Das Hartfeuerporzellan und die Hochspannungsisolatoren.Nach einem Vortrage des Verfassers in der Elektrotechn. Ges. Halle a. S., Mai 1922. Von Rob. M. Friese, Charlottenburg. FRIESE, Das Hartfeuerporzellan und die Hochspannungsisolatoren. Das Hartfeuerporzellan gehört zu den Erzeugnissen der Keramik und steht hier an erster Stelle. Es ist ein Kunstprodukt von respektablem Alter und seine Entstehung ist wohl einem Zufall zu verdanken. Ueber seine chemische Konstitution hat erst die neuere Zeit einige Aufklärung gebracht, aber trotzdem stehen noch viele Fragen unbeantwortet. Es ist dem Glase, das wahrscheinlich jüngeren Datums ist, insofern verwandt, als es ebenfalls ein Silikat ist, das aber nicht wie das Glas in den amorphen Endzustand übergeführt wird, sondern richtiger als ein unvollendetes Hochfeuerglas bezeichnet wird. Es zeigt nämlich in Dünnschliffen unter dem Mikroskop ein kristallines Gefüge, ausgefüllt mit einer glasartigen Schmelze. Die drei Hauptbestandteile des Porzellans sind die Tonerde (Al2O3), die Kieselsäure (SiO2) und als Flußmittel Carbonate oder Oxyde der Alkalimetalle (zumeist Na2O und K2O). In reinem Zustand kommen diese Stoffe in der Natur nicht vor, mit Ausnahme der Kieselsäure. Wir finden sie aber in großen Mengen im Mineralreich in Verbindung mit SiO2 und untereinander. Man spricht dann von Tonen (H2Al2Si2O3). Als reinster Porzellanton gilt das Kaolin (nach Kaoli Korea). Wir haben aber in Deutschland und Deutschböhmen ebenfalls hervorragende Tonlagerstätten. Die Kieselsäure finden wir rein und schön (hexagonal) kristallisiert im Bergkristall. Schwach violett gefärbt, gilt er als Halbedelstein und heißt Amethyst. In gewaltigen Lagern früherer und noch heutiger Meere tritt der Quarz als Seesand (Quarzsand) zu Tage. Als Flußmittel dienen uns in der Porzellanherstellung im Großen die Feldspate. Es sind natürliche Alkalisilikate mit Tonbeimischungen und je nach ihrem Alkalimetall spricht man von Natronfeldspaten Na2SiO3 + Al2(SiO3)3 = Albit, oder Kalifeldspaten K2SiO3 + Al2(SiO3)3 = Orthoklas. Um Porzellan herzustellen werden die erwähnten drei Grundstoffe aufs feinste gemahlen und geschlemmt und je nach dem beabsichtigten Zweck etwa im Verhältnis von 50 Teilen Tonsubstanz, 25 Teilen Quarz und 25 Teilen Feldspat in Knet- und Mischmaschinen mit entsprechendem Wassergehalt zu einer teigartigen plastischen und formbaren Masse verarbeitet. Aus dieser werden auf verschiedene Weise die Porzellangegenstände geformt und an der Luft getrocknet. In diesem Zustande ist das Porzellan noch ohne Festigkeit. Es muß erst den Brennprozeß durchlaufen. Es geschieht dies in aus feuerfesten Steinen gemauerten Rundöfen mit zumeist zwei Etagen und etwa 60 cbm Inhalt. Neuerdings baut man auch zur besseren Wärmeausnutzung Porzellanöfen mit kontinuirlichem Betrieb (Tunnel- und Karusselöfen). Die geformten Porzellanstücke werden, ehe sie in den Ofen kommen, in sog. Schamottekapseln eingesetzt. Schamotte besteht aus besonders magerem (flußmittelarmem) und feuerfestem vorgebranntem Ton. Die daraus hergestellten Kapseln sind porös gesintert und bleiben selbst bei der höchsten Brenntemperatur unverändert. Die Kapseln dienen zum mechanischen und Flammen-Schutz der darin eingesetzten Formstücke. Ist