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Selbstreinigender Freilufthochspannungsisolator An die Oberfläche
von Freilufthochspannungsisolatoren lagern sich im Betrieb bald Fremdschichten an,
die von Verunreinigungen der Luft herrühren. In trockenem Zustand vermindern diese
Fremdschichten die Überschlagsspannung des Isolators nicht. Sobald sie aber feucht
werden, bilden sie leitende Überzüge und verändern das elektrische Feld des Isolators
vollkommen. Die leitende Fremdschicht wirkt wie ein veränderlicher Widerstand. Die
Überschlagspannung sinkt dann unter Umständen bedeutend. Besonders gefährlich sind
zusammenhängende Wasserhäute von spezifischen Leitfähigkeiten über 5oo #tScm-1 und
größeren Stärken (von mehreren hundertstel Millimeter), die sich auf verschmutzten
Isolatoren bei Tau, Nebel oder Sprühregen bilden können und die Überschlagspannung
des Isolators bis unter seine Betriebsspannung herabsenken.
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Um ein häufiges und darum kostspieliges Reinigen der Freiluftisolatoren
zu vermeiden, hat man für Stellen von Hochspannungsanlagen mit erhöhter Verschmutzungsgefahr
besondere Freiluftisolatortypen entwickelt. Diese Entwicklung erfolgte bisher in
zwei Richtungen: Einerseits versuchte man, durch entsprechende Formgebung des Isolators
einen möglichst großen Teil seiner Oberflächenkriechstrecke gegen die umgebende
Luft abzuschirmen und dadurch den
Schmutzansatz und Feuchtigkeitsniederschlag
auf. diesen Teilen zu erschweren. Anderseits gestaltete man - in der gerade entgegengesetzten
Absicht -die Isolatoroberfläche so, daß ein möglichst großer Teil von ihr der reinigenden
Wirkung von Regen und Wind ausgesetzt wurde.
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Die erstgenannte Entwicklungsrichtung führte zu sogenännten »Schutzraumisolatoren«,
in der Praxis meist »Nebeltypen« genannt, bei denen die Schutzschirme große Teile
der Kriechstrecke schützen. Bild r zeigt dafür ein Beispiel, die bekannte Deltaglocke.
a-b, c-d, e-f sind die Beschützten Zonen. Die an zweiter Stelle genannte Tendenz
führte dagegen zu den sogenannten »selbstreinigenden Isolatoren«, mit möglichst
wenig unterschnittener Oberfläche, bei denen der ganze Kriechweg der säubernden
Wirkung von Regen und Wind dargeboten wird.
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Man hat bisher, "zumal bei den höheren Spannungen, den »Schutzraumisolatoren«
den Vorzug gegeben und sie in der Praxis, als sogenannte »Nebeltypen«, fast ausschließlich
angewendet, weil das Vorhandensein von Trockenzonen des Kriechwegs eine relativ
kurze Bauart solcher Isolatoren für eine bestimmte verlangte, durch VDE-Prüfung
nachzuweisende Regen- b.zw. Nebelüberschlagspannung ermöglichte. Nach längerem Betrieb
zeigt sich aber in neuerer Zeit immer deutlicher, daß die »Schutzräume« versagen,
indem sich gerade die geschützten Teile des Oberflächenkriechweges a-b, c-d und
besonders e-f in Bild r mit der Zeit mit einer dichten, schwer zu beseitigenden
Kruste elektrisch - durch Sprühentladungen - niedergeschlagenen Staubes überziehen.
