Kriechstrom Teilentladung und frequenzinduzierte Materialermüdung von polymeren Isolationen kurz erklärt

Im Laufe des Einsatzes von organischen Isolierstoffen beeinflussen verschiedene Alterungsmechanismen das Lebensdauerverhalten

(PresseBox) - Der wichtigste Alterungsfaktor für polymere Isolatoren ist Wärme, denn erhöhte Temperaturen leisten in sehr vielen Fällen den Hauptbeitrag bei der Alterung (u.a. Oxydation, Kettenabbau, Versprödung). Daneben können Vibration, Temperaturzyklen und Bewitterung weitere bestimmende Faktoren für die Funktionsfähigkeit sein.

Neben diesen chemischen und physikalischen Belastungen werden vor allem dünne Schichten von wenigen Zehntel Millimetern (Isolationsfolien, Lackschichten) bereits bei Spannungen im Niederspannungsbereich (1000 VAC und 1500 VDC) elektrisch massiv belastet.

In dieser kurzen Übersichtsinformation von CMC Klebetechnik sollen nicht allzu detailliert drei Ausfallmechanismen beleuchtet werden, die zwar schlussendlich alle zum Versagen der Isolation führen, aber unterschiedliche Ursachen haben.

Teilentladung (Partial Discharge, Gleitentladung, Treeing):

Isolierstoffe, z.B. eine handelsübliche Polyesterfolie, erreichen eine sehr hohe Spannungsfestigkeit von etlichen kV/mm. Diese liegt üblicherweise mehrere Größenordnungen über der von Luft, die den elektrischen Leiter und Isolator umgibt . Ist durch z.B. Spannungsüberhöhungen (Surge) die Durchschlagsspannung der Luftstrecke zwischen den spannungsführenden Teilen fast erreicht, entstehen Teilentladungen. Diese elektrischen Entladungen in die Luft kann man an feuchten Tagen an Hochspannungsleitungen als leises Knistern hören. Teilentladungen entstehen besonders gut im inhomogenen elektrischen Feld an z.B. Spitzen,

Teilentladungen erzeugen u.a. Ozon und UV-Licht. Durch die Belastung kommt es zu einer Erosion der Oberfläche des Isoliermaterials. Sobald der Isolierstoff weit genug zerstört und abgetragen ist, erfolgt dank der nun verringerten Spannungsfestigkeit der Durchschlag durch das Material

Teilentladungen können ab etwa 400 V entstehen. Der beste Schutz dagegen ist Abstand. Erhöhte Abstände verringern die elektrische Feldstärke (besonders im inhomogenen Feld) und die damit verbundene Ionisation der Luft. Alternativ stehen Folienmaterialien zur Verfügung, die durch Beimischung anorganischer Komponenten eine drastisch höhere Lebensdauer unter TE-Belastung erreichen. Typische Werkstoffe sind Polyimide mit anorganischen Beimischungen oder Mica-Bänder mit hohem Anteil an Glimmer.

Weitere Informationen zu Teilentladungen finden Sie hier.

Kriechstrom

Ähnlich der Teilentladung handelt es sich auch bei diesem Phänomen um einen  Oberflächeneffekt. Jedoch erfolgt der Angriff auf den Isolierwerkstoff durch einen anderen Mechanismus.

Bei anliegender Spannung und ausreichendem Abstand entstehen keine Gleitentladungen (s.o.). Wird jedoch die Oberfläche verschmutzt (z.B. Abrieb, Staub), kann sich bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit ein leitfähiger Belag bilden. Über diesen Belag fließt ein sogenannter Kriechstrom. Manche Materialien reagieren auf den Energieeintrag recht empfindlich. Sie werden durch die elektrochemische Belastung nach und nach zerstört. Der Kriechstrom-Weg wird durch die kohlenstoffhaltigen Abbauprodukte gestärkt und wächst weiter (treeing), bis es zu einem Durchschlag kommt.

Ein Maß für die Neigung, einen leitfähigen Pfad bei Vorhandensein von Verschmutzung und Feuchtigkeit auszubilden, wird durch den CTI (coperative tracking index) - Wert angegeben. Hervorragende Werte sind cti=0 oder cti=1. Typische Materialien sind z.B. Polypropylen, Polyester oder fluorierte Werkstoffe.

Weitere Informationen zu Kriechstrom-Festigkeit finden Sie hier.

Frequenzinduzierte Materialermüdung bei höheren Spannungen und Frequenzen

Polymere Isolationswerkstoffe sind besonders bei Gleichspannung im Niederspannungsbereich und niedrigen Wechselfrequenzen sehr gute Isolatoren. Steigt jedoch die Frequenz, erreicht man im für eine Isolation ungünstigsten Fall die Resonanzfrequenz des Polymerwerkstoffes.

Durch den ständigen Wechsel der Polarität im elektromagnetischen Felde werden polare Bestandteile in Polymerwerkstoffen zu Schwingungen angeregt. Die dadurch erzeugte mechanische Arbeit führt zu einem Temperaturanstieg innerhalb des Werkstoffes. Wie zuvor erwähnt ist Wärme der Hauptalterungsgrund für organische Isolationen! Allerdings ist dieser Effekt in den meisten Fällen eher ein langfristiger.

Dagegen tritt mit nahezu sofortiger Wirkung bei vielen Isolationsmaterialien eine deutlich verringerte Spannungsfestigkeit bei stark erhöhten Wechselfrequenzen (>100 kHz) auf. Grund dafür ist der Umstand, dass sich bei ausreichend hoher Spannung Oberflächen- und Raumladungszonen am und im Material bilden. Diese werden bei den hohen Frequenzen nicht mehr durch den Nulldurchgang der Wechselspannung abgeführt. Die verbleibenden Ladungen führen zu einer Feldüberhöhung.

