Durchschlagsfestigkeit

Durchschlagsfestigkeit

Isolieröl im Durchschlagsversuch

Die Durchschlagsfestigkeit (meist angegeben in kV/mm) eines Isolators ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in dem Material höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt.[1][2]

Ihr Wert ist von verschiedenen Faktoren abhängig und daher keine Materialkonstante.[3]

Hintergrund

Bei der Dimensionierung von elektrischen Baugruppen und Isolationen muss auch darauf geachtet werden, dass insbesondere bei spitzen Leitergeometrien die umgebende Luft durch sogenannte Vorentladungen ionisiert werden kann und der Durchschlag dadurch eher stattfindet oder umgebende Isolationswerkstoffe auf Dauer durch Ultraviolettstrahlung geschädigt werden.

Auch eingeschlossene Lufträume haben einen ähnlichen Effekt.

Weiterhin weisen Isolationswerkstoffe entlang ihrer Oberfläche häufig geringere Isolationsfestigkeiten als die umgebende Luft auf (Kriechstromfestigkeit), was zu Kriech- oder Gleitentladungen führen kann. Eine nicht geschlossene feste Isolationsbarriere ist daher auch durch ihre Luft- und Kriechstrecken charakterisiert. Die Kriechwege müssen insbesondere bei Verschmutzungs- und Feuchtigkeitseinfluss sehr viel länger sein, als die Schlagweite in Luft, man erhöht die Kriechwege Baulänge sparend durch Schlitze, Rippen oder Riffelung. Mögliche Kriechwege können auch durch wasserabweisende Imprägnierung oder Lackierung vermieden werden.

Die Durchschlagsfestigkeit E eines Isolationswerkstoffes entspricht einer elektrischen Feldstärke, sie wird dementsprechend auch als Durchschlagsfeldstärke bezeichnet. Sie berechnet sich aus der Durchschlagspannung U bezogen auf die Dicke d der Isolation:

$ E = {{U} \over {d}} $

Durchschlagsfestigkeit von Luft

Die Durchschlagsspannung UL in der Einheit kV von Luft kann in vielen Fällen für Gleichspannung im Bereich $ {\textstyle 1\,\mathrm{mm} < d < 1\,\mathrm{m}} $ mit folgender, aus dem Paschen-Gesetz abgeleiteter empirischer Gleichung angenähert werden:[4][5]

$ U_\mathrm L \approx 2422\,\mathrm{kV} \cdot \frac{d}{1\,\mathrm{m}}\frac{p}{1{,}013\,\mathrm{bar}}\frac{293\,\mathrm{K}}{T} + 60{,}8\,\mathrm{kV} \cdot \sqrt{\frac{d}{1\,\mathrm{m}}\frac{p}{1{,}013\,\mathrm{bar}}\frac{293\,\mathrm{K}}{T}} $

Mit dem Luftdruck p in der Einheit Bar, der Temperatur T in Kelvin und der Dicke d in Meter. Für eine Dicke von beispielsweise 1 cm ergibt sich bei Normaldruck und 20 °C eine Durchschlagsspannung von 30,3 kV, also eine Durchschlagsfestigkeit von 3 kV/mm.

Materialwerte

Das Verfahren zur Bestimmung der Durchschlagsfestigkeit ist in der Normenreihe IEC 60243 definiert. Es legt für die verschiedene Materialklassen und Anwendungsfälle (Teil 1: AC, Teil 2: DC, Teil 3: Impulsspannung) Versuchsbedingungen fest. Geprüft wird üblicherweise eine Serie gleichartiger Probekörper und dann der Median der Einzelwerte angegeben. Solche Werte stellen dennoch nur Richtwerte dar, da die Durchschlagsfestigkeit von weiteren Parametern, wie unter anderem der genauen Zusammensetzung und Reinheit der Werkstoffe, Art des elektrischen Stromes, der Zeit der Einwirkung der Spannung (Geschwindigkeit der Zunahme des elektrischen Feldes) sowie der Größe und Form der verwendeten Elektroden abhängt.[6] Wirkt auf den Isolator über längere Zeit eine hohe Feldstärke ein, steigt seine Leitfähigkeit durch Erwärmung und eine Abnahme der Durchschlagsfestigkeit ist feststellbar.[7] Bei Gasen wie der Luft und anderen Werkstoffen hängt sie insbesondere von der Luftfeuchtigkeit und vom Luftdruck ab und variiert daher stark je nach Art der vorherrschenden Gase und bei nicht konstanten Bedingungen.[8] Zusätzlich sinkt die Durchschlagsfestigkeit mit steigender Temperatur und steigender Frequenz.[9] Bei Luftisolation nennt man den Abstand Luftstrecke, die zur sicheren Isolation hinreichend groß gegenüber dem sich aus der Durchschlagsfestigkeit ergebenden Wert sein muss. Siehe jedoch auch Funkenstrecke.

