Isolatoren und Armaturen für Isolatorketten in Starkstrom-Freileitungen

 1.1.2. Freileitungs-Stützer

Bei Freileitungs-Stützern wird der Isolierkörper heute als

 * Einstoff-System (Vollkern) oder

 * Mehrstoff-System (Verbund) ausgeführt [159].

Die nach dem Einstoff-System aufgebauten Vollkern-Freileitungs-Stützer besitzen einen Isolierkörper, der aus

 * Keramik (Porzellan, Steatit) oder

* Gießharz-Formstoffen (meist Epoxidharz, dessen Eigenschaften über den Gehalt an Füllstoffen eingestellt werden)

bestehen kann. Charakteristisch für diesen Isolator ist, dass seine mechanischen und elektrischen Funktionen nur von einem Werkstoff übernommen werden.

Isolierkörper für Verbund-Freileitungs-Stützer, sind als Mehrstoff-Systeme aufgebaut und bestehen aus mindestens 2 Werkstoffkomponenten, die eine Aufteilung zwischen mechanischen und elektrischen Funktionen aufweisen. Die klassische Ausführung des Isolierkörpers eines Verbund-Isolators ist

 * der faserverstärkte Harzkern (Glasfasern, die mit einer Polymermatrix verbunden sind) und

 * ein darüber angebrachter polymerer Mantel (Umhüllung mit Schirmen).

1.1.2.1. Vollkern-Freileitungs-Stützer

Um die teilweise aufgetretenen elektrischen Probleme mit den durchschlagbaren Stützen-Isolatoren zu beseitigen, entwickelte die AEG 1924 einen durchschlagsicheren Massiv-Stütz-Isolator aus Porzellan mit einer kappenartigen Fußarmatur (Bild 160). Dieser Isolator ist der 1. bekanntgewordene deutsche Vollkern-Freileitungs-Stützer [20].

Bild 160: AEG-Vollkern-Freileitungs-Stützer (1924)

Er war allerdings auf Grund der Konstruktion der Fußarmatur nur für geringe seitliche Zugbelastungen geeignet und wurde deshalb auch nur für Tragmaste eingesetzt [24].

Becker entwickelte 1936 auf der Basis des durchschlagsicheren Vollkern-Freileitungs-Isolators Freileitungs-Stützer, bei denen der Durchschlagweg durch das Porzellan etwa gleich dem Überschlagweg außen um den Isolator herum war.

Hescho Hermsdorf bietet 1941 eine Serie von neuartigen Freileitungs-Stützern aus Porzellan in 6 Größen für Nennspannungen von 10 kV bis 35 kV an (Bild 161) [160], [161]. Die Befestigung dieser Isolatoren am Mast erforderte gegenüber der der Stützen-Isolatoren weniger Aufwand: Es mußte dazu lediglich 1 Bolzen in die Fußarmatur eingeschraubt werden.

 Bild 161: Hescho-Freileitungs-Stützer (1941)

Als Hauptmerkmale dieses Hescho-Freileitungs-Stützers wurden damals genannt:

* vollwandige Ausführung (Vollkern),

 * kräftige Schirme,

 * großer Kriechweg,

 * hohe Überschlagsicherheit und

 * steinwurfsicher.

Die Freileitungs-Stützer besaßen eine ähnliche Kopfausführung mit Hals- und Kopfrille wie die Stützen-Isolatoren. Deshalb konnten für die Leiterseilbefestigung am Isolator die gleichen, vom Stützen-Isolator her bekannten Methoden bzw. Armaturen, wie Drahtbunde, Seilbügel- und Massivbügelbunde, Hakenbunde, Kopf- und Halsbundspiralen usw. übernommen werden.

Bewährte Verfahren solcher Leiterseilbefestigungen zeigen die Bilder 162 und 163 [152].

Bild 162: Kopfbund mit Wickelband

Bild 163: Kopfbund mit Schutzspirale

Obwohl die Hescho-Freileitungs-Stützer seit Jahrzehnten bekannt waren, wurden sie im Freileitungsbau wenig angewandt. Die Vorteile gegenüber den Stützen-Isolatoren, wie

 * Aufnahme höherer Umbruchkräfte,

 * hohe Widerstandsfähigkeit gegen Lichtbogeneinwirkungen und

 * völlig durchschlagsicher,

wurden nur wenig genutzt, obwohl eine ständige Weiterentwicklung dieser Isolatoren erfolgte. Dabei wurden auch die Fußarmaturen verbessert, um günstigere Befestigungsmöglichkeiten der Freileitungs-Stützer am Mast zu schaffen. Neben

 * der außen auf dem Isolierkörper aufgekitteten Kappe mit Keilbolzen-Befestigung (Bild 164 und 165) [143], [162], wurde

 * die innen im Isolierkörper eingekittete Plattenstütze mit zylindrischem oder konischem Schaft (Bild 166 und 167) [143], [147], [162] eingeführt.

