Vier Versagensgründe für Isolationen

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Einfluss der Spannung

Bereits ab 400 V entsteht Corona-Entladung (Bild 2). 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 kann so das elektrische Feld geformt werden, damit keine Feldlinienspitzen entstehen können.

Umso näher man der Einsetzspannung von Teil-(Corona-)entladungen kommt, desto stärker ist der Einfluss von Überspannungsspitzen (z.B. Schaltvorgänge im Netz). Diese kurzen, energiereichen Impulse können sogar eine direkte Teilentladung triggern, die erst nach Unterschreiten 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 Verwenden 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 z.B. 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 z.B. FEP. Bei Kapton CR wird die TE-Beständigkeit durch die Zugabe von anorganischen Werkstoffen in die Polymermasse drastisch erhöht (Bilder 3 und 4). 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 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 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 interpolieren. 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 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.

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