Überdies ist die Durchschlagspannung bei vielen Stoffen nicht proportional zur Dicke, da es insbesondere bei Gleichspannung zu inhomogener Feldverteilung kommen kann. Daher besitzen dünne Folien höhere Durchschlagsfestigkeiten als große Materialdicken. Bei Hochspannungs-Folienkondensatoren nutzt man dies aus, indem man eine sogenannte innere Reihenschaltung anwendet, bei der das Dielektrikum aus mehreren übereinander angeordneten Isolierstofflagen besteht, die durch nicht kontaktierte Metallschichten voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Feldverteilung homogenisiert.

Bei sehr geringen Dicken erzeugen schon geringe Spannungen, die zur Ionisation nicht ausreichen, höchste Feldstärken. So liegt bei der 5 nm dicken Plasmamembran von Neuronen im Ruhepotential eine Feldstärke von 200.000 Volt/cm vor.[10] Elektroporation (Zusammenbruch der Doppellipidschicht) tritt erst bei Feldstärken im Bereich von 300 kV/cm bis 700 kV/cm auf.[11]

Durchschlagsfestigkeit ausgewählter Materialien (20 °C)
Material Durchschlagsfestigkeit
[kV/mm]
Aggregatzustand
trockene Luft (Normaldruck, DC)[12][5] 3 gasförmig
trockene Luft (Normaldruck, AC)[13] 1 gasförmig
Luft (Annahme lange Schlagweiten)[14][15] 0,1 gasförmig
Luft effektiv (ohne Spitzenwert)[16] 0,35 gasförmig
Helium (relativ zu Stickstoff)[17] 0,15 gasförmig
Porzellan[18] 20 fest
Hartporzellan[19] 30-35 fest
Schwefelhexafluorid[20] > 8 gasförmig
Glas (Textilglas)[21] > 8 fest
Emaille[22] 20-30 fest
Quarzglas[23] 25-40 fest
Borosilikatglas[24] 30 fest
Destilliertes Wasser[17] 65–70[25] flüssig
Aluminiumoxid (rein)[26] 17 fest
Polycarbonat[27] 30 fest
Polyester (glasfaserverstärkt)[28] 12-50 fest
Polymethylmethacrylat (Acryl-/Plexiglas)[29] 30 fest
FR4 (glasfaserverstärkter Kunststoff)[30] 13 fest
Polypropylen[31] 52 fest
Polyethylenterephthalat (PET)[32][33] 20-25 fest
Polystyrol[34] 20-55 fest
FR2 (Hartpapier)[35][36] > 5

kurzfristig: 19,7

fest
Transformatorenöl (sorgfältig getrocknet)[37] 05–30 flüssig
Polyvinylchlorid[38] 30 fest
Polytetrafluorethylen (PTFE)[39] 18-105 fest
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS)[40] 24-40 fest
Polyoxymethylen[41] > 20 fest
Neoprene[42] 15.7 - 26.7 fest
Glimmer[43] bis 60 fest
Hochvakuum 20–40[44]
abhängig von Elektrodenform
Diamant[45] 2000 fest

