eine dauerhafte Beständigkeit gegen Ultraviolettstrahlung, wie sie bei direkter Sonnenbestrahlung vorkommt, nötig.

Isoliereigenschaften

Isolatoren an einer älteren Fernsprechfreileitung

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

Die Eigenschaften von Isolatoren können von Umgebungsvariablen wie Temperatur und Feuchtigkeit abhängig sein. Üblicherweise ändert sich die Leitfähigkeit eines Isolators mit der 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 ein Kriechweg entlang der Oberfläche des Isolators entstehen und dessen Kriechstromfestigkeit nicht mehr ausreichen. Isolatoren werden daher oft mit dachförmig abgeschrägten Schirmen gestaltet, so dass die unten liegenden Oberflächen trocken bleiben.

Materialien für elektrische Isolatoren

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 zu einem Fremdschichtüberschlag führen können.)

Bauarten

Freileitungen

Isolierei (Niederspannung)

Hängende Isolatorkette mit Koronaringen an einer Hochspannungsfreileitung (400 kV).

Als Isolatoren für früher übliche Fernsprechfreileitungen und Niederspannungs-Freileitungen 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. Die Isolationsfähigkeit von Isoliereiern ist gering, insbesondere bei Regen oder Schnee, weshalb sie fast ausschließlich im Niederspannungsbereich unter 1 kV eingesetzt werden. Zur Erhöhung der Isolationsspannung werden manchmal mehrere Isoliereier hintereinander vorgesehen.

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 oder einem Erdschluss kommen, was von der Sternpunktbehandlung der auf dieses Netz einspeisenden Transformatoren abhängt.

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 Isolator fernzuhalten, um Schäden zu vermeiden, und ihn 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

Gurtbandisolator bei einem selbststrahlenden Sendemast

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

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

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.^[1]

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

Isolatorenmuseum

Das wahrscheinlich einzige Isolatorenmuseum Europas 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.

Andere Isolator-Bauteile

Mast mit Langstab-Isolatoren

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.

Einzelnachweise

1. ↑ Max Reck (Hrsg.): Zipp, Die Elektrotechnik. 6. Auflage. 1, C.A. Weller, Berlin 1940, S. 592–593.

Weblinks

•  Commons: Electric insulator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
•  Wiktionary: Isolator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
• Isolatorenmuseum der Stadt Lohr am Main – Sammlung Vormwald