Reif für die Insel - Wacker Chemie AG


Reif für die Insel

Die Dezentralisierung der Energieversorgung, wie sie in Windkraft- und Photovoltaikanlagen Gestalt annimmt, erfordert den Bau neuer Stromtrassen und Umspannstationen. Als Material für die benötigten Hohlisolatoren hat sich ein niedrigviskoser Flüssigsiliconkautschuk von WACKER bewährt, der im Niederdruck-Gießen verarbeitet wird. Im Freiluft-Einsatz halten Silicone auch extremen Wetterverhältnissen stand – wie sie etwa auf hoher See herrschen.

Für moderne Gesellschaften ist eine zuverlässige Stromversorgung so etwas wie die Luft zum Atmen für den einzelnen Menschen. Die vorhandene elektrotechnische Infrastruktur – Kraftwerke, Stromnetze und Schaltstationen – genügt aber vielerorts kaum mehr den Anforderungen. In wirtschaftlich aufstrebenden Ländern müssen leistungsfähigere Netze aufgebaut werden, weil dort der Strombedarf stark steigt. In industrialisierten Ländern wird es zunehmend wichtig, die bestehenden Verbundnetze zu modernisieren und zu erweitern, damit die Versorgungssicherheit auch angesichts des Umstiegs auf erneuerbare Energien gewährleistet bleibt. So führt beispielsweise in Deutschland die verstärkte Nutzung der Windenergie dazu, dass zusätzliche leistungsfähige Nord-Süd-Stromtrassen notwendig werden. Denn die Rotoren der Windräder drehen sich vor allem im windreichen Norddeutschland, während die großen Stromabnehmer – wie die Industrie – vor allem in Süddeutschland sitzen. Außerdem wird sich die Netztopologie ändern müssen, weil der Strom immer stärker dezentral und zu weniger berechenbaren Zeiten erzeugt wird. Hierzu müssen neben den Windrädern die vielen Photovoltaikanlagen einbezogen werden.

Mittels der Dosier- und Mischeinheit wird der niedrigviskose Flüssigsiliconkautschuk in das heizbare Formwerkzeug gefüllt, das während der Vulkanisation von der Schließeinheit verschlossen wird.

Wo aber Kraftwerke, Stromtrassen und Schaltstationen gebaut oder modernisiert werden, werden auch geeignete Hochspannungsisolatoren und Geräte benötigt – der Bedarf nimmt seit Jahren weltweit zu. Weil eine Isolation der spannungsführenden Teile die Voraussetzung für den betriebssicheren Stromtransport ist, sind Netzbetreiber und Energieversorgungsunternehmen auf zuverlässige Isolatoren angewiesen. Versagen Isolatoren, können Überschläge und Kurzschlüsse entstehen, die eine automatische Abschaltung des betroffenen Teils des Stromnetzes auslösen. In ungünstigen Fällen ist dann eine ganze Region von der Stromversorgung abgeschnitten. In Hochspannungsnetzen werden verschiedene Bauarten von Isolatoren benötigt: Langstabisolatoren und Hohlisolatoren. Letzere werden immer dann eingesetzt, wenn ein elektrisches Aktivteil oder ein Gerät eine Außenisolierung benötigt. Einen Hohlisolator kann man sich als leeres nichtleitendes Rohr vorstellen, das auf seiner Außenseite ringförmig angeordnete Isolatorschirme trägt. Hochspannungshohlisolatoren bilden die Außenisolierung von Durchführungen, Messwandlern, Leistungsschaltern, Überspannungsableitern, Kabelendverschlüssen und anderen elektrotechnischen Apparaten.

FREMDSCHICHTÜBERSCHLÄGE

Werden Isolatoren im Freien eingesetzt, sind sie häufig hoher Feuchtigkeit ausgesetzt. Wenn Nebel, Tau oder Regen auf Verschmutzungen einwirken, die sich auf der Isolatoroberfläche abgelagert haben, kann ein elektrisch leitfähiger Belag entstehen – eine leitfähige Fremdschicht. Bilden sich dabei durchgängige leitfähige Pfade, fließt ein Kriechstrom, der die Schicht erwärmt – an einigen Stellen schwächer, an anderen stärker. Dadurch bilden sich trockene Bereiche. Bei genügend hohen Spannungen kommt es über die trockenen Zonen hinweg zunächst zu kleinen, instabilen Teilentladungen – im Dunkeln sichtbar als ein bläuliches Leuchten. Gefährlich für das Stromnetz wird es dann, wenn sich die Trockenzonen verbreitern und wenn sich schließlich ein stabiler großer Lichtbogen – eine selbstständige Gasentladung hoher Stromdichte – entwickelt. Solch ein Lichtbogen wird als Überschlag bezeichnet, weil er den gesamten Isolator überschlägt. Fremdschichtüberschläge bewirken sehr hohe Kurzschlussströme und müssen daher unbedingt vermieden werden. Für diesen Zweck ist eine dauerhaft hydrophobe Oberfläche vorteilhaft, wie sie eine Siliconbeschirmung aufweist: Sie verhindert, dass sich eine durchgehende leitfähige Fremdschicht bildet.