Einzelnachweise

  1. Handbuch Faserverbundkunststoffe: Grundlagen Verarbeitung Anwendungen. Springer-Verlag, 2010, ISBN 978-3-8348-0881-3, S. 575 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  2. Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler: Werkstoffe in der Elektrotechnik: Grundlagen - Struktur - Eigenschaften - Prüfung - Anwendung - Technologie. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43748-7, S. 223 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  3. Wilfried Plaßmann, Detlef Schulz: Handbuch Elektrotechnik: Grundlagen und Anwendungen für Elektrotechniker. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-07049-6, S. 295 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  4. F.M. Bruce: Calibration of uniform-field spark-gaps for high-voltage measurement at power frequencies. In: Journal of the Institution of Electrical Engineers - Part II: Power Engineering. Band 94, Nr. 38, S. 138–149, doi:10.1049/ji-2.1947.0052 (crossref.org [abgerufen am 14. September 2017]).
  5. 5,0 5,1 Jane Lehr, Pralhad Ron: Electrical Breakdown in Gases. In: Foundations of Pulsed Power Technology. John Wiley & Sons, Inc., 2017, ISBN 978-1-118-88650-2, S. 369–438, doi:10.1002/9781118886502.ch8.
  6. Leo Gurwitsch: Wissenschaftliche Grundlagen der Erdölverarbeitung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-47512-2, S. 139 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  7. Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Werkstoffkunde. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-17717-0 (google.com [abgerufen am 22. Juni 2016]).
  8. Joachim Heintze: Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 3: Elektrizität und Magnetismus. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-48451-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 18. November 2016]).
  9. H. Behnken, F. Breisig, A. Fraenckel, A. Güntherschulze, F. Kiebitz: Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50945-2 (google.com).
  10. Werner Müller, Stephan Frings, Frank Möhrlen: Tier- und Humanphysiologie: Eine Einführung. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-43942-5, S. 358 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  11. Paul Lynch, M. R. Davey: Electrical Manipulation of Cells. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4613-1159-1, S. 16 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  12. The Physis Factbook - An encyclopedia of scientific essays. Abgerufen am 14. September 2017 (english).
  13. H. Rebholz, W. Köhler, S. Tenbohlen: Dielektrische Festigkeit verschiedener Gase in GIS. Universität Stuttgart 2005 (unistuttgart.de/ieh [PDF]).
  14. H. Vogel: Probleme Aus Der Physik: Aufgaben und Lösungen zur 17. Auflage von Gerthsen · Vogel PHYSIK. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-78189-6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  15. Marcus Lehnhardt, Bernd Hartmann, Bert Reichert: Verbrennungschirurgie. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-642-54444-6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  16. Kögler/Cimolino: Standard-Einsatz-Regeln: Elektrischer Strom im Einsatz. ecomed-Storck GmbH, 2014, ISBN 978-3-609-69719-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  17. 17,0 17,1 William M. Haynes, David R., Lide, Thomas J. Bruno: CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 2016-2017, 97th ed. Boca Raton FL, ISBN 1-4987-5428-7.
  18. Produktinformation Porzellan C 110. S. 1, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  19. Liviu Constantinescu-Simon: Handbuch Elektrische Energietechnik: Grundlagen · Anwendungen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-85061-4, S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  20. O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50981-0 (google.at).
  21. AVK-Industrievereinigung Verstärkte Ku: Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-02755-1 (google.at).
  22. physikalische Eigenschaften des Emails. S. 3, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  23. Materialspezifikation Quarzglas ilmasil PI. S. 3, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  24. Borosilicat-Floatglas von Schott. S. 27, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  25. William M. Haynes: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Taylor & Francis, ISBN 978-1-4398-2077-3
  26. Al2O3 Aluminiumoxid, technische Hochleistungskeramik. Abgerufen am 9. April 2017.
  27. PC Polycarbonat - Technisches Datenblatt. S. 1, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  28. Glasfaserverstärkte GFK-Profile aus Polyester. S. 2, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  29. Platten aus PMMA – Acrylglas – Plexiglas. S. 2, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  30. Glasfaser-Hartgewebe HGW2372.1 (FR4-HF). S. 1, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  31. Polypropylen. In: Material Archiv. Abgerufen am 9. April 2017.
  32. Werkstoffkennwerte PET (Polyethylenterephthalat). Grünberg Kunststoffe GmbH, S. 1, abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  33. PET - Polyethylenterephthalat (Mylar®). Reichelt Chemietechnik, abgerufen am 9. April 2017.
  34. Helmut Ohlinger: Polystyrol: Erster Teil: Herstellungsverfahren und Eigenschaften der Produkte. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-87890-9 (google.at).
  35. Rotek Hartpapier HP 2061 (Pertinax). Abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  36. Datenblatt RTP PP FR2. In: Material Data Center. M-Base Engineering + Software GmbH, abgerufen am 9. April 2017.
  37. Egon Döring: Werkstoffkunde der Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-13879-2 (google.at).
  38. senodur® PVC Glas - technische Eigenschaften. Abgerufen am 9. April 2017.
  39. (PTFE) Polytetrafluoroethylene Datenblatt. Abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  40. Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymerisate (ABS) Datenblatt. Abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  41. Elektr. Durchschlagfestigkeit von Materialien. Abgerufen am 9. April 2017 (PDF).
  42. CRC Handbook of Chemistry and Physics
  43. Willy Pockrandt: Mechanische Technologie für Maschinentechniker: Spanlose Formung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-99131-8 (google.at).
  44. S. Giere, M. Kurrat, U. Schumann: HV dielectric strength of shielding electrodes in vacuum circuit-breakers. (PDF)
  45. Electronic properties of diamond. el.angstrom.uu.se. Abgerufen am 10. August 2013.

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