Die Altersbeständigkeit von Komponenten liegt im Detail – Teil 1

Versagensgründe für Isolationen

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Die Durchschlagspannung in Datenblättern gibt dem Ingenieur an, bei welcher Spannung ein Isolationsmaterial versagt. Stillschweigend wird dabei die Kenntnis vorausgesetzt, dass diese Angabe nur im „Neuzustand“ Gültigkeit besitzt. Was dazu führt, dass die Angabe nach Tausenden von Betriebsstunden nicht mehr stimmt, soll im Folgenden einmal beleuchtet werden. Denn nicht nur die Betriebstemperatur, der eine Isolation ausgesetzt ist, reduziert die Lebensdauererwartung. Auch etliche weitere Faktoren beeinflussen den Verlust an Spannungs- und mechanischer Festigkeit. Darum reicht es je nach Anwendung auch nicht, den einzelnen Einflussfaktor zu betrachten. Man muss vielmehr die Summe aller Belastungen im konkreten Fall zusammengefasst in ihren Auswirkungen berücksichtigen.

Gerald Friederici, CMC Klebetechnik GmbH, Frankenthal

Für die Prüfung dieses Durchschlagens durch den Isolationswerkstoff hindurch wird meistens ein Spannungsanstieg von 500V/Sek verwendet. Die Durchschlagsspannung wird dann normiert auf die Dicke als z.B. kV/mm angegeben. Typische Werte sind für PET, PEN oder Kapton Polyimid ca. 300kV/mm (25µm) oder für THV 20kV/mm (100µm). Im Folgenden soll mit dem Schwerpunkt auf Isolationsfolien versucht werden, anhand der am häufigsten vorkommenden Belastungsarten einen Eindruck zu gewinnen, worauf man achten sollte:
Temperatur
Ganz allgemein kann festgestellt werden: umso höher die Temperatur, desto stärker werden u.a. 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 sogenannten Arrhenius-Kurve gehorchen. Als Faustregel aus der Elektronik rechnet man vereinfacht mit einer Halbierung der Lebensdauer je 10°C Temperaturerhöhung.
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 nur zweieinhalb Jahren Einsatz bei maximaler erlaubter Temperatur die Hälfte seiner Schutzfunktion gegen einen elektrischen Schlag eingebüßt hat. Will man also bei einer gegebenen Arbeitstemperatur eine höhere Lebensdauer erzielen, setzt man ein Isolationsmaterial einer höheren Wärmeklasse ein. Das übliche End-of-life-Kriterium der „halbierten Durchschlagsspannung“ wird auf diese Weise viel später erreicht.
Bezüglich der maximal auftretenden Wärme sollte man u.a. auch Wärmestaus innerhalb von Wicklungen, höchste mögliche Umgebungstemperatur sowie ggf. gelegentlich auftretende Fehlfunktionen mit in die Betrachtung aufnehmen. Andere Werkstoffe wie Formmassen, Lacke und Tränkmittel, die als Isolation eingesetzt werden, können durch Wärme verspröden, schrumpfen oder Spannungsrisse bekommen. Auch Bewitterung lässt zusammen mit Wärme diese Werkstoffe früher versagen.
Spannung (Stress, Teilentladung)
Bereits ab 400V entsteht Corona-Entladung. Dabei werden durch die entstehende Feldstärke freie Elektronen soweit beschleunigt, dass sie weitere Ladungsträger aus ihrer stabilen Position schleudern. Es entwickelt sich eine Ladungsträgerlawine, die dann in eine Teilentladung (Corona- bzw. Gleitentladung) mündet.
In Gerätestromkreisen moderner Geräte wie Netzgeräten, Filterkomponenten und Powermodul-Antrieben kommt es vermehrt zu sich wiederholenden, energiereichen Impulsen (Schaltimpulse). Sie haben kurze Anstiegszeiten und Scheitelspannungen deutlich über dem Nennwert der Versorgungsspannung. Diese Impulse lassen Isolationssysteme auf andere Weise altern wie unter herkömmlicher, netzfrequenter Wechselspannung:
  • Teilentladungen zerstören die Isolation durch aggressive Abbauprodukte, UV-Strahlung und Ozon
  • Elektromechanische Ermüdung auf Grund der Stromimpulse
  • Dielektrische Erwärmung wegen der hochfrequenten Anteile der Spannungsimpulse