In den Freileitungen der Hochspannungsnetze sind die Isolatoren während ihrer gesamten Betriebsdauer – etwa vierzig Jahre – allen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Temperaturschwankungen, UV-Strahlung, Feuchtigkeit und Verschmutzungen dürfen aber unter keinen Umständen zu unvorhersehbaren Betriebszuständen führen. Eine besondere Gefahr geht von Schmutzablagerungen auf der Isolatoroberfläche aus, sobald diese unter Feuchtigkeitseinwirkung elektrisch leitfähig werden: Sie können zu Fremdschichtüberschlägen führen.

Besonders kritisch: der Freiluft-Einsatz

Der klassische Werkstoff für Hochspannungsisolatoren ist ein dunkelbraunes oder graues Hartporzellan. „Dieser keramische Werkstoff hat vorzügliche Isoliereigenschaften“, sagt Rainer Röder, der als Ingenieur mit seinem Büro Gardy Technology AG, Erlinsbach/Schweiz die Hohlisolator-Industrie seit Jahren technisch berät. „Allerdings wird eine Porzellanoberfläche durch Wasser benetzt. Daher ist bei verschmutzten Porzellanisolatoren die Gefahr von Fremdschichtüberschlägen recht groß. Zudem sind Porzellanisolatoren schwer und zerbrechlich.“

Diese Nachteile haben Silicon-Verbundhohlisolatoren nicht. Sie bestehen aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffrohr (GFK-Rohr), das an den Enden mit Aluminiumflanschen ausgestattet ist, und einer Schirmhülle aus einem Siliconelastomer. Das GFK-Rohr mit den fest verpressten und verklebten Flanschen gibt dem Hohlisolator die notwendige mechanische Festigkeit und Dichtigkeit, die Schirmhülle sorgt mit ihren silicontypischen Eigenschaften für die elektrische Isolation. Die Flansche sind notwendig, um den Isolator am Einsatzort montieren zu können.

Ausgeprägte Hydrophobie

Ein 145kV-TE-Axicom-Hohlisolator der Firma TE Connectivity vor einem Hochspannungsmast.

Anders als eine Porzellanoberfläche ist eine Siliconoberfläche dauerhaft hydrophob, also wasserabweisend. Sie kann ihre Hydrophobie sogar auf anhaftende Schmutzpartikel übertragen – ein großer Vorteil, wenn ein Silicon-Verbundhohlisolator in Regionen mit hoher Luftverschmutzung, in intensiv landwirtschaftlich genutzten Gebieten oder in Küstennähe eingesetzt wird, wie Dr. Hans-Jörg Winter erklärt, der bei WACKER SILICONES über 20 Jahre ein anwendungstechnisches Labor im Marktsegment Mittel- und Hochspannungstechnik geleitet hat. „Regenoder Taubeläge perlen von den Siliconschirmen ab“, berichtet Dr. Winter. „Selbst nach jahrelangem Freiluft-Einsatz bildet sich kein zusammenhängender leitfähiger Feuchtigkeitsfilm, und damit ist die Gefahr von Fremdschichtüberschlägen gebannt.“ Silicon-Verbundisolatoren sind unzerbrechlich, erdbebensicher und wiegen deutlich weniger als Porzellanisolatoren. Sie halten einem hohen Innendruck – bis zum Hundertfachen des Atmosphärendrucks – stand und zerplatzen selbst bei noch höheren Innendrücken nicht in kleine Scherben, sind also explosionssicher.