Ist die Feldstärke durch die zusätzlichen Raumladungen ausreichend hoch, entstehen  Teilentladungen. Die Zerstörung der Oberfläche des polymeren Isolators beginnt. Die dadurch entstehenden Ablagerungen auf der Oberfläche des Isolators führen zu Kriechströmen, die den Zeitpunkt bis zum Durchschlag zusätzlich verkürzen.

Fazit: Hohe Frequenzen erzeugen Raumladungen, die zu Spannungsüberhöhungen führen. Dadurch entstehen Teilentladungen bereits bei niedrigeren Spannungen wie bei z.B. 50 Hz. Die Teilentladungen schädigen im Betrieb den Isolator und reduzieren zusammen mit Kriechströmen die Spannungsfestigkeit weiter.

Besonders kritisch ist, dass auch bei Gleichspannung dieser Effekt unerwartet stark beeinflussen werden kann, wenn eine Wechselspannung überlagert ist. Denn zusätzlich zu den Raumladungen statischer Gleichstromfelder erzeugt das überlagerte Wechselfeld zusätzliche akkumulierte Raumladungen, die dann die Durchbruchspannung des Isolators überschreiten können.

Weitere Informationen zu der Frequenzabhängigkeit der Druchbruchspannung finden Sie hier.

Nur am Rande sei erwähnt, dass der "Durchgangswiderstand" und der "Oberflächenwiderstand" ebenfalls das Verhalten von polymeren Isolatoren im elektrischen Feld beeinflussen. Sie sind keinesfalls feststehende "ohmsche" Widerstände. Die Temperatur, das Vermögen, Feuchtigkeit aufzunehmen, die Entstehung von Raumladungen und die morphologische Strukturänderung des Polymers unter dauerhafter Spannungsbeaufschlagung sind Faktoren, die überwiegend nichtlinear die Widerstände um mehrere Größenordnungen ändern können.

In diesem Zusammenhang sei auch auf die Broschüre "Versagensgründe für Isolationen" verwiesen.

Zusammenfassung

Bei Spannungen über ca. 400V werden alle drei oben erwähnten Phänomene meist in Mischform auftreten. Wie anfällig eine elektrische Konstruktion für einen vorzeitigen Ausfall ist, bestimmen in den meisten Fällen die Luft- und Kriechstrecken. Bei ausreichendem Abstand der spannungsführenden Leiter kann man die zuvor erwähnten Ausfallmechanismen zuverlässig vermeiden. Allerdings widerspricht ein großer Abstand dem Wunsch nach immer mehr Leistung pro Volumen. Daher sollte man passende Maßnahmen gegen Teilentladung, Kriechstrom oder frequenzinduzierte Ausfälle ergreifen. Denn meist erfolgen die Ausfälle erst im Feld und nach etlichen Hundert oder Tausend Stunden Betrieb und nicht bereits in einer fertigungsbegleitenden Qualitätsprüfung.

CMC Klebetechnik bietet verschiedene Produkte an, die eine kompakte Bauweise bei guter Lebensdauererwartung ermöglichen. Gute CTI-Werte, hohe Teilentladungsfestigkeit und für hohe Frequenzen geeignete Isolierstoffe ermöglichen moderne elektrische Geräte im kompakten Format.

Die CMC Klebetechnik GmbH beschichtet seit fünf Jahrzehnten folienartige Materialien mit Klebstoff- und Funktionsbeschichtungen. Darüber hinaus bietet die CMC Klebetechnik als erfahrener Konverter eine kundenspezifische Formatierung der Folien in Rollen, Bögen oder auch als Formstanzteil an. CMC Klebetechnik ist außerdem durch ein eigenes Entwicklungslabor ein innovativer Partner bei kundenspezifischen Projekten und Sonderbeschichtungen. Die Produkte der CMC werden überwiegend in der Elektrotechnik als Isolationsmaterial eingesetzt, finden aber auch in nahezu allen anderen Industriebereichen Anwendung.

Die CMC Klebetechnik GmbH hat sich auf kunden- und anwendungsspezifische Lösungen spezialisiert. Die starke Nischenorientierung erfordert eine Vielzahl unterschiedlicher Rezepturen und Anwendungsprofilen. Durch dieses breite Fachwissen hat sich auch die Anzahl von Lohnbeschichtungen (der Kunde stellt Trägermaterial und/oder Beschichtungsmasse bei) in den letzten Jahren deutlich erhöht.

Die CMC Klebetechnik ist ein Unternehmen der inhabergeführten CMC-Gruppe. Zur CMC Gruppe gehören am Standort Frankenthal/ Pfalz neben der CMC Klebetechnik GmbH, die Coloprint Tech-Films GmbH (technische Folien, Stanzteile), die CMC Maschinenbau (Stanz- und Schneidanlagen) und die CMC Beratungs- und Verwaltungs GmbH (Holding). Weitere Unternehmen der CMC Gruppe befinden sich an Standorten in Hilden und in Pforzheim.

Mehr Informationen unter www.cmc.de

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For five decades CMC has been coating foil-like materials with adhesive and functional coatings. 150 employees are refining premium films on two coating facilities and over 30 downstream facilities (formatting machines, die-cutting machines, rotative cutting machines). These insulation materials are mainly used in electrical engineering but also across a broad range of industries. The company focuses on the implementation of customer-specific developments as well as professional advice. For more information please visit : www.cmc.de

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Datum: 13.11.2018 - 11:06 Uhr
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