Neue Feldstudie zeigt: Der Aluminagehalt und die Mikrostruktur – nicht nur das Alter – entscheiden darüber, wie lange Porzellanisolatoren tatsächlich halten

ITG Eine auf dem INMR-Weltkongress 2025 vorgestellte Forschungsarbeit wendet das Cigré-TB-306-Rahmenwerk auf Langstangenisolatoren an – und kommt zu dem Ergebnis, dass die branchenweit routinemäßig durchgeführte Thermocycling-Prüfung zwar subkritische Alterungserscheinungen aufdecken kann, diese jedoch nur bei Laborstangen mit ausreichend großen eingebauten Fehlern sichtbar werden.

PANAMA-STADT, Panama — Die Insulation Technology Group (ITG) hat auf dem INMR-Weltkongress 2025 neue Labor- und Feldforschungsergebnisse vorgestellt, in denen untersucht wurde, wie Porzellan-Langstabisolatoren an Freileitungen altern – und warum einige vor Jahrzehnten hergestellte Exemplare immer noch wie neu funktionieren. Die Studie, verfasst von Markku Ruokanen, Leiter der Abteilung für Forschung, Entwicklung und Qualität bei ITG, und Marek Vrabec, ITG-Forschungs- und Entwicklungsingenieur, Ingenieur bei ITG, wurde im Rahmen der Cigré-Technischen Broschüre 306 (TB 306) durchgeführt, dem branchenweiten Standardrahmen für die Bewertung des Alterungsrisikos bei Keramik- und Glasisolatoren.

Netzbetreiber weltweit sehen sich mit einem stillen, aber kostspieligen Risiko konfrontiert: der Alterung von Isolatoren. Im Gegensatz zu Stürmen oder Cyberangriffen sorgt die Alterung selten für Schlagzeilen, folgt jedoch derselben „Badewannenkurve“, die Zuverlässigkeitsingenieuren bekannt ist – die Ausfallzahlen bleiben jahrelang niedrig, steigen dann aber steil an, sobald das Ende der Lebensdauer näher rückt. Ein zu früher Austausch der Leitungen verschwendet Geld; ein zu später Austausch birgt das Risiko von Stromausfällen. Die Forschung von ITG hatte zum Ziel, die Instrumente zu verfeinern, mit denen Betreiber beurteilen können, wann welcher Fall vorliegt.

TB 306 bewertet die Alterung, indem eine Charge von im Feld gesammelten Isolatoren im Lieferzustand einer Zugprüfung unterzogen wird, anschließend eine zweite Charge vor dem Bruch einem beschleunigten Alterungstest zur thermomechanischen Leistung (TMP) unterzogen wird und beide Ergebnisse in einem Ausfallwahrscheinlichkeitsdiagramm dargestellt werden. Im Beispiel für Szenario F3 der TB 306 verschiebt die künstliche Alterung die Ausfalllast so weit nach links, dass sie die spezifische Ausfalllast bei einer Wahrscheinlichkeit von etwa 35 % überschreitet – was bedeutet, dass eine fortgeschrittene Alterung sogar bei Isolatoren vorliegen kann, die im Originalzustand gute Testergebnisse erzielt haben.

Der Haken: Ein vollständiger TMP-Test dauert 96 Stunden und bietet in der Regel nur Platz für ein oder zwei Isolatoren auf einmal. Angesichts von Tausenden von Kilometern zu prüfender Leitungen greifen viele Übertragungsnetzbetreiber daher auf einen wesentlich schnelleren routinemäßigen Temperaturwechsel-Test zurück – einen 70K-Temperaturschock, der etwa 3 Stunden dauert und mit dem 60 lange Stäbe pro Woche geprüft werden können, im Gegensatz zu einem TMP-Test. Was bisher niemand bestätigt hatte, ist, ob dieser schnellere Test das gleiche subkritische Risswachstum hervorruft wie der langsamere.

Um dies herauszufinden, hat das ITG-Team gezielt „kalibrierte Defekte“ in Laborprüfstangen eingebaut — eine klassische Technik der Ursachenanalyse —, indem es 1 % 64-Mikrometer-Quarzsand in zwei Porzellanrezepturen einmischte: Masse A (eine C-130-Rezeptur mit hohem Aluminiumoxidgehalt, isostatisch gepresst) und Masse B (eine C-120-Rezeptur, plastisch verarbeitet). Die Stäbe blieben unglasiert, da Glasur die Festigkeit um bis zu 30 % erhöhen und genau jene Risse verschleiern kann, die mit dieser Studie nachgewiesen werden sollten.

Die gebrannten Stäbe wurden anschließend dem Thermoschocktest gemäß IEC 60672 unterzogen – dabei wurden sie auf 120 °C erhitzt und schnell in 20 °C warmem Wasser abgeschreckt –, und zwar 3, 10 und 30 Mal (die Norm schreibt nur 3 Zyklen vor; ITG fügte die zusätzlichen Durchgänge hinzu, um zu prüfen, ob mehr Schocks auch mehr Schäden zur Folge hätten). Anschließend wurden die Chargen auf einer 3-Punkt-Biegemaschine gebrochen und die Bruchflächen an der Universität von Aveiro, Portugal, unter dem Elektronenmikroskop untersucht.

Die Zugabe von Quarz schwächte die Keramik deutlich — wiederholte Temperaturschocks führten jedoch nicht zu einer weiteren Schwächung. Die Festigkeit von Körper A sank durch die Zugabe von Quarz um 14 %; bei Körper B betrug der Rückgang mit 4 % einen geringeren Wert. Bei beiden Körpern blieben die Bruchwerte über 3, 10 und 30 Temperaturschockzyklen hinweg im Wesentlichen unverändert.