Zudem können Verbundisolatoren auf Anfrage deutlich schneller hergestellt werden als Porzellanisolatoren. Wegen dieser Vorteile entscheiden sich Apparatehersteller, Energieversorger und Netzbetreiber immer häufiger für den Einsatz von Verbundhohlisolatoren, besonders bei hohen Spannungsebenen. „Zunächst wurden Silicon-Verbundhohlisolatoren hauptsächlich ab 220.000 Volt eingesetzt, für niedrigere Spannungsebenen waren sie damals noch zu teuer“, berichtet Rainer Röder. Mittlerweile aber hätten sie bereits vermehrt Eingang in die 72.000-Volt-Ebene gefunden. „Der Trend geht eindeutig in Richtung Verbundisolatoren“, ist Röder überzeugt.

Hohlisolatoren für die Hochspannungstechnik können sehr große Abmessungen haben. Je höher die Spannungsebene, desto länger ist der Isolator – pro 100.000 Volt muss man mit einer zusätzlichen Länge von etwa einem Meter rechnen. Solche Dimensionen machen eine kosteneffiziente Fertigung, die zugleich höchsten Qualitätsanforderungen genügen muss, nicht gerade leicht – zumal die Isolatoren kundenspezifisch produziert werden und ein jeder Auftrag in der Regel nur wenige Exemplare umfasst.

Warum Silicon-Verbundisolatoren?

Konstruktions- und werkstoffbedingt zeichnen sich Silicon-Verbundhohlisolatoren durch eine Reihe von Vorteilen gegenüber Porzellanhohlisotoren aus: Sie wiegen nur ein Drittel im Vergleich zu Porzellanhohlisolatoren. Das geringere Gewicht macht sich beim Zusammenbau, beim Transport und bei der Montage der elektrischen Apparate in der Anlage positiv bemerkbar. Als Folge ihrer Bauweise sind die Verbundhohlisolatoren explosions- und erdbebensicher und können beim Transport nicht brechen. Wegen der ausgeprägten Hydrophobie und der Fähigkeit zum Hydrophobietransfer – der Übertragung der wasserabweisenden Eigenschaft auf abgelagerte Verschmutzungen – müssen Silicon-Verbundhohlisolatoren im Einsatz nicht gereinigt werden. Hinzu kommt die silicontypische Alterungsbeständigkeit. Resultat ist eine hohe Lebensdauer der Verbundhohlisolatoren. Zudem lassen sich Verbundhohlisolatoren in kürzerer Zeit fertigen als Porzellanhohlisolatoren.

Silicon-Verbundhohlisolatoren sind seit Mitte der 1980er-Jahre kommerziell erhältlich. „Damals standen noch individuelle Problemlösungen, etwa mit speziell gewünschten Schirmformen, im Vordergrund. Die Produktionsverfahren waren darauf abgestimmt und entsprechend kostspielig“, erinnert sich Röder. „Dies hat sich im Lauf der Zeit geändert. Heute sind die Apparatebauer bereit, ihre Konstruktionen auf ein Portfolio festgelegter Schirmformen und Durchmesser abzustimmen.“ Damit sind auch effizientere und damit kostengünstigere industrielle Fertigungsmethoden möglich geworden.

Als Best-Practice-Verfahren zur industriellen Siliconbeschirmung hat sich das sogenannte Niederdruck-Gießen unter Atmosphärendruck erwiesen. Dieses Verfahren ähnelt dem klassischen Spritzgießen, arbeitet aber bei einem sehr viel niedrigeren Fülldruck. Das Prinzip ist einfach: Das zu umgießende GFK-Rohr wird in das Formwerkzeug, eine aus zwei Hälften bestehende Negativform der Beschirmung, eingelegt. Nach dem Schließen der Form wird ein gießbarer Flüssigsiliconkautschuk automatisch in das Formwerkzeug gefördert und bei höherer Temperatur vulkanisiert.

Gruppenbild mit Messwandlern (v. l.): Rainer Röder von der Beratungsfirma Gardy und Martin Boss, Vizedirektor und technischer Leiter der Firma Pfiffner, mit Dr. Hans-Jörg Winter und Johan Dewitte von WACKER.

Die Schwierigkeiten liegen im Detail. Der eingesetzte Flüssigsiliconkautschuk etwa muss so dünnflüssig sein, dass er sich drucklos gießen lässt und die Form blasenfrei ausfüllt. Zudem muss er genügend lange verarbeitungsfähig bleiben, soll aber andererseits in der beheizten Form möglichst schnell zum Siliconelastomer aushärten – und dies bei Temperaturen von höchstens 130 Grad Celsius, weil sonst das GFKRohr erweichen und sich verformen würde.