(Der Mechanismus des elektrischen Staubniederschlages ist von der elektrischen Gasreinigung
her bekannt. Er wird an Stellen örtlicher Feldkonzentration - und das ist gerade
in den sogenannten »Schutzräumen« -ausgelöst und führt zu den gefährlichsten Minderungen
des Isoliervermögens eines Isolators.) Der »selbstreinigende« Isolator trat bisher-
in der Praxis zurück. Eine neuartige horizontale Bauart eines selbstreinigenden
Isolators ist zwar in letzter Zeit entwickelt Worden. Aber für vertikale Isolatoren
für höhere Betriebsspannungen von etwa zoo kV und mehr wird das Prinzip der »Selbstreinigung«
durch eine den, ganzen Isolator zusammenhängend bedeckende Regenwasserhaut bisher
nicht ausgenutzt - abgesehen von einigen älteren Kappenisolatören für Hängeketten,
die heute auch nicht mehr gebaut werden: Daran sind einige Umstände schuld: In schmutziger
Luft mit entsprechend hoher Leitfähigkeit der sich auf der Isolatoroberfläche niederschlagenden
Fremdschichten ist ein verlängerter Kriechweg erforderlich, -um den Oberflächenstrom
bei Tau, Nebel üsw. nicht zu hoch anwachsen zu lassen. Um wirtschaftliche Abmessungen
des Isolators zu bekommen, muß man diesen Kriechweg auf möglichst knapper Schlagweite
unterbringen, z: B. viele Schirme in relativ kleinem gegenseitigem Abstand anbringen.
Einem solchen verlängerten Kriechweg droht aber beim vertikalen Schirmisolator die
Gefahr der Überbrückung (und damit des elektrischen Kurzschlusses) durch Hängetropfen
an den Schirmrändern und starke vertikale Wasserbahnen, die durch das überschüssige,
also nicht mehr an der Oberfläche adhärierende (als Oberflächenhaut »laminar« herabgleitende)
Wasser gebildet werden. Derartige Überbrückungen durch Hängetropfen üsw. führen
zur Zündung von Totalbögen über den ganzen Isolator, setzen also die Überschlagspannung
des Isolators bedeutend herab.
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Eine andere Schwierigkeit ist folgende: Bei einem mit einer zusammenhängenden
Wasserhaut bedeckten Isolator tritt ein kritischer Moment auf, nämlich in dem Augenblick,
wo die Wasserhaut - sei es durch Aufhören des Regens oder durch örtliche Verdampfung
eines Tauniederschlages - an einer oder mehreren Stellen des Kriechweges aufreißt.
Es bilden sich dann an diesen Unterbrechungsstellen der Wasserhaut Vorentladungen,
die unter Umständen, zumal bei größerer Leitfähigkeit der Wasserhaut und ungünstiger
Spannungsverteilung, stromstark werden, in Lichtbögen umschlagen und dann zu Totalbögen
durchzünden können. Derartige plötzliche Stromstöße und »Wischer« treten z. B. an
Hochspannungsfreileitungsisolatören bei ungünstigem feuchtem Wetter oder bei Tau
auf und sind als Störungsursachen wohl bekannt.
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Bildet man, wie es bisher die Regel ist, die Schirme vertikaler Isolatoren
so aus, daß sie als Regendächer wirken, so sind wenigstens bei Regen Trockenstrecken
unter den Schirmen vorhanden, die einen großen Teil der Spannung tragen und ein
übermäßiges Anwachsen des Oberflächenkriechstromes verhindern.
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Auf Grund aller dieserÜberlegungen erschien b,isheir der Gedanke,
die Schirme eines Vertikalisolators nicht mehr als Regendächer auszubilden und den
Isolator sich mit einer zusammenhängenden Regen-Wasserhaut bedecken zu lassen, wenig
aussichtsvoll, zumal bei sehr hohen Spannungen.
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Der Erfinder hat es sich zur Aufgabe gemacht, insbesondere für die
meist verwendete vertikale Isolatorbauart und hohe Betriebsspannungen von roo kV
und mehr, einen »selbstreinigenden«, für Gegenden mit starkem Schmutzanfall geeigneten
Isolator zu schaffen, der sowohl für Freileitungen als Hängeisolator als auch für
Freiluftstationen als Stützisolator verwendet werden kann.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch »Vi,elfachunterbrechung«
einer zusammenhängenden Wasserhaut, die planmäßig gleichzeitig an genügend vielen
in Reihe liegenden Stellen. des Kriechweges herbeigeführt wird, eine sichere Unterbrechung
auch größerer Kriechströme von vielen Milliampere Stromstärke bei Hochspannung erzielbar
ist. Diese durch Versuche des Erfinders gefundene »Vielfachunterbrechüng« mit möglichst
gleichmäßiger, feiner Verteilung der Unterbrechungsentladungen auf die Länge der
Wasserhaut läßt sich praktisch an Freiluftisolatoren viel sicherer verwirklichen,
als die von anderer Seite aufgestellte Forderung, bei der Abtröcknung keinerlei
Vorentladungen entstehen zu lassen und es so. einzurichten.