Bild 164: Keilbolzen

Bild 165: Keilbolzenbefestigung am Freileitungs-Stützer

Bild 166: Plattenstützen

 Bild 167: Freileitungs-Stützer mit Plattenstütze

Die Ausführungen der Plattenstützen wurden später genormt in

DIN 48 046-1/07.90 und DIN 48 046-2/07.90.

Um die Austauschbarkeit aller Typen von Plattenstützen-Isolatoren unabhängig von ihrer Ausführungsform zu sichern, wurden die Anschlußmaße des Stützenloches für diese Isolatoren in DIN 48 139/7.82 genormt (Bild 168). Der Stützenloch-Ausguß besteht dabei aus Blei-Antimon-Legierung und besitzt Rundgewinde nach DIN 405 Teil 1.

 Bild 168: Plattenstützen-Freileitungs-Stützer, Anschlußmaße nach DIN 48 139

1947 brachte Ohio Brass (USA) eine Serie von Freileitungs-Stützern, die auf den Grundlagen der früheren Hescho-Konstruktionen aufbauten, auf den Markt (Bild 169) [52].

Bild 169: Freileitungs-Stützer von Ohio Brass (1947)

Parallel dazu und im gleichen Jahr bietet diese Firma auch Freileitungs-Stützer für höhere Spannungen an, mit der von den Stützen-Isolatoren her bekannten Kopfklemme für das Leiterseil (Tragklemme siehe Bild 112). Diese Isolatoren besaßen eine spezielle Hohlkonstruktion (Bild 170) [52].

 Bild 170: Freileitungs-Hohl-Stützer (Ohio Brass, 1947)

A = Keramik-Sperre B = Isolierkörper C = Anglasierung D = kleine Bohrung E = Korkpfropfen F = Bitumen-Dichtungsmasse

Der Hohlraum im Isolierkörper war mit Edelgas gefüllt. Um das zu erreichen, wurde während des Brandes eine vorher getrennt gefertigte Keramik-Sperre (A) an den Isolierkörper anglasiert. Nach Abkühlung wurde diese Sperre mit einer kleinen Bohrung (D) versehen, durch die das Edelgas in den Hohlraum gefüllt werden konnte. Anschließend wurde die Bohrung mit einem Korkpfropfen (E) verschlossen und mit einer Bitumen-Dichtungsmasse (F) abgedichtet.

Klay stellte 1948 einen Freileitungs-Stützer für die horizontale Montage am Mast vor, den sog. "Zapfen-Isolator", benannt nach seiner Ähnlichkeit mit einem Tannenzapfen (Bild 171).

Bild 171: "Zapfen-Isolator" nach Klay (1948)

Der Kern des Isolierkörpers dieses Isolators ist parabelförmig gestaltet. An diesem sind auseinanderstrebende Schirme angeordnet. Dadurch kann der Regen die gesamte Oberfläche benetzen und nach unten abtropfen. Es können sich keine zusammenhängenden Wasserfaden in Richtung des Überschlagweges bilden. In den Kern eingelassen sind metallische Befestigungselemente, die außer zur Befestigung der Leiterseilarmatur und der Befestigung am Mast, auch zur Verbesserung der elektrischen Feldverhältnisse dienen.

Seit 1951 liefert die Firma Lapp (USA) eine Vielzahl von Porzellan-Freileitungs-Stützern, deren Kopfausführungen (neck) den Abmessungen der USA-Standards ANSI C 29.6 und ANSI C 29.7 entsprechen (Bild 172).

 Bild 172: Lapp-Freileitungs-Stützer nach ANSI C 29.6 und C 29.7

Freileitungs-Stützer fanden erst Mitte der 50er Jahre in den Regelbauweisen für 10-kV- und 20-kV-Mittelspannungs-Freileitungen der deutschen EVU's Eingang [163]. Grund dafür war vor Allem die Einführung von Weitspannsystemen, bei denen die Forderung nach verbesserten Stütz-Isolatoren auftrat. Dadurch entstanden auch neue Forderungen an die Isolatoren- und Armaturenhersteller.