der Ofen gefüllt, dann wird er zugemauert und zumeist an 6 Feuerstellen seines Umfanges zugleich befeuert. Die Feuerführung bildet nicht nur einen physikalischen, sondern auch einen chemischen Vorgang. Die eigentliche Brenndauer beträgt etwa 50 Stunden. Während der ersten Hälfte dieser Zeit wird mit oxydierender Flamme gebrannt, wobei die Temperatur im Ofen auf etwa 1450° C. steigt. Dann wird ungefähr 9 Stunden die Temperatur auf dieser Höhe gehalten und mit reduzierender Flamme fertig oder gar gebrannt. Hierbei kommen die Feldspatteilchen der Porzellanmasse zuerst zum Erweichen und Fließen und lösen die Quarz- und Tonteilchen mehr oder weniger reichlich auf. Auch bildet sich dabei nicht nur ein einfacher Lösungsvorgang, sondern zwischen Al2O3 und SiO2 entsteht eine chemische Verbindung Sillimanit genannt. Der Sillimanitbildung muß eine gewisse Bedeutung zugesprochen werden, sie darf aber zur Beurteilung der Güte des Porzellans nicht übertrieben werden. Man kann das Porzellan in einem Brennprozess vom grünen Zustand in den Garzustand überführen wobei es in seinen linearen Abmessungen um etwa 18% schwindet. Man brennt aber besser in zwei Etappen, die erste bis 800° C. in der oberen Etage des Ofens und nennt dies „Verglühen“. Hierbei schwindet der „Scherben“ nur um etwa 7% und bleibt saugfähig, wenn auch schon klingend. In diesem Zustand in Glasurmasse getaucht, nimmt der Scherben das Wasser kapillar auf und die Glasurmasse bleibt als feines Pulver auf der Oberfläche des Porzellans haften. In der unteren Etage des Ofens nun gar gebrannt, kommt die Glasur zum Fließen, und verleiht dem fertigen Porzellan die bekannte glänzende, weiße Oberfläche. Die Dicke der Glasur beträgt einige Zehntel mm. Auf die Erhöbung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit ist sie ohne Einfluß, aber sie verhindert das leichte Verschmutzen der Porzellanoberfläche. Die Glasurmasse ist Porzellanmasse, die durch leichterflüssige, basische Silikate glasartiger gemacht wird. Sie muß so auf den Scherben abgestimmt werden, daß beide möglichst gleichen Temperaturausdehnungscoeffizienten besitzen. Dadurch wird die Entstehung von Glasurrissen bei Temperatursprüngen vermieden. Durch Zusätze von Metalloxyden bilden sich in der Glasurmasse beim Brande Metallsilikate, die der Glasur (nicht dem Scherben) verschiedene Farben erteilen z.B. Eisenoxyd (braun) Kobaltoxyd (blau), Chromoxyd (grün), Uranoxyd (schwarz). Elektrisch verhalten sich diese Glasurfarben neutral. Erhitzt man Porzellan auf etwa 3000° C., so wird es wie Glas flüssig und geht in eine amorphe, durchsichtige Schmelze über. Das gewöhnliche Hartfeuerporzellan ist nur deshalb weiß und durchscheinend im Scherben, weil es zufolge seines kristallinischen Gefüges im Magma das Licht optisch diffus bricht und reflektiert, ähnlich wie es die Eiskristalle im Schnee tun. Die Durchschlagsfestigkeit des Porzellans ist erheblich. Sie wird angegeben in kV/cm unter der Voraussetzung sinusförmigen Wechselstromes. Obschon der Effektivwert der Spannung genannt wird, erfolgt der Durchschlag beim Amplitudenwert. Die Durchschlagsspannung E in kVeff eines normalen Hochspannungsporzellans von der Scherbenstärke d in cm, beträgt E = 100 √d. Gutes Hartfeuerporzellan darf keine