, daß
das Abtrocknen der Wasserhaut auf der ganzen Kriechweglänge mit einem Schlag erfolge
(z. B. mit Hilfe einer halbleitenden Oberflächenglasur). Im Gegensatz dazu wählt
der Erfinder bewußt eine Abstufung der Abtrocknung, aber eine möglichst fein unterteilte.
Um diese Vielfachunterbrechung zu erreichen und auch das Entstehen größerer Ströme
zu verhüten, muß allerdings der Isolator so gebaut werden., daß der -zum Teil unvermeidliche-Schmutzansatz
an der Oberfläche die geplante Spannungsverteilung nicht zerstören kann. Zu diesem
Zweck soll sich die Isolatoroberfläche bei allen Niederschlägen - bei Regen sowohl
wie auch bei Tau und Nebel - mit einer geschlossenen, fein abgestuften Wasserhaut
überziehen, wodurch eine zusammenhängende »elektrische« Verschmutzung längerer Kriechwegtelle,
wie z. B. der Teile a-b, c-d und e-f beim »Schutzraumisolator« (Fig. z), verhindert
wird. Durch eine geschlossene Regenwasserhaut wird außerdem ein Ausspülen und Auslaugen
aller Winkel des Kriechweges erreicht, wodurch sich nirgends wasserlösliche Stoffe
(Salze) anreichern können, wie dies besonders in den zusammenhängenden Schmutzschichten
a-b, c-d und e-f von Fig. z der Fall ist. Die feinen Wasserhäute bei Tau können
dann keine hohen Leitfähigkeiten annehmen, und die Kriechstromstärke bleibt in mäßigen
Grenzen.
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Eine wichtige Aufgabe bei der Formgebung eines »selbstreinigenden«
Isolators besteht ferner darin, den auffallenden Regen - gleichgültig aus welcher
Richtung er kommt - so auf alle Seiten des Isolators zu verteilen, daß die Oberfläche
überall gesäubert wird. Schließlich sollen solche Unterbrechungsmittel angewendet
werden, die zwar eine große Sicherheit für das Auftrennen der Wasserhaut an einer
möglichst großen Zahl von Stellen bieten, ohne aber dabei, wies es bei bisher verwendeten
ebenen Schirmen an vertikalen Isolatoren der Fall ist, die Bildung großer Hängetropfen
und vertikaler, die Elektroden am kürzesten Weg verbindender dicker Wasserbahnen
zu begünstigen: denn durch solche Überbrückungen wird auch die beste Vielfachunterbrechung
wieder hinfällig gemacht.
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Auf Grund dieser Überlegungen besteht die Erfindung in einem selbstreinigenden
Freilufthochspannungsisolator, dessen gesamte Oberfläche vom Regenwasser berieselt
wird, der durch schrauben. -förmig am Isolatorschaft angeordnete Mittel zur Verteilung
und Unterbrechung der Oberflächenwasserhaut gekennzeichnet ist, die nicht als Regendächer
oder Schutzschirme wirken.
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Nach der vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung soll der Isolator
mit Tellern ausgerüstet sein, die durch eine oder mehrere Schraubenflächen gebildet
werden, welche einerseits (während des Regens) das Regenwasser möglichst gleichmäßig
als dünnen Wasserschleier über die ganze Oberfläche verteilen und das überschüssige
Wasser auf dem verhältnismäßig langen schraubenförmigen »inneren« Weg ableiten,
während andererseits (beim Nachlassen oder Aufhören des Regens, aber auch bei Tau
und Nebel) die schraubenförmigen Tellerkanten als Unterbrechungsmittel für den kürzesten
(die Elektroden in vertikaler Richtung verbindenden) elektrischen Stromweg wirken.
