Isolator (Elektrotechnik)

mini|Zwei parallele „Langstab“-Isolatoren (schokoladenbraun) tragen ein spannungsführendes Leiterseil

Ein Isolator ist ein Bauteil der Elektrotechnik und der Energietechnik, mit dem blanke (also nicht selbst isolierte) elektrische Leiter befestigt, gehalten oder geführt werden, ohne dass es zu einem nennenswerten Stromfluss durch das Befestigungselement kommt. Isolatoren müssen eine hohe mechanische Belastbarkeit mit einer bedeutungslos geringen elektrischen Leitfähigkeit kombinieren und bestehen daher aus festen Isolierstoffen.

Isolatoren werden an Freileitungsmasten, großen Antennen oder in Umspannwerken eingesetzt. Spezielle Durchführungsisolatoren isolieren spannungsführende Leiter beim Eintritt in einen geschlossenen Raum gegenüber dessen Wandung, etwa bei Leistungstransformatoren, großen Kondensatoren oder Abschirm-Gehäusen. Auch der Porzellankörper von Zündkerzen ist funktionell ein Durchführungsisolator, da er die Hochspannung führende Zündelektrode isoliert durch den metallischen Zylinderkopf führt.

Elektrische Kabel besitzen eine Isolierung, eine elektrisch isolierende Umhüllung.

Grundsätzliches Materialien mini|hochkant|Porzellanisolator für Mittelspannung, etwa 15 cm hoch. Die gerippte Form verlängert den Kriechweg gegenüber einem „geraden“ Isolator deutlich, die Unterseite der „Schirme“ bleibt bei Regen trocken

Für die Fertigung von Isolatoren kommen nur Festkörper in Betracht, die Nichtleiter sind und einen möglichst hohen spezifischen Widerstand sowie eine hohe Durchschlagsfestigkeit haben.

Beispiele für Isolationsmaterialien sind (die Werte verstehen sich als Richtwerte und hängen von Temperatur und Frequenz ab):

Material spezifischer Widerstandin Ω·cmDurchschlagsfestigkeitin kV/mm Aluminiumoxid 1014 > 20 Steatit 1013 (bei 20 °C) 107 (bei 600 °C)20 Porzellan (je nach Art) 1011−1012 20 Glas (je nach Art) 10 7−1016 10–40 Glasfaserverstärkte Kunststoffe (je nach Fertigung) 1010−101420–40 Epoxidharze (je nach Fertigung) 1014> 10

Im Freien eingesetzte Isolatoren müssen darüber hinaus gegen Ultraviolettstrahlung sowie Witterungseinflüsse (Nässe, Temperaturschwankungen) dauerbeständig sein.

Die Befestigungsarmaturen an den Enden des eigentlichen Isolators bestehen meist aus Metallguss und werden mit einem hochfesten Zement angebracht.

Maßnahmen gegen Kriechstrom Isolatoren im Freien unterliegen ungünstigen Umwelteinflüssen wie Regen, Schnee oder Staub, in Meeresnähe auch Salz. Im Freien können sich infolgedessen auf der Oberfläche eines Isolators Schmutzstoffe anlagern, die mit der Zeit einen elektrisch leitfähigen Film bilden und dadurch die Isolierwirkung des Bauteils kompromittieren. An der Oberfläche des Isolators fließt dann ein Kriechstrom, der zwar meist nur einen unbedeutenden Übertragungsverlust bewirkt, in ungünstigen Fällen aber bei einer Gleitentladung, einem Überschlag oder einem Lichtbogen auch durch Kurzschluss oder Erdschluss den Ausfall oder gar eine Beschädigung der gesamten Leitung zur Folge haben kann.

Um Kriechströme trotz der kaum vermeidbaren Umwelteinflüsse möglichst klein zu halten, gestaltet man die Kriechwege möglichst lang, indem man den zentralen Strunk des Isolators, der die eigentliche Haltefunktion ausübt, zusätzlich mit glockenförmigen Schirmen oder Rippen ausstattet, die den Kriechstrom auf einen „gefalteten“ Zick-Zack-Weg zwingen, dessen Länge die Baulänge des Isolators um das Mehrfache übersteigen kann. Darauf basiert vor allem der Doppelglockenisolator, der von Josiah Latimer Clark 1856 in England zum Patent angemeldet und durch Franz von Chauvin für Preußen eingeführt wurdeArthur Wilke: Die Elektrizität. Spamer, Leipzig 1899, S. 110. und prinzipiell in vielen freien Niederspannungsnetzen noch aktuell im Einsatz ist.

