Voll durchgeschlagen

Allgegenwärtig und dennoch meist unsichtbar sind Isolationsklebebänder. Sie trennen in Transformatoren die Primär- von der Sekundärwicklung und vermeiden so, dass Menschen direkt mit der tödlichen Netzspannung in Berührung kommen können.CMC

Für die Prüfung des Durchschlagens durch den Isolationswerkstoff hindurch dient meistens ein Spannungsanstieg von 500 V/s. Die Durchschlagsspannung wird dann normiert auf die Dicke etwa als kV/mm angegeben. Doch dieser Wert verringert sich im Laufe der Einsatzzeit immer mehr. Eine Vielzahl von Faktoren ist daran beteiligt, die Isolationsfähigkeit eines Werkstoffes negativ zu beeinflussen. Es gilt also, die Summe aller Belastungen im konkreten Fall in ihrer Auswirkung abzuschätzen. CMC Klebetechnik bietet dabei umfangreiches Know-how.

Eine wichtige Belastungsart ist die Temperatur. Ganz allgemein gilt: Je höher die Temperatur, desto stärker werden etwa korrosive und oxidative Einflüsse der Umgebungsluft wirksam. Oder noch allgemeiner gesagt erhöht sich mit steigender Temperatur die Geschwindigkeit der Alterung, wobei die meisten Prozesse der so genannten Arrhenius-Kurve gehorchen. Die Daumenregel aus der Elektronik nimmt eine Halbierung der Lebensdauer je 10 K Temperaturerhöhung an.

Isolationsmaterialien werden über Normen wie die IEC 60085 in Wärmeklassen (z.B. B = 130 °C, F = 155 °C, H = 180 °C) eingeteilt. Diese Klassen geben an, bei welcher Dauergebrauchstemperatur die Isolationsmaterialen nach 20.000 Stunden noch 50% der Durchschlagspannung haben, die sie im Neuzustand hatten. Etwas anders formuliert bedeutet dies, dass ein Material nach zweieinhalb Jahren Einsatz bei maximaler erlaubter Temperatur die Hälfte seiner Schutzfunktion gegen einen elektrischen Schlag eingebüßt hat. Um also bei einer gegebenen Arbeitstemperatur eine höhere Lebensdauer erzielen, ist ein Isolationsmaterial einer höheren Wärmeklasse einzusetzen. Bezüglich der maximal auftretenden Wärme spielen auch Wärmestaus innerhalb von Wicklungen, höchste mögliche Umgebungstemperatur sowie gegebenenfalls gelegentlich auftretende Fehlfunktionen eine Rolle.

Belastungsart Spannung

Bereits ab 400 V entsteht Corona-Entladung. Dabei werden durch die entstehende Feldstärke freie Ladungsträger soweit beschleunigt, dass sie weitere Ladungsträger aus ihrer stabilen Position schleudern. Es entwickelt sich eine Ladungsträgerlawine, die dann in eine Teilentladung (Corona; Gleitentladung) mündet. In großen Anlagen (Motoren, Generatoren, Verteiltransformatoren) kann man halbleitende Materialien einsetzen, um diese Gleit- und Glimmentladung so weit wie möglich zu vermeiden. Auch lässt sich das elektrische Feld formen, damit keine Feldlinienspitzen entstehen können.

Umso näher man der Einsetzspannung von Teilentladungen kommt, desto stärker ist der Einfluss von Überspannungsspitzen (zum Beispiel Schaltvorgänge im Netz). Diese kurzen, energiereichen Impulse können sogar eine direkte Teilentladung triggern, die erst nach Unterschreitung der TE-Verlöschungsspannung wieder verschwindet. Geschieht das öfter oder sogar regelmäßig, wird der Isolierstoff durch die entstehende UV-Strahlung und die reaktiven Abbauprodukte sowie durch Ozon fortwährend mehr geschädigt.

Ein ausreichender Abstand zur TE-Verlöschungsspannung ist also immer ratsam. Diese erreicht man – neben konstruktiven Maßnahmen – durch Verwendung ausreichend spannungsfester, sprich „dicker“ Isolationen. Das widerspricht allerdings den Anforderungen nach möglichst wenig Isolationsmaterial innerhalb von Transformatoren und Generatoren. Denn nur die Eisen- und Kupferanteile in einem Transformator sind elektrisch wirksam. Kann man die Gefahr von Teilentladungen nicht ausschließen, verwendet man Materialien, die besonders TE-beständig sind. Dazu gehören alle anorganischen Isolationsstoffe wie Glas, Keramik oder der Naturstoff Glimmer (Mica). Sie werden von Coronaentladungen nicht geschädigt, weswegen beispielsweise Nomex mit Micamehl gefüllt wird, um eine erhöhte Coronabeständigkeit in Hochspannungsmaschinen (Generatoren, Motoren) zu erreichen. Bei kleineren Baugrößen empfiehlt sich der Einsatz von Kapton CR oder Fluorpolymeren wie  FEP. Bei Kapton CR wird die TE-Beständigkeit durch die Zugabe von anorganischen Werkstoffen in die Polymermasse drastisch erhöht. Fluorpolymere bestechen durch ihre geringe Reaktivität, haben jedoch andere Nachteile (Dehnbarkeit, Kaltfluss). Wie bei den Betrachtungen zu dem Einfluss der Temperatur gilt auch hier, dass der Einsatz einer höherwertigen Folie (also zum Beispiel statt Klasse B eine Klasse-F-Folie, Kapton CR statt Kapton HN oder 50 µm statt 25 µm Folienstärke) den Zeitpunkt der Zerstörung verschiebt. Die Spannungsfestigkeit bleibt im Dauerbetrieb länger oberhalb der Spannung, bei der Teilentladungen einsetzen.