Hohlräume enthalten, die beim Brande im Scherben entstanden sind; in diesen herrscht ein Unterdruck von ~ 125 mm Hg. Solche Hohlräume führen zu ungünstiger elektrischer Feldverteilung und geben Anlaß zu Durchschlägen. Der Druck von ⅙ at berechnet sich aus dem Verhältnis der absoluten Temperaturen vor und beim Garbrand. Die heutigen Hochspannungsisolatoren sind entweder Stützisolatoren oder Hängeisolatoren. Die ersteren stecken auf Stützen und tragen die Leitungen in der Bundrille des Kopfes, die Letzteren hängen am Kopfe und tragen die Leitungen an Bolzen der Stützlöcher. Bei ersteren ist der Porzellankörper also auf Druck, bei letzteren auf Zug beansprucht. Die Stützisolatoren werden meist mehrmäntelig und in den größeren Typen auch mehrteilig hergestellt. Sie finden bis etwa 40000 V Anwendung, darüber hinaus sind heute die Hängeisolatoren gebräuchlicher. Diese werden bis zu 8 und 10 Stück zu sogen. Ketten aneinander gehängt. Man spricht dann von 8- und 10-gliedrigen Hängeketten. Die Porzellanteile solcher Isolatoren werden so dimensioniert, daß ihre Durch Schlagsspannung stets größer ist als ihre Ueberschlagsspannung im trockenen Zustand in der Luft. Der Nachweis hierfür iwt daher nur durch Prüfung unter Oel zu erbringen. Die praktischen Zahlen für die Durch Schlagsspannung sind bei einteiligen Isolatoren 130–150 kV bei zweiteiligen 150–200 kV. Die Einzelglieder der Hängeisolatoren haben dieselben Werte. Ein auf Spannung stehender Isolator zeigt einen Oberflächenstrom, einen Durchgangsstrom und einen Ladestrom. Der Oberflächenstrom hängt ab von der Reinheit der Glasuroberfläche und ist praktisch unabhängig von der Zusammensetzung der Porzellanmasse. Maßgebend ist, ob die Oberfläche feucht oder trocken ist, ob sie verrußt, verkalkt, voll Salzabscheidungen oder Insekten ist. Der Durchgangstrom ist bedingt durch die Zusammensetzung der Masse. Gutes Porzellan hat aber einen enorm hohen Durchgangswiderstand (bei 20° C. etwa 10 × 1010 Megohmcm), sodaß dieser Verluststrom praktisch gar keine Rolle spielt. Der Ladestrom ist bedingt durch die Kapazitätwirkung, die der Isolator als Porzellankondensator spielt. Die Dielektrizitätskonstante des Hartporzellans beträgt etwa 5 bis 5,5. Die Kapazität eines Stützisolators zwischen Kappe und Stütze beträgt etwa 25 bis 35 . 10– 6 μF, eines Hängeisolators pro Glied etwa 35 bis 55 . 10– 6 μF in trockenem Zustand. Während der Oberflächenstrom und der Durchgangstrom mit der Spannung phasengleich sind, eilt der Ladestrom dieser in der Phase um 90° vor. Ein Isolator für 40000 Volt zeigt deshalb trocken einen scheinbaren Verbrauch von etwa 14 Voltampere bei einem wirklichen Leistungsverlust von 1,6 Watt. Die Frage, ob Porzellan mit der Zeit altert und dadurch minderwertig wird, kann verneint werden. Die vor einigen Jahren in größerem Umfange vorgekommenen Isolatorenbrüche erwiesen sich als Folgen ungeeigneter Kittung. Das Porzellan ist, wie das Glas, ein durchaus elastischer Körper (Modul = 600000 kg/cm2). Leider hat es aber nur eine außerordentlich geringe Arbeitsaufnahme und Abgabefähigkeit d.h. es ist spröde. Unter Druck (bei etwa 3000 kg/cm2) und noch leichter unter Zug (bei etwa 200 kg/cm2) platzt es unvermittelt ohne vorherige erkennbare Dehnung. Es muß