Darüber hinaus sorgen dachartig abgeschrägte Schirme bei vertikal hängenden Isolatoren an ihrer Unterseite auch bei Regen für trockene und damit weniger leitfähige Abschnitte im Kriechweg.

Bauformen Knopf- / Glockenisolator

Glockenisolatoren werden in Größen von etwa 2 bis 20 cm aus unterschiedlichsten Werkstoffen hergestellt (Kunststoff, Keramik, Glas). Sie sitzen als isolierender „Hut“ am Ende eines Befestigungshakens. Eine glockenförmige Aushöhlung in der Unterseite verlängert den Kriechweg und kann als Doppelglocke auch mehrfach ausgeführt sein. Der spannungsführende Draht wird mit einer speziellen Drahtschlaufe seitlich am oberen Teil des Isolators in einer umlaufenden Rille befestigt. Ein Wulst unterhalb dieser Rille, der Rillenteller, kann dabei das Gewicht der Leitung tragen.

Knopfisolatoren sind besonders kleine Ausführungen ohne ausgeprägte Glockenform an der Unterseite und kurzem Kriechweg.

Langstabisolator

Langstabisolatoren werden als längliches starres Einzelteil aus einem keramischen Werkstoff in Längen bis zu 2 Meter hergestellt. Die Isolierkörper werden auf speziellen Drehmaschinen einzeln gefertigt und anschließend glasiert und gebrannt.Produktinformation Fa. Lapp, abgerufen am 28. Juli 2020

Langstabisolatoren weisen lange Kriechwege auf und sind in hohem Maße durchschlagsicher, da der kürzeste Weg durch das Material, den ein Spannungsdurchschlag nehmen könnte, der Baulänge entspricht und vollständig durch Isolierstoff führt. Daher werden sie an Hochspannungs-Freileitungen sehr verbreitet eingesetzt.

Stützisolator

Stützisolatoren, häufig auch nur als Stützer bezeichnet, sind stabförmige Isolatoren, die jedoch statt Zugkräften vorwiegend Druckkräfte aufnehmen. Sie finden z. B. Anwendung bei der Aufständerung von Stromschienen oder zur Kraftübertragung zu beweglichen Teilen, die unter Spannung stehen. Dazu gehören Stromabnehmer bei Schienenfahrzeugen oder Trennschalter. Sie werden häufig durch Schraubverbindungen befestigt, so dass sie weniger Freiheitsgrade besitzen als ein Langstabilisator, der nur Zugkräfte aufnehmen kann. Stützisolatoren werden daher nicht nur in vertikaler Lage eingebaut, sondern können Leitungsgeometrien in jeder Richtung fixieren. Stützisolatoren werden neben den gängigen keramischen Isolierstoffen häufig aus Epoxidharz hergestellt. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Stützisolatoren für Mittel- und Hochspannung sind für eine große Zahl an Bauformen und deren Benennung in der IEC 60237 festgelegt.

Silikonisolator

Silikonisolatoren (genauer: Silikon-Verbund-Isolatoren) sind vom prinzipiellen Aufbau her ebenfalls Langstabisolatoren, werden aber anders gefertigt und haben andere Eigenschaften. Den zentralen Strunk bildet hier ein Stab aus hochfestem glasfaserverstärktem Kunststoff, die Schirme aus Silikon werden entweder einzeln aufgeklebt oder als vollständige Umhüllung des Strunks im Spritzgussverfahren aufgebracht.

Im Vergleich zu Glas- oder Keramikisolatoren verschmutzen sie weniger, da Silikone eine hydrophobe Oberfläche aufweisen und diesen Effekt auf eine eventuelle Verschmutzungsschicht übertragen können, und so haben sie bessere Isolationseigenschaften bei Regen und vor allem bei Betauung. Daher erreichen sie die geforderte Isolierwirkung schon bei kürzerer Baulänge und geringerer Kriechwegverlängerung und sind leichter. Im Vergleich zu klassischen Keramik-Langstabisolatoren zeigen sie wegen der geringeren benötigten Materialstärke ein „filigranes“ Erscheinungsbild, die Schirme sind meist blassblau eingefärbt. Ein weiterer Vorteil ist die längere zu erwartende Lebensdauer.