Gängige Flüssigsiliconkautschuke eignen sich für den Prozess nicht. „Sie sind viel zu zähflüssig, lassen sich daher nur mit hohem Druck einspritzen und erfordern den Einsatz kostspieliger Spritzgießformen“, berichtet Dr. Winter. Im Prinzip geeignet sei ein anderer Kautschuk aus dem Programm des Konzerns, das bei Raumtemperatur vernetzende POWERSIL® 600. Es habe die notwendige niedrige Viskosität und härte zu einem Elastomer mit vorzüglichen technischen Eigenschaften aus. „Allerdings muss die Form jedes Mal vor dem Füllen abgekühlt werden, da sonst die Vernetzung schon beginnt, wenn die Form noch nicht vollständig gefüllt ist“, weiß der Werkstoffexperte. Daher suchten die Hohlisolatorhersteller nach einer Alternative.

Den Durchbruch für das Gießverfahren brachte ein neuer zweikomponentiger Kautschuk, den WACKER im Jahr 2000 unter dem Namen POWERSIL® XLR® 630 einführte. „Dieses Produkt vereint die Vorteile der beiden unterschiedlichen Kautschuksysteme“, führt Dr. Winter aus. Der zweikomponentige, besonders dünnflüssige Flüssigsiliconkautschuk – XLR® steht für Extra Liquid Rubber – wurde zum Produkt der Wahl beim Niederdruck-Gießen der Siliconschirmhülle und trug dazu bei, dass sich das Verfahren in der Branche durchsetzen konnte. Laut Röder werden heute 80 Prozent der Verbundhohlisolatoren in Europa im Niederdruck-Gießverfahren hergestellt. „Fast alle Unternehmen, die in den letzten Jahren Fertigungslinien für Verbundhohlisolatoren neu aufgebaut haben, haben sich für dieses Verfahren entschieden und setzen dabei das XLR®-Silicon von WACKER ein“, erklärt der Branchen-Experte.

Die Wiege des Verfahrens

Vorreiter für das Niederdruck-Gießverfahren ist die TE Connectivity mit ihrem schweizerischen Standort Wohlen, der früheren Cellpack AG. Das Unternehmen gehört zum Konzern TE Connectivity mit Sitz in Schaffhausen in der Schweiz. „Dieses Werk ist die Wiege des Niederdruck-Gießverfahrens für die Siliconbeschirmung – hier wurde das Verfahren zur Anwendungsreife gebracht und im Jahr 1988 erstmals zur industriellen Beschirmung genutzt“, erklärt Röder, der damals Geschäftsführer an dem Standort war. Mit ihrem Werk in Wohlen ist TE Connectivity der weltweit führende Hersteller von Verbundisolatoren geworden, die unter der Marke Axicom verkauft werden. Die Tausende Verbundhohlisolatoren für Apparate der Hochspannungstechnik, die jährlich gefertigt werden, sind allesamt im Niederdruck-Gießverfahren hergestellt. „Seit über zehn Jahren setzen wir für das Umgießen der Rohre ausschließlich POWERSIL® XLR® 630 ein. Mit diesem Silicon erreichen wir eine fehlerfreie und kostengünstige Produktion“, sagt Dr. Robert Strobl, Market Director Hochspannungsprodukte bei TE Connectivity.

Das Unternehmen bringt nicht nur die Siliconbeschirmung auf, sondern wickelt auch die benötigten GFK-Rohre selbst. Über die Jahre hat die Firma ein großes Know-how aufgebaut – wurden im Werk Wohlen doch bis heute mehrere hunderttausend Verbundhohlisolatoren für Spannungen zwischen 72.000 und 1,1 Millionen Volt hergestellt. Als einen der Erfolgsfaktoren sieht Dr. Strobl die Zusammenarbeit mit WACKER: „Bei allen technischen Fragen und Problemen standen uns die Anwendungstechniker von WACKER mit Rat und Tat zur Seite. Auch erhalten wir das Silicon seit Jahren in stets gleichbleibend hoher Qualität.“

Konstruktionsprinzip eines Hohlisolators

Typische Anwendung: Messwandler

Ebenfalls in der Schweiz, in Hirschthal, ist die Pfiffner Messwandler AG ansässig. Das mittelständische Unternehmen ist ein renommierter Hersteller von Spannungs- und Stromwandlern für alle Spannungsebenen der Stromübertragung und -verteilung. Mit diesen Apparaten – kleinen Spezialtransformatoren – können hohe Spannungen oder Ströme auf ein messbares Niveau gebracht werden. Die Wandler formen die Spannungen oder Ströme so um, dass sie von elektronischen Auswertegeräten automatisch weiterverarbeitet werden können.

