DE19737995A1

DE19737995A1 - Bauelement

Info

Publication number: DE19737995A1
Application number: DE19737995A
Authority: DE
Inventors: Daniel Schulz
Original assignee: MICAFIL ISOLIERTECHNIK AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1997-08-30
Filing date: 1997-08-30
Publication date: 1999-03-04
Also published as: JPH11152473A; EP0899764A3; US6118078A; EP0899764A2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

In der Schaltertechnik werden elektrisch isolierende Bauelemente beispielsweise benutzt für die Übertragung von mechanischen Kräften zwischen auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Baugruppen. Diese Bauelemente werden, wenn sie mechanisch hoch belastet sind, aus faserverstärkten Kunststoffen hergestellt. Üblicherweise werden als Kunststoffe Epoxidharze eingesetzt, und für die Verstärkung werden beispielsweise Glasfasern, Polyesterfasern und dergleichen verwendet. Bei der Herstellung der Bauelemente nach einem der bekannten Verfahren werden die Fasern mit den entsprechenden Kunststoffen bei Überdruck oder bei Normaldruck oder bei Unterdruck imprägniert, und dann nach entsprechender Formgebung anschließend ausgehärtet. Die so entstandenen Rohlinge werden mechanisch fertig bearbeitet und, falls dies nicht zugleich mit der Formgebung erfolgt ist, an beiden Enden mit Armaturen versehen, die für die Einleitung der mechanischen Kräfte in den Isolierstoffkörper des Bauelements vorgesehen sind. Diese bekannten Fertigungsverfahren liefern Bauelemente, die allen betrieblichen Anforderungen gerecht werden, die jedoch vergleichsweise teuer und aufwendig in der Herstellung sind. Bei der Verwendung vergleichsweise langfädiger Verstärkungsfasern muß der Ausbildung des Übergangsbereichs zwischen der Faser und der sie umgebenden Kunststoffmatrix besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden, da sonst die dielektrische Festigkeit des Bauelements nicht gewährleistet ist.

Aus der Patentschrift US 4,963,428 ist bekannt, daß flüssigkristalline Polymere (Liquid Crystal Polymers LCP) in Folienform mittels eines speziellen Extrudierverfahrens hergestellt werden können.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die Übertragung von mechanischen Kräften geeignetes elektrisch isolierendes Bauelement anzugeben, welches besonders massearm, preiswert und mechanisch hochfest zu erstellen ist.

Die Anwendung von LCP (Liquid Crystal Polymers) für mechanisch und dielektrisch hochbeanspruchte Bauelemente ermöglicht es, diese Bauelemente mit geringerer Masse bei gleicher Festigkeit herzustellen. Besonders in der Schaltertechnik lassen sich derartige Bauelemente vorteilhaft einsetzen. Es ist jedoch auch vorstellbar, daß derartige Bauelemente im Elektromaschinenbau oder im Transformatorenbau verwendet werden können. LCP ist ein thermoplastisches Polyestermaterial, welches sich in dem Temperaturbereich, wie er in Leistungsschaltern vorherrscht, vorteilhaft einsetzen läßt. Bei dem Werkstoff LCP sind die Moleküle gezielt orientiert angeordnet. Wenn bei der Herstellung von Bauelementen darauf geachtet wird, daß sich die LCP-Moleküle in Richtung der hauptsächlichen mechanischen Beanspruchung orientieren, so wird eine bedeutend größere mechanische Festigkeit der aus LCP gefertigten Bauelemente erreicht, bei gleichen Abmessungen wie herkömmlich, beispielsweise aus einem verstärkten Polyester-Verbundwerkstoff gefertigte Bauelemente.

Ohne diese Molekülausrichtung zu stark zu beeinträchtigen kann der Werkstoff LCP zusammen mit herkömmlichen mineralischen Füllstoffen wie beispielsweise Quarzmehl, Aluminiumoxid Al₂O₃, Wollastonit, Glaskugeln, Kurzglasfasern, synthetischen Mineralfasern usw. verarbeitet werden. Besonders eignen sich als Füllstoffe Fasern der Länge von 10 µm bis 1000 µm und einem Schlankheitsgrad im Bereich von 1 : 5 bis 1 : 50.