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Durch die Erfindung wird eine »Dünnstellensteuerung« der Wasserhaut
geschaffen und damit ein einheitliches Unterbrechungsprinzip für Regen, Tau, Nebel
eine gleichmäßig hohe Überschlagspannung unter allen Wetterverhältnissen erreicht:
denn man kann es so einrichten, daß eine verhältnismäßig dichte Folge von Querkanten
die Oberflächenwasserhaut in ihrer vertikalen Erstreckung schneidet und die Haut
an den Kanten infolge genügend großer radialer Tellerausladung wesentlich dünner
ist als auf den Tellerflächen und dem Schaft. Gleichzeitig kann der Oberflächenkriechweg,
ohne Gefahr einer Überbrückung durch überschüssiges Wasser, verhältnismäßig eng
gefaltet, also lang ausgeführt werden, wodurch der elektrische Oberflächenstrom
auch bei höherer spezifischer Leitfähigkeit der Wasserhäute genügend klein gehalten
wird.
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Einen wesentlichen Teil der Erfindung bildet die Profilgebung der
Teller und der Tellerkanten, weil erst durch ein richtiges Profil die für eine »Dünnstellensteuerung«
erforderliche Verteilung der Regenwasserhaut erzeugt werden kann. Man kann entweder
das Tellerprofil keilförmig ausführen und die richtige Verteilung des »laminaren«
Regenwasserflusses über die Oberfläche durch entsprechende Bemessung der radialen
Neigungen der Tellerflächen (,8 und y in Fig. a) im Verhältnis zum Steigungswinkel
(a) der Schraubenfläche erreichen. Man kann aber auch, abweichend von allen bisherigen
Konstruktionen, nach oben gebogene Teller ausführen, an deren Kanten sich der auftreffende
Regen wie an einer Wasserscheide in zwei Strömungen teilt. Die Einzelheiten der
Ausführung und die Wirkungsweise gehen aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele
hervor.
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Eine weitere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, einen
schraubenförmig geführten Heizleiter, der beide Elektroden des Isolators verbindet,
an geeigneter Stelle der Oberfläche vorzusehen, etwa eine halbleitende, an sich
bekannte Metallglasur, aber in Form eines schmalen schraubenförmigen Bandes. Diese
Maßnahme kann auch mit der zuvor genannten »Dünnstellensteuerung« gemeinsam angewendet
werden., um diese zu unterstützen.
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Hochspannungsfreiluftisolatoren mit spiralförmig geführten halbleitenden
Heizleitern an ihrer Oberfläche sind an sich bekannt. Diese bekannten Isolatoren
sind jedoch keine »selbstreinigenden«, die auf ihrer ganzen Oberfläche vom Regenwasser
berieselt sind, sondern es handelt sich um »Schutzraumisolatoren«. Beim Schutzraumisolator
tragen aber die geschützten Zonen unter den Schirmen, solange sie noch genügend
sauber sind, bzw. die Luftstrecken zwischen den Schirmrändern (s. Fig. r) den Hauptteil
der Spannung, und diese Strecken sind es auch, an denen die Unterbrechungsentladungen
im Falle vollständiger Benetzung durch Tauniederschlag auftreten, weil dort die
Wasserhaut
zuerst verdampft. Der Heizleiter hat demgemäß bei dem
bekannten Isolator weder die Aufgabe noch die Wirkung, eine Vielfachauftrennung
einer zusammenhängenden Wasserhaut hervorzubringen, also nur an einzelnen Stellen
des Kriechweges eine erhöhte Temperatur zu erzeugen, sondern die Spiralwindungen
des Heizleiters sind bei dem bekannten Isolator so dicht geführt, daß die ganze
Oberfläche gleichmäßig erwärmt wird, um bei Tau und Nebel- das Niederschlägen des
Wassers auf der gesamten Oberfläche zu verhindern, ein Effekt, der ebenso durch
eine: flächenhafte halbleitende Glasur der ganzen Oberfläche hervorgebracht werden
könnte und dessen Eintreten infolge der Schmutzkrusten, mit denen sich ein solcher
Schutzraumisolator gerade in den Schutzräumen überzieht, sehr fraglich ist.
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Die Erfindung sei an Hand der folgenden Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Fig. 2 zeigt einen vertikalen Isolator mit flachen Tellern, die von
zwei nach Art einer doppelgängigen Schraube ausgeführten Schraubenflächen gebildet
werden: In der Zeichnung ist mit ro der Schaft, mit z z die erste und mit 12 die
zweite Schraubtellerfläche bezeichnet. 13 ist die obere, 1q. die untere Elektrode.