Kappenisolator

Kappenisolatoren bestehen aus anreihbaren Elementen, die jeweils einen kappen- oder glockenförmigen Isolierkörper aus Glas oder Keramik besitzen, an dessen Ober- und Unterseite Metallarmaturen angebracht sind. Diese Elemente lassen sich in beliebiger Stückzahl ineinanderhängen, so dass daraus Isolatoren jeder Länge für alle Nennspannungen und Anwendungen zusammengestellt werden können. Für Mittelspannung reichen zwei bis drei Elemente aus, für Höchstspannungen werden Ketten von mehreren Metern Länge aus tellergroßen Kappen erstellt. Da die Elemente ineinander beweglich gelagert sind, bilden sie biegsame Isolatoren, die gegen Seitenkräfte weniger empfindlich sind als Langstabisolatoren.

Nachteilig wirken sich allerdings die metallischen Verbindungsarmaturen innerhalb der Kette aus, da sie die Durchschlagsicherheit herabsetzen. Daher können Kappenisolatoren von Überspannungen (beispielsweise bei Blitzschlag ins Leiterseil) durchschlagen und mechanisch beschädigt werdenFriedrich Kießling, Peter Nefzger, Ulf Kaintzyk: Freileitungen. Planung, Berechnung, Ausfuhrung. 5., vollständig neu bearbeitete Auflage. Springer, Berlin u. a. 2001, ISBN 3-540-42255-2, Abschnitt 9.5. und werden bei Neu- und Umbauten von Leitungsmasten oft durch andere Bauformen ersetzt. An Abspannportalen werden Kappenisolatoren wegen ihrer flexiblen Anpassbarkeit weiterhin verwendet.

Eine Sonderform ist der Vollkernisolator, bei dem zwei Kappen zu einem starren keramischen Element mit höherer Durchschlagfestigkeit zusammengefasst sind.

Druckkörper

Eine einfache Isolatorenausführung ist das Isolier-Ei, das aus einem Keramikkörper zwischen zwei Drahtschlingen besteht. Es erfährt aufgrund der Konstruktion und Seillage ausschließlich Druckspannungen, die von Keramik besonders gut ertragen werden.

Da die Isolationsfähigkeit von Isoliereiern infolge der kurzen Kriechwege gering ist, kommen sie nur für den Niederspannungsbereich oder für elektrische Weidezäune, bei denen geringfügige Verluste nicht ins Gewicht fallen, in Betracht. Zur Erhöhung der Isolationsspannung kann man mehrere Eier mit kurzen Drahtstücken hintereinander setzen.

Dem gleichen Prinzip folgt der Pardunenisolator, mit dem die Pardunen unter Spannung stehender Sendemasten gegen Erde isoliert werden. Da Pardunen sehr hohe Zugkräfte aufnehmen müssen, ist der Isolator so konstruiert, dass er nur auf Druck belastet wird.

Armaturen Die Leiterseile werden am Isolator mit besonderen Klemmen befestigt, deren Bauart vom Anwendungszweck abhängt: Bei Tragmasten muss nur das Gewicht des Leiterseil-Abschnitts getragen werden, während bei Abspannmasten die deutlich höhere Seilzugkraft von einer speziellen Abspannklemme aufgenommen werden muss.

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 energiereichen Lichtbogen vom Isolator fernzuhalten und ihn durch geeignete Gestaltung zum Verlöschen zu bringen.

Anwendungen Freileitungen Niederspannung (unter 1 kV)

Als Isolatoren für früher übliche Fernsprechfreileitungen und Niederspannungs-Freileitungen bis 1 kV Nennspannung werden meist Glocken- oder Schäkelisolatoren verwendet, an denen 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 bei Abspann- oder Antennenseilen keramische Isolier-Eier verwendet.

Mittelspannung (1 kV bis 30 kV)

Für Mittelspannung werden meist gerippte Isolatoren aus Glas oder Keramik verwendet, die entweder auf den Traversen der Masten stehen als auch darunter hängen können. Stehende Isolatoren ermöglichen geringere Masthöhen und bieten konstruktionsbedingt mehr Sicherheit vor dem Herabfallen des Leiterseils (beim Isolatorbruch fällt es auf die Traverse). Hängende Isolatoren können Querkräften (etwa durch Seitenwind) durch seitliche Auslenkung ausweichen und werden somit weniger auf Biegung beansprucht. Zudem stellen die spannungsführenden Leiterseile bei hängender Anordnung keine so große Gefahr für Vögel dar, die auf der Traverse landen.