Wenn hohe dielektrische und hohe mechanische Anforderungen an das Bauelement gestellt werden, so werden vorzugsweise Wollastonit-Kurzfasern als Füllstoff eingesetzt. Die Faserlänge dieser Wollastonit-Kurzfasern liegen im oben angegebenen Bereich. Es werden etwa 15 bis 45 Volumprozent Wollastonit-Kurzfasern beigemischt.

Diese für hohe dielektrische und mechanische Belastungen ausgebildeten Bauelemente können in der Schaltanlagentechnik sowohl in Freiluftschaltanlagen als auch bei einphasig und mehrphasig metallgekapselten Schaltanlagen eingesetzt werden, insbesondere für die Übertragung von Antriebskräften auf die bewegten Teile von Leistungsschaltern oder Trennern. Es ist aber auch vorstellbar, derartige Bauelemente für lediglich statisch belastete Abspannungen oder als Isolatoren, welche in Schaltanlagen oder in Transformatoren die hochspannungsbeaufschlagten Leiter fixieren, einzusetzen. Eine Vielzahl von weiteren Anwendungsmöglichkeiten ist vorstellbar, insbesondere auch in Bereichen, wo keine dielektrischen Beanspruchungen auftreten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung, welche lediglich einen möglichen Ausführungsweg darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements,

Fig. 2 einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements,

Fig. 3 einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements, und

Fig. 4 einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements.

Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements 1. Dieses Bauelement 1 ist als elektrisch isolierende Zugstange ausgebildet, welche beispielsweise eine auf Hochspannungspotential liegende Löschkammer eines Leistungsschalters mechanisch betätigt. Dieses Bauelement 1 weist ein Isolierrohr 2 auf, welches aus einem flüssigkristallinen, als LCP bezeichneten, Polymer mittels eines bekannten, einen starren oder einen rotierenden Extrudierkopf benutzenden Extrudierverfahrens hergestellt ist. Das zylindrisch ausgebildete Isolierrohr 2 weist einen Außendurchmesser D₁ und einen Innendurchmesser D₂ auf, seine Länge wird durch das mittels des Bauelements 1 zu überbrückende Potential bestimmt. Das Isolierrohr 2 erstreckt sich entlang einer Mittelachse 3.

An den beiden Enden des Isolierrohrs 2 ist jeweils eine mehrteilige, mit dem Isolierrohr 2 starr verbundene Halterung 4 vorgesehen, welche einerseits die Enden des Isolierrohrs 2 faßt und andererseits die Verbindung des Isolierrohrs 2 mit den bewegten Teilen des Antriebs bzw. der Löschkammer des Leistungsschalters ermöglicht. Diese Halterung 4 weist eine in das Isolierrohr 2 eingeschobene metallische Hülse 5 auf, die mit mindestens einem axial erstreckten Schlitz 6 versehen ist. Im Bereich des Schlitzes 6 weist die Hülse 5 eine konisch ausgebildete zentrale Bohrung 7 auf, die sich dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zu öffnet. In diese Bohrung 7 ist ein metallisches Spreizstück 8 eingelassen, welche eine entsprechend ausgebildete, zur konischen Bohrung 7 passende Oberfläche aufweist. Das dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandte Ende des Spreizstücks 8 ist dielektrisch günstig ausgebildet.