Nachdem sich Karl [62] in der Nachkriegszeit mit der Konstruktion verschiedener Längsbund- und Mittelbund-Isolatoren befaßt hatte, stellte die Porzellanfabrik Rosenthal 1953 Längsbund-Freileitungs-Stützer, mit dem vom Stützen-Isolator her bekanntem Kopf (Bild 129) und 1954, als Weiterentwicklung, den K-Mittelbund-Freileitungs-Stützer, mit dem ebenfalls bereits vom Stützen-Isolator bekanntem Kopf, her (Bild 173) [164].

Vorteilhaft gegenüber dem Längsbund-Freileitungs-Stützer ist beim Mittelbund-Freileitungs-Stützer die vereinfachte Montage, da nur ein gerades Beiseil, gegenüber 2 vorgebogenen Beiseilen, verwendet wird (siehe Bild 130). Der Längsbund-Freileitungs-Stützer aus Keramik ist deshalb auch kaum noch handelsüblich [165]. Er wird nur noch für bestehende Anlagen verwendet.

 Bild 173: Mittelbund-Freileitungs-Stützer

Ergänzt wurde später die Konstruktion des Mittelbund-Freileitungs-Stützers, wie schon bei den Stützen-Isolatoren (Bild 140) durch den Schrägbund-Freileitungs-Stützer (Bild 174) [162], der für Winkelmaste eingesetzt wird.

Bild 174: Schrägbund-Freileitungs-Stützer

Ebenfalls wie beim Stützen-Isolator (Bild 145) wurde ein Schwingklemmen-Freileitungs-Stützer auf den Markt gebracht (Bild 175) [162]. Die dazugehörigen Gleitklemmen sind für die gängigen Leiterseil-Querschnitte lieferbar [143], [147].

Bild 175: Schwingklemmen-Freileitungs-Stützer

In Ostdeutschland wurde mit der Einführung des MS-Weitspannsystems Mitte der 60er Jahre ein Vollkern-Freileitungs-Stützer mit Aluminium-Kopf und Temperguß-Fußarmatur für die Spannungen 10 kV bis 30 kV eingeführt (Bild 176) [166].

Bild 176: Freileitungs-Stützer StV (1966, Ost-Deutschland)

Die Fußarmatur besitzt einen quadratischen Sockelansatz, der die Verwendung eines Maulschlüssels bei der Montage des Isolators auf der Masttraverse gestattet. Die Befestigung des Leiterseiles in der Kopfrille wurde

 * durch einen Bügelbund mit Bindedraht (Bild 177) oder

 * durch einen Spiralbund (Bild 178)vorgenommen, wobei in beiden Fällen das Leiterseil an der Auflage am Aluminium-Kopf mit Wickelband zu schützen ist [167].Bild 177: Bügelbund mit Binddraht am StV-Isolator

Bild 178: Spiralbund am StV-Isolator

Später wurde für diesen Freileitungs-Stützer ein Bundspiralen-Satz entwickelt, der aus einer

 * dreiteiligen Schutzspirale (innen gesandet) und einer

 * zweiteiligen, in der Mitte ausgeformten Befestigungsspiralebesteht (Bild 179) [168].

Bild 179: Bundspirale für den StV-Isolator oben: Aufbrigen der Schutzspirale, unten: fertig montierte Bundspirale

Jede Teilspirale besteht aus mehreren vorgeformten Stäben, die miteinander verleimt sind. Mit diesem Spiralensatz ist ein fester, jedoch nicht starrer Sitz des Leiterseiles am StV-Isolator gewährleistet.

Mit den StV-Freileitungs-Stützern realisierte Freileitungs-Bauweisen (Tragmaste) zeigen die Bilder 180 und 181.

Bild 180: StV-Isolatoren an Stahlprofil-Traverse

Bild 181: StV-Isolatoren am Spannbetonmast mit Beton-Traverse

Am Spannbetonmast mit Betontraverse der Bauart nach Bild 181, ist eine symmetrische Anordnung der StV-Isolatoren nur schwer möglich. Deshalb wurde der mittlere StV-Isolator seitlich versetzt an der Traverse angebracht und das mittlere Leiterseil im Zickzack entlang der Freileitung geführt.

Mitte der 60er Jahre wurden von NGK (Japan) neben Stützen-Isolatoren (siehe die Bilder 113 und 114) auch Freileitungs-Stützer mit Kopfklemmen (clamp-top type) hergestellt (Bild 182) [84], [275].