Beide Elektroden sind als vorgeschobene Innenelektroden ausgeführt, um die Feldstärke
an der Elektrodenkante zu entlasten und dadurch den elektrischen Staubniederschlag
an dieser Stelle zu vermeiden. Der Steigungswinkel der Schraube ist mit a bezeichnet.
fl ist der Neigungswinkel der oberen Tellerfläche (im, Profil) gegen die Waagerechte,
y der Neigungswinkel der unteren Tellerfläche, wie er sich im Profil darstellt.
ß und y werden der Kürze halber als »radiale« Neigungen der Tellerflächen im Gegensatz
zu der »tangentialen« Neigung a bezeichnet. Die Steigung (a) der Schraubenfläche
einerseits und die radialen Neigungen der Telleroberflächen (ß) und Tellerunterflachen'
(y) andererseits sind so bemessen, daß bei Regen auch die Tellerunterflächen und
der Schaftvon einem gleichrnäßigenWasserschleier berieselt werden; der gerade genügend
stark ist, um den angelagerten Schmutz fortzuspülen oder zumindest alle löslichen
Bestandteile auszulaugen, aber nirgends so stark anwächst, daß starke, geschlossene,
vertikale Wasserbahnen entstehen, die das richtige Funktionieren des Unterbrechungsmechanismus
verhindern würden. Das von den Schraubenflächen aufgefangene Regenwasser teilt sich
nämlich in zwei Teile: der eine, nach Maßgabe der radialen Tellerneigungen (ß und
y) sich mehr öder weniger stark ausbildende Wasserschleier fließt in der vertikalen
Richtung über die Tellerkante hinweg, während der andere, überschüssige Teil des
aufgefangenen Regenwassers von der Schraubenfläche auf dem schraubenförmigen »inneren«
Weg abgeleitet wird: Fig. 3 zeigt verschiedene Tellerprofile, um diesen Zweck in
Anpassung an die gegen das untere Ende zunehmende Wassermenge zu erreichen. Da der
schraubenförmige Weg des Wassers bedeutend länger ist als der vertikale Weg, so
ist der elektrische Widerstand dieses Stromweges so hoch, daß nur ein kleiner elektrischer
Strom schraubenförmig fließen kann, dessen Unterbrechung keine Schwierigkeiten macht
und vor allem nicht zur Zündung eines Totalüberschlags führen kann. Man kann den
schraubenförmigen Wasserweg noch länger machen; als in der Zeichnung dargestellt,
wenn man den Schaftdurchmesser größer macht oder eine eingängige Schraube wählt.
Die schraubenförmige Kante des Tellers wirkt als Vielfachunterbrechung des kürzesten
Oberflächenkriechweges, weil sie diesen Kriechweg oftmals, schneidet und auftrennt.
Die Tellerunterfläche ist zu diesem Zweck so stark geneigt und das Kantenprofil
so ausgeführt, daß das Wasser adhäriert und rasch über die Kante fließt und sich
an ihr keine Wasserringe bilden. Dieser »laminare« Wasserschleier ist also an der
Kante am dünnsten. Das hat die sogenannte »Dünnstellensteüerung« der Wasserhaut
zur Folge. Beim Nachlassen oder Aufhören des Regens wird zunächst der Stromfluß
auf dem kürzesten vertikalen Kriechweg an der schraubenförmigen Kante vielfach unterbrochen,
und dann reißt auch der schraubenförmig fließende Reststrom ab.
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Um die Unterbrechungswirkung zu verstärken; kann man die Kante außerdem
mit einer halbleitenden Glasur versehen, die mit beiden Elektroden Kontakt macht,
welche also einen schraubenförmigen Heizleiter bildet und einen kleinen Strom führt,
der die Temperatur der Kante gegenüber ihrer Umgebung um einige Grade erhöht.