An das Spreizstück 8 ist ein Gewindebolzen 9 angeformt, der sich durch den Boden der Hülse 5 hindurch und durch eine metallische Stützhülse 10 erstreckt. Die der dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandte Seite der Stützhülse 10 ist dielektrisch günstig ausgebildet. Die Stützhülse 10 umfaßt das Ende des Isolierrohrs 2 außen, wobei das Isolierrohr 2 und die Hülse 5 bündig auf dem Boden der Stützhülse 10 aufliegen. Mittels einer auf den Gewindebolzen 9 aufgeschraubten Mutter 11 wird das Spreizstück 8 gegen den Boden der Stützhülse 10 gespannt. Das Spreizstück 8 weitet im geschlitzten Bereich die Hülse 5 auf, welche dann das Isolierrohr 2 gegen die Innenwand der Stützhülse 10 preßt, so daß dieses Ende des Isolierrohrs 2 festgeklemmt wird. Die metallische Halterung 4, die aus dem Spreizstück 8, dem Gewindebolzen 9, der Mutter 11 und der Stützhülse 10 besteht, sitzt nun unverrückbar fest auf dem Isolierrohr 2. In der Regel wird die Mutter 11 mit einem vorgegebenen Drehmoment angezogen. Diese Einspannstelle ist etwa doppelt so lang ausgebildet wie der Außendurchmesser D₁ des Isolierrohrs 2. Das vorstehende Ende des Gewindebolzens 9 kann für die Verbindung des Bauelements 1 mit weiteren Baugruppen verwendet werden.

Die Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements 1. Bei dieser Ausführungsform wird in das erwärmte Isolierrohr 2 eine metallische Innenarmatur 12 eingepreßt. Die Innenarmatur 12 ist auf der dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandten Seite dielektrisch günstig ausgebildet. Die der Innenfläche des Isolierrohrs 2 zugewandte Oberfläche der Innenarmatur 12 ist mit umlaufenden Rillen 13 versehen, die sägezahnartige Spitzen oder abgerundete Flanken aufweisen, die sich beim Abkühlen des LCP-Materials etwas in die Innenfläche des Isolierrohrs 2 eingraben, wodurch eine gut gegen ein Abrutschen gesicherte Verbindung entsteht. Die Innenarmatur 12 weist einen Bund 14 auf, der als Anschlag für das Ende des Isolierrohrs 2 dient. Die Innenarmatur 12 ist mit einer zentral angeordneten Gewindebohrung 15 versehen, die für die Verbindung des Bauelements 1 mit weiteren Baugruppen verwendet werden kann.

Die gegen ein Abrutschen gesicherte Verbindung wird mittels einer warm aufgeschrumpften Außenhülse 16 weiter verbessert. Die Außenhülse 16 weist einen Boden mit einer zentralen Öffnung auf. Die Außenhülse 16 wird so weit auf das mit der Innenarmatur 12 verbundene Isolierrohr 2 aufgeschoben bis der Boden den Bund 14 berührt. Die Außenhülse 16 ist aus Metall gefertigt, ihre Innenbohrung 17 weist ein Untermaß von etwa 0,2 mm auf, so daß beim warm Aufschrumpfen der Außenhülse 16 auf das Isolierrohr 2 ein Preßsitz entsteht, wodurch das Isolierrohr 2 zusätzlich gegen die Innenarmatur 12 gepreßt wird. Auf diese Art wird eine besonders feste und dauerhafte Verbindung zwischen der aus der Innenarmatur 12 und der Außenhülse 16 bestehenden Halterung 4 und dem Isolierrohr 2 erreicht. Diese Verbindungsstelle ist etwa doppelt so lang ausgebildet wie der Außendurchmesser D₁ des Isolierrohrs 2.

Die Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements 1. Bei dieser Ausführungsform wird in das erwärmte Isolierrohr 2 eine metallische Innenarmatur 18 einschoben. Die Innenarmatur 18 ist auf der dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandten Seite dielektrisch günstig ausgebildet. Die der Innenfläche des Isolierrohrs 2 zugewandte Oberfläche der Innenarmatur 18 ist zum größten Teil zylindrisch ausgebildet, wobei dieser zylindrische Teil in Richtung des jeweiligen Isolierrohrendes übergeht in einen ballig ausgebildeten Bereich 19. Dieser Bereich 19 wird mit einem Radius von etwa 1000 mm ohne Kante an den zylindrisch ausgebildeten Teil angeformt. An den Bereich 19 schließt sich ein Bund 20 an, der als Anschlag für das Ende des auf die Innenarmatur 18 aufgeschobenen Isolierrohrs 2 dient. Die Innenarmatur 18 ist mit einer zentral angeordneten Gewindebohrung 15 versehen, die für die Verbindung des Bauelements 1 mit weiteren Baugruppen verwendet werden kann.