Dies ist aus zwei Gründen notwendig: Erstens möchte jeder Stromerzeuger, jeder Netzbetreiber und jedes Energieversorgungsunternehmen genau wissen, wie groß die transportierte elektrische Energie ist – allein schon zu Abrechnungszwecken. Die dazu genutzten Wandler sind auf eine hohe Genauigkeit getrimmt. Zweitens sind Wandler für den Schutz der Netze unverzichtbar. Solche Wandler sind so ausgelegt, dass sie Überspannungen oder Kurzschlussströme erfassen können – gegebenenfalls gibt dann die Auswertungselektronik das Signal zum Abschalten des betroffenen Netzteils. Messwandler sind daher in der Energieübertragung und -verteilung unverzichtbar und werden zu Hunderttausenden weltweit eingesetzt – sie befinden sich an den Enden einer jeden Leitung, von den Kraftwerken bis hin zu den Umspannwerken.

„Wir sind überzeugt, dass sich die Silicon-Verbundhohlisolatoren für die äußere Isolation der Wandler durchsetzen werden.“

Fritz Hunziker Inhaber der Pfiffner Messwandler AG

Messwandler für Hochspannungsanlagen werden stets kundenspezifisch gefertigt. „Unser Know-how besteht darin, die Wandler erstens für die vorgesehene Anwendung richtig zu dimensionieren und sie zweitens so herzustellen, dass sie etwa vier Jahrzehnte lang absolut zuverlässig und wartungsfrei ihren Dienst tun“, sagt Fritz Hunziker, Inhaber der Pfiffner Messwandler AG. „Wir sind überzeugt, dass sich die Silicon-Verbundhohlisolatoren für die äußere Isolation der Wandler durchsetzen werden. Schon heute fertigen wir die Hälfte unserer Apparate für Hochspannungsanwendungen mit Verbundhohlisolatoren – ihre Vorteile sind in der Praxis so groß, dass unsere Kunden trotz des teilweise höheren Anschaffungspreises zunehmend Wandler mit Verbundhohlisolatoren verlangen.“

Siliconelastomere

Siliconelastomere sind gummielastische Feststoffe, die auf Polyorganosiloxanen basieren. Sie werden aus Siliconkautschuken durch Vulkanisation hergestellt, wobei die Polymerketten der siliciumorganischen Makromoleküle untereinander chemisch vernetzen. Siliconelastomere nehmen kein Wasser auf und besitzen eine stark hydrophobe (wasserabweisende) Oberfläche. Sie sind schwer brennbar, dämpfen mechanische Schwingungen und wirken sehr gut elektrisch isolierend. Typisch ist ihre außerordentliche Beständigkeit gegen eine Vielzahl physikalischer und chemischer Einflüsse. So behalten sie zwischen etwa –45 und +180 Grad Celsius ihre chemischen, physikalischen und technischen Eigenschaften. Auch sind sie außergewöhnlich alterungsbeständig: Sie verkraften anhaltende thermische, mechanische und elektrische Belastungen sowie die fortwährende Einwirkung von Sauerstoff, Ozon und UV-Strahlung – auch ihre dielektrischen Eigenschaften ändern sich nicht. Wegen dieses Eigenschaftsspektrums eignen sich Siliconelastomere hervorragend als Isolierstoff für die Mittel- und Hochspannungstechnik. Besonders im Freiluft-Einsatz tragen sie zu einer hohen Betriebssicherheit der elektrischen Betriebsmittel bei.

Da die Stromnetze weltweit ausgebaut werden, steigt der Bedarf an Messwandlern und anderen elektrischen Betriebsmitteln. Damit wächst auch die Nachfrage nach Verbundhohlisolatoren. Das Niederdruck-Gießen hat sich als Herstellverfahren bewährt, die Maschinen sind erhältlich – und WACKER liefert mit POWERSIL® XLR® 630 das auf den Prozess und die Maschinen zugeschnittene Silicon. Derzeit arbeiten die Entwickler von WACKER daran, ihre niedrigviskosen Flüssigsilicone so weiterzuentwickeln, dass sie sich noch schneller verarbeiten lassen – damit die Fertigungskosten der Silicon-Verbundhohlisolatoren in Zukunft weiter sinken können.