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Bei Tau, Nebel und feinem Sprühregen bleibt dieser Isolator, wenn
er unter normaler Betriebsspannung steht, an der Schraubflächenkante relativ schwach
benetzt, weil sich dort sofort Glimmentladungen ausbilden, die infolge ihres hohen
Spannungsverbrauches (mehrere kV pro cm Länge) den Stromfluß auf einen ungefährlichen
Wert begrenzen bzw. als Vielfachunterbrechungen der Wasserhaut wirken. Ein Umschlagen
dieser Glimmentladungen in stromdichtere Leuchtfäden oder Glimmbögen ist durch die
kleine Leitfähigkeit der Wasserhaut dank der selbstreinigenden Ausbildung des Isolators
verhindert. Die Schraubenflächen bewirken außerdem eine Verteilung des Regenwassers
auf alle Seiten des Isolators. Daher wird nicht nur die Wetterseite durch den auftreffenden
Regen gereinigt und abgespült, sondern bei jedem Regen die gesamte Oberfläche.
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Fig. q. zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich
einen Isolator mit durchweg nach oben gebogenen Tellern. Es ist nur das Tellerptofil
dargestellt, da die übrige Ausführung analog Fig. 2 ist. Die Tellerkante r5 ist
nach oben geschwungen und so spitz, wie mit Rücksicht auf mechanische Festigkeit
und Funkstörungen durch Sprühentladungen gerade noch zulässig; ausgeführt. Mit 16
ist der »innere«, schraubenförmige Ableitungsweg angedeutet, auf dem das Regenwasser
längs des Schaftes abgeleitet wird. Die Tellerunterseiten sind bei dieser Ausführung
dem Regen besonders gut zugänglich. Die Tellerränder wirken wie Wasserscheiden und
haben eine ganz dünne
Regenhaut, die beim Nachlassen des Regens
sofort unterbricht. Die Bildung von Hängetropfen ist ausgeschlossen. Die Teller
können infolgedessen in dichter Folge untereinandersitzen, bzw. der Steigungswinkel
der Schraube kann klein ausgeführt werden, wodurch man einen langen Oberflächenkriechweg
erhält. Die Vorderteile der Teller bleiben bei dieser Ausführung so sauber, daß
die im Falle von Nebel und Tau sich eventuell am Schafte zwischen den Tellern bildenden
Entladungen keine höheren Stromstärken annehmen können, weil der Stromfluß durch
die sauberen Teile gedrosselt wird.
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In Fig. 5 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Rillenisolator
dargestellt. Bei diesem tritt die schraubenförmige Wasserführung und die Unterbrechungswirkung
dervorspringendenRippenkuppe gegenüber den vorigen Ausführungsbeispielen zurück.
Dafür ist ein schraubenförmiger Heizleiter 17 an der Rippenkuppe vorgesehen,
der z. B. als halbleitende Glasur ausgeführt ist. An dieser Stelle übertrifft die
Heizwirkung des Halbleiters die sonst eintretende stärkere Erhitzung der Wasserhaut
durch den Oberflächenkriechstrom am Rillengrund. Bei Tau und Nebel bleiben die durch
den Heizleiter erwärmten Rippenkuppen trocken, und der Oberflächenkriechstrom bleibt
infolgedessen sehr klein.
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Bei der Ausführung der vorspringenden Teller-oder Rippenkanten als
Heizleiter wird die Tatsache ausgenützt, daß diese Kanten infolge ihres relativ
zur Masse des Isolatorstrunkes kleinen Wärmefassungsvermögens und bei der kleinen
Wärmeleitfähigkeit des Porzellans schon durch einen kleinen Heizstrom auf eine örtlich
höhere Temperatur gebracht werden können.
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Der Isolator nach der Erfindung hat gegenüber den heutigen Freilufthochspannungsisolatoren
den Vorteil, daß er in Gegenden mit verunreinigter Luft auch nach jahrelangem Betrieb
noch unter allen Wetterverhältnissen, bei Regen, Tau, Nebel und Sprühniederschlägen,
eine hohe Überschlagspannung behält ohne die Notwendigkeit einer künstlichen Reinigung.
Auch wenn nach längeren Trockenperioden oder in einem weniger regenreichen Klima
als dem unserigen Taufall oder Nebel einsetzt, hat der Isolator nach der Erfindung
ein den heutigen Schirmisolatoren überlegenes Isoliervermögen, weil die gleichförmig
über einen langen Kriechweg verteilte Vielfachunterbrechung der Wasserhaut durch
die schraubenförmige Kante ein gefährliches Ansteigen des Oberflächenkriechstromes
nicht zuläßt.
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Das gilt auch für den Fall, daß nach einer Frostperiode Tauwetter
eintritt.