Die Verbindung zwischen der Innenarmatur 18 und dem Isolierrohr 2 wird mittels einer warm aufgeschrumpften Außenhülse 21 hergestellt. Das dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandte Ende der Außenhülse 21 ist dielektrisch günstig ausgebildet. Diese Außenhülse 21 ist aus Metall gefertigt, ihre Innenbohrung 22 ist der äußeren Form der Innenarmatur 18 angepaßt, sie weist ein Untermaß von etwa 0,2 mm auf, so daß beim warm Aufschrumpfen der Außenhülse 21 auf das Isolierrohr 2 ein Preßsitz entsteht, wodurch das Isolierrohr 2 gegen die Innenarmatur 18 gepreßt wird. Durch dieses Aufschrumpfen wird das Ende des Isolierrohrs 2 in die Vertiefung 23 im balligen Bereich 19 an der Außenseite der Innenarmatur 18 eingepreßt. Im Endbereich wird dabei das Isolierrohr 2 so gestaucht, daß die Wanddicke dort etwas zunimmt, wodurch das Isolierrohr 2 gegen axiales Verrutschen gesichert ist. Auf diese Art wird eine besonders feste und dauerhafte Verbindung zwischen der aus der Innenarmatur 18 und der Außenhülse 21 bestehenden Halterung 4 und dem Isolierrohr 2 erreicht. Diese Verbindungsstelle ist etwa doppelt so lang ausgebildet wie der Außendurchmesser D₁ des Isolierrohrs 2.

Die Fig. 4 zeigt einen schematisch dargestellten Teilschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements 1. Bei dieser Ausführungsform wird in das erwärmte Isolierrohr 2 eine metallische Innenarmatur 24 einschoben. Die Innenarmatur 24 ist auf der dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandten Seite dielektrisch günstig ausgebildet. Die der Innenfläche des Isolierrohrs 2 zugewandte Oberfläche der Innenarmatur 24 ist an beiden Enden zylindrisch ausgebildet. Zwischen den beiden zylindrisch ausgebildeten Bereichen ist eine Einbuchtung 25 vorgesehen, die etwa 3 mm tief ist, die einen Radius von etwa 100 mm aufweist und die gut abgerundet in die erwähnten zylindrischen Bereiche übergeht. An den endseitigen zylindrisch ausgebildeten Bereich schließt sich ein Bund 26 an, der als Anschlag für das Ende des auf die Innenarmatur 24 aufgeschobenen Isolierrohrs 2 dient. Die Innenarmatur 18 ist mit einer zentral angeordneten Gewindebohrung 15 versehen, die für die Verbindung des Bauelements 1 mit weiteren Baugruppen verwendet werden kann. Die Verbindung zwischen der Innenarmatur 24 und dem Isolierrohr 2 wird mittels einer zunächst zylindrisch ausgebildeten und auf das jeweilige Ende des Isolierrohrs 2 warm aufgeschobenen metallischen Presshülse 27 hergestellt, die dann mittels eines entsprechenden Presswerkzeugs in Richtung der Mittelachse 3 zusammengepreßt wird. Die Presshülse 27 drückt dabei das Isolierrohr 2 formschlüssig in die Einbuchtung 25 hinein, so daß das Isolierrohr 2 optimal gegen ein axiales Verrutschen gesichert ist. Das dem jeweils gegenüberliegenden Ende des Isolierrohrs 2 zugewandte Ende der Presshülse 27 ist dielektrisch günstig ausgebildet. Auf diese Art wird eine besonders feste und dauerhafte Verbindung zwischen der aus der Innenarmatur 24 und der Presshülse 27 bestehenden Halterung 4 und dem Isolierrohr 2 erreicht. Diese Verbindungsstelle ist etwa doppelt so lang ausgebildet wie der Außendurchmesser D₁ des Isolierrohrs 2.