daher sorgfältig darauf geachtet werden, daß bei der Vereinigung von Porzellanteilen durch Kittung weder treibende Kitte verwendet werden noch solche, die bezüglich des Wärmeausdehnungskoeffizienten von wesentlich anderer Gesetzmäßigkeit sind als das Porzellan. Das erstere wird erreicht durch die Auswahl eines besonders reinen Portlandzementes, der frei von Magnesiten sein muß, und von sulfathaltigem Wasser. Auch haben sich Oel- und Fettlacke als schädlich für die Haltbarkeit abbindender Zemente erwiesen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient a des Porzellans beträgt etwa 4,5 . 10– 6, des Eisens 12 . 10– 6, des reinen Zementes 12,5 . 10– 6. Durch Zusatz von sogen. Magerungsmitteln z.B. geglühtem Quarzsand mit α = 0,8 . 10– 6 zum Zement, kann dessen a auf das des Porzellans abgestimmt werden, wodurch auch dieses Gefahrenmoment verschwindet. Die heutigen Isolatorkittungen sind einwandfrei bei richtiger Ausführung. Man erzielt damit für gekittete Armaturen Zugfestigkeiten von 3000 bis 4000 kg. Die praktische Beanspruchung durch Leitung, Winddruck, Schnee oder Rauhreif bewegt sich nur in den Grenzen von 5 bis 700 kg, somit hat man bei einwandfreien Kittungen praktisch 5 bis 8 fache Sicherheit gegen Zug. Den höchsten Ueberschlagwert zeigt ein Isolator in trockenem Zustande. Mit einsetzendem Regen beginnt er zu sinken und zwar abhängig von der Stärke, Richtung und Leitfähigkeit des Regens. Die Stärke wird wie in der Meteorologie gemessen in mm Regenhöhe in der Minute, dabei entspricht 0,2 mm unserem „Landregen“, 2 mm dem „Platzregen“, 4 mm den „Wolkenbrüchen“. Die bis jetzt beobachtete höchste „Regenhöhe“ kam mit 10 mm in den Tropen vor. Die Regenrichtung bestimmt der herrschende Wind. Es sind einfallende Regen bis zu 65° gegen die Vertikale beobachtet. Einen sehr großen Einfluß auf die Ueberschlagsspannung hat die Leitfähigkeit des zur Regenprüfung verwendeten Wassers. Frisch fallender Regen in Industriegegenden nimmt eine durchschnittliche Leitfähigkeit von 150 Mikrosiemens . cm– 1 an (käufliches destilliertes Wasser hat 4 bis 8 μS . cm– 1). Städtische (Leitungs-) Wasser sind sehr verschieden, die Werte schwanken je nach der Gegend zwischen 100 und 1000 μS . cm– 1. Regenprüfungen von Isolatoren ohne Angabe der Leitfähigkeit des Wassers sind wertlos und mit Angabe nur dann brauchbar, wenn die zur Prüfung angenommenen Werte auch den wirklich vorkommenden Werten entsprechen. Bei Temperaturen unter 0° C also durch Eis und Schnee, d.h. solange das Wasser in diesem Aggregatzustande bleibt, wird die Ueberschlagspannung des Isolators kaum beeinflußt. Erst wenn Tauwetter eintritt und große Lasten nassen, sulzigen Schnees durch den Föhn in Isolator, Leitung und Gestänge hineingeworfen werden, spürt das Kraftwerk, was es zu tun kriegt. In solchen Stunden wird der Betriebsleiter keine toten Leitungen auf Spannung legen. Andererseits befreit sich ein Isolator durch seine glatte Oberfläche und die entstehende Stromwärme sehr bald durch Abrutschen von seinen Schneehauben und ist kurz darauf wieder vollkommen trocken. Jedes Glied eines Kettenisolators stellt einen Kondensator dar, der eine Eigenkapazität besitzt und auch mit seinen Teilen eine Kapazität gegen die anderen Glieder der Kette