Selbst wenn die Nennspannung unterhalb der TE-Einsetzspannung liegt, können solche überlagerten Impulse Teilentladungen zünden. Dabei beeinflussen die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Impulsform, -polarität und –wiederholungsrate wesentlich die Degrationsgeschwindigkeit der Werkstoffe. 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. Außerdem wird sich die Situation der kapazitiven und induktiven Kopplung deutlich ändern. 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 Corona Entladungen nicht geschädigt. Eine erhöhte Corona Beständigkeit bei Flächenisolierstoffen, wie z.B. NOMEX-Aramidpapier T 418, wird durch die Einbringung von Feinglimmerplättchen erreicht. In herstellerspezifischen Lösungen kann dadurch die Corona-Beständigkeit von Hochspannungsmaschinen (Generatoren, Motoren) verbessert werden. Dies gilt natürlich auch für den Isolationsaufbau von Motoren, die an Frequenzumrichtern (Invertern) betrieben werden.
In großen Anlagen (Motoren, Generatoren, Verteiltransformatoren) kann man halbleitende Materialien einsetzen, um diese Gleit- und Glimmentladung so weit wie möglich zu vermeiden. Auch kann auf diese Weise das elektrische Feld soweit geformt werden, dass keine Feldlinienkonzentrationen entstehen können. Bei kleineren Baugrößen empfiehlt sich der Einsatz von Kapton CR oder Fluorpolymere wie z.B. 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 z.B. statt Class B eine Class F Folie, Kapton CR statt Kapton HN oder 50µm statt 25µm Folienstärke) den Zeitpunkt der Zerstörung deutlich 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 break-down by surface discharges; ähnlich aber nicht gleich ASTM 2275) wird die Testanordnung so gewählt, dass ein Ausfall der Proben zwischen 100 Stunden und 1000 Stunden liegt. Aus den Ergebnissen kann man dann die Zeit bis zum Ausfall bei geringerer Spannungsbelastung extrapolieren. Eine weitere wichtige 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 Isolationssystem 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.
  • Anmerkung1: die Messung der Höhe von TE in einem elektrischen Bauteil ist heute gängige Methode der Fertigungsüberwachung.
  • Anmerkung2: Positive bzw. negative Gleichspannung belastet Isolationsmaterialien auf unterschiedliche Weise. Es entstehen keine Verluste durch das Wechselfeld. Allerdings können dennoch Teilentladungen entstehen. Außerdem kann es zu einer Materialwanderung kommen.
Verhalten bei Verschmutzung (Umwelt)
Werden Oberflächen von Isolierstoffen durch Feuchtigkeit und Staub verunreinigt, entstehen bei einsetzenden Gleitentladungen langsam aber sicher Leitpfade. 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.
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 (z.B. 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 sogenannten CTI-Wert. Der Comparative Tracking Index wird wie folgt gemessen: Zwei Elektroden werden auf die zu messende Oberfläche aufgelegt. Dazwischen wird eine leitfähige Salzlösung getropft und eine Spannung angelegt. Diejenige Spannung, bei der durch Überschläge die Oberfläche des Werkstoffes abgetragen wird, klassifiziert ihn dann in eine von 6 Stufen. Diese besondere Kombination aus Gleitentladung und verschmutzter Oberfläche führt noch schneller wie trockene Teilentladungen zur Zerstörung des Isolationswerkstoffes. Besonders bei elektrischen Einrichtungen, die im Außenbereich mit der Möglichkeit zur Betauung eingesetzt werden, sind deswegen erhöhte Abstände vorgeschrieben (siehe u.a. IEC 61558).
In der nächsten Ausgabe wird ein Grund für eine Schwächung der Spannungsfestigkeit beleuchtet, der häufig in seiner Auswirkung unterschätzt wird. Außerdem werden ein paar Tipps gegeben, wie man eine betriebssichere Konstruktion ausführen sollte und worauf noch zu achten ist.
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