Bild 182.: Freileitungs-Stützer mit Kopfklemme (Japan, 1965)

Die mit Portlandzement aufgekittete Fußarmatur und die Kappe der Kopfklemme sind aus Temperguß, die Tragmulde aus Aluminium oder Temperguß, je nach Leiterseil-Werkstoff. Diese Isolatoren werden nach ANSI C 29.7 [279] und IEC 720 [282] für 3 Bauweisen angeboten:

 - für vertikale Anordnung, Klasse 57-11 bis 57-16 (Bild 183),

 - für horizontale Anordnung, Klasse 57-21 bis 57-26 (Bild 184) und

 - für schräge Anordnung, Klasse 57-31 bis 57-35 (Bild 185), wobei für diese spezielle Fußarmaturen für die Befestigung am Mast erforderlich sind.Bild 183: Vertkal-Anordnung des StützersBild 184: Horizontal-Anordnung des Stützers

Bild 185: Schräganordnung des Stützers

Die Tragmulden der Kopfklemme (Bild 186) besitzen einen Wende-Deckel, um unterschiedliche Durchmesser der Leiterseile in einer Mulde klemmen zu können [169]. Ursprünglich wurde die Tragmulde mit einem Gewindezapfen (Bild 187) lose drehbar im Tragbock der Kopfklemme montiert (Bild 188) [84], [190]. Dabei entstanden jedoch nach längerer Betriebszeit durch Korrosionsprodukte in den mechanisch relativ gering belasteten Gelenken elektrische Impulsentladungen, die zu Rundfunk- und Fernsehempfangs-Störungen führten. Es wurden deshalb in eine der Zapfenbohrungen der Tragklemme Kegelfedem (RIV-clip) eingelegt, die eine dauerhafte galvanische Verbindung zwischen Mulde und Kopfklemme sichern (Bild 186).

Bild 186: Tragmulde der Kopfklemme

Bild 187: Gewindezapfen

Bild 188: Montage der Tragmulde in der Kopfklemme

Die Fußarmatur mit Zubehör gestattet die Montage dieser Freileitungs-Stützer an Holzmasten und an Stahlprofil-Trägem (Bild 189) [84, [279].

Bild 189: Fußarmatur

Im Laufe der Weiterentwicklung dieser Isolatoren entstanden weitere Kopfklemmen. So die UNICON-Klemmen von Lindsey (USA), u. a. für die Verlegung von Leiterseilen mit großem Durchmesser an Freileitungs-Stützern in Horizontal-Anordnung (Bild 190) oder in Schräganordnung (Bild 191) [171]. Beide haben den Vorteil, dass sie mit nur 1 Schraubbolzen montiert werden können.

Bild 190: Kopfklemme für große Leiterseildurchmesser

 Bild 191: Kopfklemme für Schräganordnung des Stützers

Lapp (USA) fertigt Vollkern-Freileitungs-Stützer aus Porzellan für Nennspannungen bis 345 kV, die zur Montage an Holz-, Spannbeton- und Stahlgitter-Masten geeignet sind. Für diese Spannungen sind sie zweiteilig ausgeführt und werden u. a. auch mit Kopfklemmen für vertikale Zweiseil-Bündelleiter geliefert. Die Schräganordnung des Stützers wird dabei mit einem Winkel von 5° ausgeführt (Bild 192) [172].

Bild 192: Freileitungs-Stützer für 135 kV mit Kopfklemme für Zweiseil-Bündelleiter

Ebenfalls können an Freileitungs-Stützern ohne Kopfklemmen nachträglich die zum UNICON-System von Lindsey (USA) gehörenden Kopfklemmen nach Bild 143 aufgeschraubt werden.

1965 begann bei Ohio Brass (USA) die Herstellung von Vollkern-Freileitungs-Stützern aus Kunststoff auf der Basis von cycloaliphatischen Epoxidharzen.

Diese Isolatoren waren mehr als 20 Jahre in einer 35-kV-Freileitung eingebaut, ohne das Beanstandungen auftraten [173]. Die ständige Weiterentwicklung auf diesem Gebiet führte auch zu Formen, die durch EMC entwickelt wurden und in den Bildern 193 und 194 dargestellt sind [157].

Bild 193: EMC-Freileitungs-Stützer aus Kunststoff

 Bild 194: EMC-Schrägschirm-Freileitungs-Stützer aus Kunststoff

Ein Einbau-Beispiel für den Schrägschirm-Stützer zeigt Bild 195.