Wenn die in Fig. 4 dargestellte Einbuchtung 25, etwas weniger tief ausgeführt wird, so ist es möglich, das Isolierrohr 2 auch kalt mit der Halterung 4 zu verbinden. Ferner ist es möglich, die Halterung 4 mittels einer Klebung mit dem Isolierrohr 2 zu verbinden. Es ist auch vorstellbar, die Halterung 4 mittels eines Schrumpfvorgangs, der mit einer Klebung kombiniert wird, mit dem Isolierrohr 2 zu verbinden, um so eine besonders feste Verbindung zu erhalten.

Als Material für die Herstellung des Isolierrohrs 2 wurde für die beschriebenen Ausführungsbeispiele das Material Vectra A 540 verwendet, welches mit einem Extrudierverfahren, welches einen rotierenden Extrudierkopf benutzt, verarbeitet wurde. Die Bezeichnung Vectra ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Hoechst Aktiengesellschaft, D-65926 Frankfurt am Main. In diesem Werkstoff sind 40% kurzfaseriges Wollastonit enthalten. Erfolgt vor dem Verbinden mit der Halterung 4 eine Erwärmung, so wird das Isolierrohr 2 jeweils auf 250°C erwärmt.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen erweist es sich als sinnvoll, die Metallteile der jeweiligen Halterung 4 aus einer Aluminiumlegierung zu fertigen, da so die Masse des Bauelements 1 vorteilhaft klein gehalten werden kann. Der Einsatz des hochfesten LCP-Materials ermöglicht ebenfalls eine vorteilhafte Massereduzierung der Bauelemente 1. Besonders bei Bauelementen 1, die für die Übertragung von Antriebskräften auf bewegte Teile von Leistungsschaltern oder Trennern eingesetzt werden, ist diese Reduzierung der zu bewegenden Massen von Vorteil, da sowohl der Antrieb als auch die nötigen Dämpfungselemente für die Dämpfung der Antriebsbewegungen beim Einlaufen in eine Endstellung kleiner und damit preiswerter hergestellt werden können.

Bezugszeichenliste

1

Bauelement

2

Isolierrohr

3

Mittelachse

4

Halterung

5

Hülse

6

Schlitze

7

Bohrung

8

Spreizstück

9

Gewindebolzen

10

Stützhülse

11

Mutter

12

Innenarmatur

13

Rillen

14

Bund

15

Gewindebohrung

16

Außenhülse

17

Innenbohrung

18

Innenarmatur

19

Bereich

20

Bund

21

Außenhülse

22

Innenbohrung

23

Vertiefung

24

Innenarmatur

25

Einbuchtung

26

Bund

27

Presshülse
D₁

Außendurchmesser
D₂

Innendurchmesser

Claims

1. Bauelement für die Übertragung von mechanischen Kräften zwischen auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegenden Baugruppen, welches einen elektrisch isolierenden Körper aufweist, der an jedem seiner Enden mit einer Halterung (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

- daß der elektrisch isolierende Körper zumindest teilweise LCP-Material enthält, und
- daß die Halterungen (4) kraft- und formschlüssig mit dem elektrisch isolierenden Körper verbunden sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß der elektrisch isolierende Körper als längs einer Mittelachse (3) erstrecktes Isolierrohr (2) ausgebildet ist, und
- daß die LCP-Moleküle in dem Isolierrohr (2) axial orientiert sind.

3. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Halterungen (4) mit oder ohne zusätzlichen Klebstoff mit dem Isolierrohr (2) verbunden sind.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Isolierrohr (2) aus einem LCP-Material gefertigt ist, welchem Wollastonit beigemengt ist.

5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Wollastonit kurzfaserig ausgebildet ist, und
- daß 15 bis 45 Volumprozent Wollastonit, vorzugsweise jedoch 40 Volumprozent, beigemengt sind.

6. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Verbindungsstelle des Isolierrohrs (2) mit der Halterung (4) etwa doppelt so lang ausgebildet ist wie der Außendurchmesser (D₁) des Isolierrohrs (2).