In der IEC 60343 (Recommended test methods for determining the relative resistance of insulating materials to breakdown by surface discharges; ähnlich aber nicht gleich ASTM 2275) wird die Testanordnung so gewählt, dass ein Ausfall der Proben zwischen 100 und 1000 Stunden liegt. Aus den Ergebnissen kann man dann die Zeit bis zum Ausfall bei geringerer Spannungsbelastung interpolieren. Eine weitere interessante Norm zu dem Thema ist die DIN IEC/TS 61934 (Elektrische Messung von Teilentladungen (TE) bei sich wiederholenden Spannungsimpulsen mit kurzer Anstiegszeit). Die Vermeidung von Teilentladungen im Isolationspaket bleibt jedoch trotz verbesserter Isolationsmaterialien oberstes Gebot bei der Auslegung von elektrischen Betriebsmitteln. Das bei solchen Coronaentladungen entstehende UV-Licht, die aggressiven Abbauprodukte sowie das reaktive Ozon beeinträchtigen ganz allgemein die umgebenden Materialen und nicht nur die direkt betroffene Folie.

Frequenz als Einflussgröße

In sehr vielen „elektrischen“ Basisnormen wird normalerweise mit sinusförmiger Spannung bei 50 Hz gemessen. Moderne Schaltnetzteile arbeiten jedoch mit bedeutend höheren Frequenzen. Dadurch steigt der Stress für das Isolationsmaterial. Unpolare Werkstoffe wie Keramiken oder Glas sind davon wenig betroffen. Die organischen Isolationsfolien wie PE, PP, PET, PA oder etwa PI sind jedoch mehr oder weniger polar. Die komplexen Polymerketten bilden Dipole, die sich nach dem äußeren elektrischen Feld auszurichten versuchen. Es entsteht ein mechanischer Stress und materialintern „Reibungswärme“. Die Folge ist eine verringerte Spannungsfestigkeit.

Bei dem Hochfrequenzschweißen macht man sich diese Umpolungsverluste im Material sogar zunutze, um den Kunststoff aufzuschmelzen: Grob kann man sagen: je höher das angelegte elektrische Feld und die Frequenz, desto mehr Wärmeenergie wird in das Material eingetragen. Was beim Schweißen erwünscht ist, ist für eine Isolationsfolie im Dauereinsatz schädlich. Denn diese innere Erwärmung bleibt häufig unbeachtet bei Alterungsbetrachtungen und wird über übliche Norm-Messungen (zum Beispiel UL 746) nicht abgebildet.

Bild 1: Ausbildung eines leitfähigen Pfades auf oder in Isolationsmaterialien.CMC

Frequenzumrichter und Schaltnetzteile belasten heute Isolationen mehr als früher, denn Motoransteuerungen oder etwa Computernetzteile verwenden pulsbreitengesteuerte Spannungen im Bereich von 20 kHz und mehr. Die dabei entstehenden Oberwellen haben Frequenzen bis weit über 15 MHz und es entstehen Spitzenspannungen weit oberhalb der Betriebsspannung. Die hohen Schaltgeschwindigkeiten belasten die verwendeten Isolationsmaterialien erheblich. Zusätzlich können Wellenreflektion, Stehwellen und Rückwirkungen aus dem gespeisten Gerät weiteren Stress für die Isolation bewirken. Die Angabe der Durchschlagspannung für Elektroisolierstoffe erfolgt in vielen Datenblättern bezogen auf eine Arbeitsfrequenz von 50/60 Hz sinusförmigen Stroms. Wie oben dargestellt, reagieren viele der Standardisolationsfolien bei höheren Frequenzen mit einer verringerten Durchschlagspannung. Neben der Alterung durch Temperatur und die Schwächung des Materials durch Teilentladungen bestimmt also auch die Frequenz maßgeblich die Überlegungen zur Auslegung eines elektrischen Gerätes.

Verschmutzung und Umweltfaktoren

Werden Oberflächen von Isolierstoffen durch Feuchtigkeit und Staub verunreinigt, entstehen bei einsetzenden Gleitentladungen langsam aber sicher Leitpfade (Bild 1). Diese bestehen aus karbonisierten Überresten der Verschmutzung und dem zerstörten Isolationsstoff. Diese Leitpfade breiten sich meist in Verästelungen (treeing) immer weiter aus und können am Ende zum Versagen der Isolation führen.

Bild 2: Verlängerung von Luft- und Kriechstrecken zur Vermeidung von alterungsbedingten Durchschlägen.CMC

Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die mögliche Wasseraufnahme des Isolierstoffes, denn dadurch wird die Zerstörung auch innerhalb des Werkstoffes beschleunigt. Bestimmte Produkte, die mittels Polykondensation (zum Beispiel Polyesterfolien) hergestellt werden, können bei Anwesenheit von Feuchtigkeit und Temperaturen ab 80 °C sogar relativ schnell durch Hydrolyse geschädigt werden. Um angeben zu können, wie leicht ein Werkstoff dazu neigt, auf der Oberfläche leitfähige Pfade auszubilden, verwendet man den so genannten CTI-Wert (Comparative Tracking Index). Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die elektrische Sicherheit auch nach Tausenden von Betriebsstunden sicherzustellen. Die Verlängerung von Luft- und Kriechstrecken (Bild 2) trägt wesentlich dazu bei, dass bei gealtertem Isolationsmaterialien wegen der verringerten Spannungsfestigkeit etwas passiert. Daneben kann man zum Beispiel die Konstruktion fehlertoleranter gestalten. Relativ einfach und dennoch hochwirksam ist oft der Einsatz eines Isolationsstoffes der nächsthöheren Isolationsklasse. Die Zeit bis zum Versagen lässt sich so mindestens verdoppeln.

electronica 2014: Halle A6, Stand 128

(mrc)