Bild 195: Schrägschirm-Freileitungs-Stützer, Einbau-Beispiel

Verschiedene Firmen boten in den 90er Jahren die unterschiedlichsten Konstruktionen von Kunststoff-Vollkem-Stützern für Freileitungen an. U. a. auch Ausführungen für hohe Nennspannungen nach Bild 196 [149].

 Bild 196: Kunststoff-Freileitungs-Stützer1.1.2.2. Verbund-Freileitungs-Stützer

Verbund-Freileitungs-Stützer bestehen aus einem zylindrischen massiven Isolierkern zur Aufnahme der äußeren mechanischen Belastung, der durch eine aus elastomeren Werkstoff gefertigte Umhüllung, die mit Schirmen versehen ist, geschützt ist [175]. Die Krafteinleitung in den Kern erfolgt durch Metallarmaturen, die auf diesen aufgepresst sind.

Verbund-Freileitungs-Stützer werden häufig in verstrebten Tragwerken (Isoliertraversen, braced line post assemblies) eingesetzt, deren Geometrie in Abhängigkeit von der Ausführung der Freileitung sehr unterschiedlich sein kann.

Für die Konstruktion solcher Isolatoren gelten folgende allgemeinen Empfehlungen [176]:

 * Verwendung von kriechstromfesten Kunststoffen mit ausgeprägter hydrophober Charakteristik,

 * Kriechwegauslegung entsprechend den vorhandener Erfahrungen,

 * Vermeidung bzw. Entfernung von Gießtrennnähten an der Umhüllung,* Vorsorge gegen Teilentladungen.

Als Vorteile von Verbund-Freileitung-Stützem gegenüber anderen Freileitungs-Stützern können genannt werden:

 * geringe Masse bei hoher mechanischer Festigkeit und Bruchsicherheit,* große dynamische Festigkeit,

 * hohes Isoliervermögen,

 * Vandalismusbeständigkeit,

 * wartungsfreier Betrieb,

 * Kompaktlösungen sind möglich.

1983 wurden von der Firma K-Line (Kanada) hergestellte Verbund-Freileitungs-Stützer für Nennspannungen von 15 kV bis 46 kV bekannt, die aus einem Kern aus glasfaserverstärktem Epoxidharz (GfK) mit Silikonumhüllung (3 bis 6 Schirme), entweder

 - mit Bundkopf (tie-top) mit C- oder F-Neck (Bild 197, links) oder

 - mit einer Kopfklemme mit Tragmulde (Bild 197, rechts und Bild 198) nach ANSI C 29.18

bestehen [169], [279], [280].

Bild 197: Vertikale Verbund-Freileitungs-Stützer links: mit Bundkopf (tie-top), rechts: mit Kopfklemme für Tragmulde (clamp-top)

Außerdem wurde für diese Isolatoren eine neue Klemmenausführung entwickelt, die sog. "K-Klemme", die aus Aluminium hergestellt ist (Bild 199) [169], [177]. Es ist eine fest am Kopf sitzende Klemme mit trompetenförmigen Seilrillenauslauf.

 Bild 198: Horizontaler Verbund-Freileitungs-Stützer nach ANSI C 29.18

 Bild 199: Verbund-Freileitungs-Stützer mit fester Kopf-Klemme (K-clamp)

Die metallischen Kopf- und Fußarmaturen sind mit einem zylindrischen Ansatz versehen, der in seinem Inneren den GfP-Kern aufhimmt. Auf diesen Ansatz werden bei der Stützer-Herstellung Preßwerkzeuge aufgesetzt, die diesen radial auf den Kern drücken. Bei richtiger Ausführung entsteht dabei eine Preßverbindung, die die Glasfasern des Kernes nicht zerstört, aber den Kern ohne Rutschen in axialer und in Umfangsrichtung festhält.

Die K-Klemme nach Bild 199 kann mit Hilfe von Spezialwerkzeugen auch für die Leiterseilmontage unter Spannung eingesetzt werden. Zusätzlich können am Kopf dieser Klemme Hilfseinrichtungen angebracht werden, die den Seilzug direkt ohne Rollengehänge ermöglichen.

K-Line liefert komplette Traversenkonstruktionen mit Vollkern-Freileitungs-Stützern, die auf Holzmaste aufgesetzt werden können (Bild 200) [174].

 Bild 200: Verbund-Freileitungs-Stützer an Stahltraversenkonstruktionen