sowie gegen die Leitungen und Gestängeteile, somit auch gegen die Erde. Es gehört eine gewisse Erfahrung und Schulung dazu, diese unsichtbaren Kondensatoren und ihre Kapazitätswerte zu sehen oder zu empfinden. Bezieht man sie in ihrer Einzel- und Gesamtwirkung in den Kreis einer näheren Betrachtung ein, so findet man entweder auf experimentellem, oder auch auf rein mathematischem Wege, daß die Betriebspannung sich längs einer solchen Isolatorkette in anderen Abstufungen auf ihre Teile verteilt, als man zunächst ohne Kenntnis dieser unsichtbaren Kapazitäten anzunehmen geneigt ist. Als wichtigstes Ergebnis tritt zu Tage, daß trotz gleicher Abmessung der Kettenglieder untereinander die gesamte Spannung einer Kette sich nicht in gleichen Teilen auf die Glieder verteilt, sondern daß die der Leitung zunächst gelegenen Glieder einen immer größeren Teil der Spannung zu tragen haben. Für praktisch vorkommende Verhältnisse findet man nachstehende mittleren Beobachtungswerte: Bezeichnet E die gesamte Spannung einer Kette (zwischen Leitung und Gestänge) = 100 gesetzt, En die Spg. am Klöppel des n-ten Gliedes gegen Erde (Gestänge), en die Spg. zwischen Kappe u. Klöppel des n-ten Gliedes, n die Ordnungzahl des Gliedes, gezählt vom Befestigungspunkt am Mäste an, so ist bei n   = 1 2 3 4 5 6 7 8 En = 7,5 13,5 20 28 38,5 52,5 71,5 100% en = 7,5 6 6,5 8 10,5 14 19 28,5 „ Aendert man in einem so eingestellten System eine Größe, so ändern sich auch die übrigen. Man gewinnt dadurch Mittel, durch Aenderung z.B. der einzelnen Teilkapazitäten die en-Werte in gleichen Sprüngen wachsen zu lassen. So angenehm und zweckmäßig es ist, eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung in einem Hängesystem zu haben, so darf man den natürlichen Abweichungen hiervon keine allzu übertriebene Bedeutung beimessen, umsomehr, als es sich bei derartigen Spannungsausgleichen zunächst nur um den Ausgleich partieller Ladeströme handelt, womit noch nicht gesagt ist, daß Zentralenkurzschlüsse die Folge sein müßten. Ueberhaupt ist ein derartig statisch geladenes Hängesystem ein zartes Gebilde von nicht nennenswertem Energieinhalte. Schon durch geringfügige Eingriffe bricht es in seiner ganzen interessanten Abstufung in sich zusammen. Schon bei einem Regengusse z.B. verschwindet die Spannungsverteilung, die im trockenen Zustand an einem solchen Hängesystem beobachtbar sit. Eine Isolatorenkette soll so konstruiert sein, daß die Regenüberschlagspannung möglichst außen um die ganze Kette herum erfolgt und nicht von Glied zu Glied. Das Porzellan soll möglichst wenig den Haftpunkt von Lichtbögen bilden. Tellerdurchmesser von etwa 28 cm und Baulängen eines Gliedes von etwa 17 cm haben sich als zweckmäßig erwiesen. Die Parallelschaltung von Entladungshörnern zwischen Leitungsdraht und Befestigungspunkt der Hängekette ist zu empfehlen. Mit zunehmender Gliedzahl wächst zwar absolut die Ueberschlagspannung von Hängeketten, aber relativ (pro Glied) nimmt sie ab, sowohl trocken wie bei Regen. Nachstehende Versuchzahlen an Kappenisolatorenketten (28 × 17 cm) lassen dies erkennen. E trockenE Regen 9050 16090 225130 280175 330215 370250 405280 435310 465340 495365 Kilovolt Gliedzahl 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10