Chemische und mineralogische Analysen erklärten den Unterschied zwischen den beiden Rezepturen. Die Masse A enthielt etwa 8 % mehr Aluminiumoxid als die Masse B, wies ein ausgewogeneres Verhältnis von Korund zu Mullit sowie eine deutlich geringere Mikroporosität auf – und war insgesamt um 35 % stärker.

Die Rasterelektronenmikroskopie und die energiedispersive Spektrometrie (EDS) bestätigten die Erkenntnisse, die sich aus den Festigkeitswerten ableiten ließen. Das Aluminiumoxid in Körper A war gleichmäßig im gesamten Körper verteilt; in Körper B neigte es dazu, sich zu agglomerierten Klumpen zusammenzulagern – ein Nebenprodukt des klassischen Kunststoffherstellungsverfahrens von Körper B im Gegensatz zum isostatischen Pressen bei Körper A. Obwohl in Körper B bereits frühzeitig Risse um Quarzpartikel herum beobachtet wurden, konnte das Team nicht bestätigen, dass wiederholte Thermoschocks diese Risse weiter vergrößert hätten.

Die Erklärung für ihre Funktionsweise: Mit einem Durchmesser von nur 10 mm sind die Laborstäbe zu klein, um den Temperaturgradienten – und die daraus resultierende Spannung – aufzubauen, die ein subkritisches Risswachstum antreiben würden. Bei Isolatoren in Originalgröße sieht die Sache anders aus: Ihre Hüllen kühlen viel schneller ab als ihr thermisch massiver Kern, wodurch sich die Spannung genau dort konzentriert, wo routinemäßig getestete Isolatoren bekanntermaßen brechen, nämlich an der Verbindungsstelle zwischen Hülle und Kern.

Feld Die Beweise deuten alle in dieselbe Richtung

Die Laborergebnisse wurden durch zwei Feldstudien untermauert. Eine gemeinsame Untersuchung von ITG und 50Hertz an langen Stäben, die vor 33 Jahren hergestellt wurden, ergab keine messbare Alterung; dort, wo ein Materialfehler vorlag, verursachten drei routinemäßige Thermoschocks nur einen geringen, statistisch nicht signifikanten Festigkeitsverlust. Unabhängig davon ergab eine nicht veröffentlichte Untersuchung alter Isolatoren gemäß TB 306, dass lange Porzellanstäbe, die Anfang der 1990er Jahre hergestellt wurden – mit hohem Aluminiumoxidgehalt und einem überwiegenden Anteil an Korund gegenüber Mullit –, einem subkritischen Risswachstum fast immer widerstanden.

Diese Erkenntnis steht im Widerspruch zu den Lebensdauerkurven, die Freese und Pohlman bereits 1999 vorgeschlagen hatten und die für einen typischen Langstab eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren prognostizierten. Die neue Analyse lässt vermuten, dass Isolierstangen mit hohem Aluminiumoxidgehalt und einem optimierten Korund-Mullit-Verhältnis auch nach 35 Jahren Betriebszeit noch wie neue Isolierstangen funktionieren können, wobei die zugrunde liegenden Felddaten auf mögliche Lebensdauern von 50 Jahren oder mehr für die leistungsstärksten Rezepturen hindeuten.

Die Schlussfolgerungen von ITG enthalten eine praktische Botschaft für die Branche: Die Materialchemie und die Mikrostruktur – Aluminiumoxidgehalt, Korngröße, Porosität und das Verhältnis von Korund zu Mullit – bestimmen die Beständigkeit eines Isolators gegenüber subkritischem Risswachstum ebenso stark oder sogar stärker als die Alterung allein. Dennoch definiert die Norm IEC 60672-3:1997 derzeit die Porzellanarten C-120 und C-130 nur allgemein, ohne den Aluminiumoxidgehalt oder die Mikrostruktur zu spezifizieren.

ITG fordert, dass diese Norm überarbeitet wird, und empfiehlt, dass jede Bewertung einer Isolatorpopulation gemäß TB 306 mit einer Ausfall- und mineralogischen Analyse einhergeht – insbesondere angesichts der Tatsache, wie stark sich die Fertigungsverfahren und die Leistung der Isolatoren seit den 1990er Jahren verändert haben.

Die Insulation Technology Group (ITG) ist die Muttergesellschaft von PPC Insulators, LAPP Insulators und Cerisol, Herstellern von Porzellan-, Glas- und Verbundisolatoren für die weltweite Energieversorgungsbranche. Die Forschungs-, Entwicklungs- und Qualitätsabteilung der ITG führt laufende Material- und Feldalterungsuntersuchungen durch, um Übertragungsnetzbetreiber weltweit beim Management des Lebenszyklus ihrer Isolatoranlagen zu unterstützen.

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Diese Veröffentlichung basiert auf dem Beitrag „Field Ageing Behaviour of Long Rods Analysed According to Cigré TB 306“ von Markku Ruokanen und Marek Vrabec (ITG), der auf dem INMR-Weltkongress 2025 in Panama-Stadt, Panama, vorgestellt wurde. Der vollständige Fachbeitrag, einschließlich aller Abbildungen, Mikroskopaufnahmen und des vollständigen Literaturverzeichnisses, ist auf Anfrage erhältlich.