Für die Prüfung dieses Durchschlagens durch den Isolationswerkstoff hindurch wird meistens ein Spannungsanstieg von 500V/Sek verwendet. Die Durchschlagsspannung (IEC 60243 ) wird dann normiert auf die Dicke als z.B. 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. Darum reicht es je nach Anwendung auch nicht, den einzelnen Einflussfaktor zu betrachten. Vielmehr muss man die Summe aller Belastungen im konkreten Fall zusammengefasst in ihren Auswirkungen berücksichtigen.

Im Folgenden soll versucht werden, anhand der am häufigsten vorkommenden Belastungsarten einen Eindruck zu gewinnen, worauf man achten sollte:

Temperatur

Ganz allgemein kann festgestellt werden: je 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 durch die IEC 60085 (Elektrische Isolierung, thermische Bewertung und Bezeichnung) in Wärmeklassen (z.B. B=130°C, F=155°C, H=180°C) eingeteilt. Diese Klassen geben an, bei welcher Dauergebrauchstemperatur die Isolationsmateria- lien nach 20.000 Stunden noch z.B. 50% der Durchschlagspannung haben, die sie im Neuzustand hatten.

Etwas anders formuliert bedeutet dies, dass ein Material nach nicht einmal zweieinhalb Jahren Einsatz bei maximaler erlaubter Temperatur die Hälfte seiner Schutzfunktion gegen einen elektrischen Schlag eingebüßt hat. Und dies alleine durch die thermische Alterung.

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, Stromdichteanstieg an Ausleitungen, höchste mögliche Umgebungstemperatur sowie ggf. gelegentlich auftretende Fehlfunktionen mit in die Betrachtung aufnehmen.

Werkstoffe wie Formmassen (z.B. Spulenträger), Lacke, Tränkmittel und Vergussmassen, die als Isolation eingesetzt werden, können durch Wärme verspröden, schrumpfen oder Spannungsrisse bekommen. Bei Flächenisolationsmaterial (z.B. NMN, DMD, usw.) kann es zu Delaminationen kommen, an denen durch den epsilonr-Sprung ähnlich wie bei Lunkern in Vergussmassen Teilentladungen entstehen können. Zusätzlich lässt Bewitterung zusammen mit Wärme diese Werkstoffe früher versagen.

Spannung (Stress, Teilentladung)

Bereits ab 400V entsteht Corona-Entladung an Oberflächen (Gleitentladungen, Streamer). 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.

Diese Impulse lassen Isolationssysteme auf andere Weise altern wie unter herkömmlicher, netzfrequenter Wechselspannung:

• Teilentladungen zerstören die Isolation durch aggressive Abbauprodukte, UV-Strahlung und Ozon
• Ausbildung von Leitpfaden auf der Oberfläche der Isolation
• Elektromechanische Ermüdung auf Grund der Stromimpulse
• Dielektrische Erwärmung wegen der hoch-frequenten Anteile der Spannungsimpulse

Selbst wenn die Nennspannung unterhalb der TE- Einsetzspannung liegt, können solche überlagerten Impulse (Transienten) Teilentladungen zünden. Dabei beeinflussen die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Impulsform, -polarität und -wiederholungsrate wesentlich die Degradationsgeschwindigkeit der Werkstoffe.

Ein ausreichender Abstand zur TE-Verlöschungsspannung ist also immer ratsam. Diese erreicht man – neben konstruktiven Maßnahmen (Abstand) – 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 ändert sich die Situation der kapazitiven und induktiven Kopplung deutlich.

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, wird z.B. durch die Einbringung von Feinglimmerplättchen erreicht. Dadurch wird die Corona-Beständigkeit von Hochspannungsmaschinen (Generatoren, Motoren) merklich verbessert werden. Dies gilt natürlich auch für den Isolationsaufbau von Motoren, die an Frequenzumrichtern (Invertern, Umrichter) betrieben werden.

In großen Anlagen der Mittel- und Hochspannung (Motoren, Generatoren, Verteiltransformatoren) kann man halbleitende Materialien einsetzen, um diese Gleit- und Glimmentladung so weit wie möglich zu vermeiden. Auf diese Weise wird das elektrische Feld soweit geformt, dass keine gefährlichen Feldlinienkonzen-trationen entstehen können.

Diese Konzentration von Feldlinien an Kanten und Spitzen (z.B. die Kanten isolierter Flachkupferbänder) belastet deutlich stärker Isolationsmaterialien und die Isolationsstrecke durch Luft wie ein homogenes, flächiges E-Feld.

Bei kleineren Baugrößen und da, wo man TE-Entladungen nicht ganz vermeiden, kann empfiehlt sich der Einsatz von Kapton® CRC oder Fluorpolymere wie z.B. FEP. Bei Kapton® CRC wird die TE-Beständigkeit durch die Zugabe von anorganischen Werkstoffen in die Polymermasse drastisch erhöht. Fluorpolymere bestechen durch ihre geringe chemische Reaktivität und niedriges εr, haben jedoch andere Nachteile (Dehnbarkeit, Kaltfluß).

Vergussmassen sind ein gängiges Mittel, um Oberflächenentladungen (Corona, Gleitentladungen) zu vermeiden. Durch die allseitige Umhüllung mit in der Regel Polyurethan oder Epoxidharz vermindert man epsilonr-Sprünge und verhindert Entladungen durch die Luft. Von Haus aus bringen solche Vergussmassen keine besondere Teilentladungsfestigkeit mit, erlauben jedoch einen beliebig hohen Schichtaufbau, um eine hohe nominelle Durchschlagsfestigkeit zu erzielen. Entscheidend beim Einsatz von Vergussmassen in Hochspannungsanwendungen ist allerdings die Blasen- und Lunkerfreiheit, die man durch das an den Einzelfall angepassten Vakuumvergussverfahren (ggf. mit anschließender Druckbeaufschlagung zur Verbesserung der Durchimprägnierung) erzielt.

Wie bei den Betrachtungen zu dem Einfluss der Temperatur gilt auch hier, dass der Einsatz eines höherwertigen Materials (also z.B. statt Class B eine Class F Material, Kapton® CRC statt Kapton® HN oder 50μm statt 25μm Folienstärke) den Zeitpunkt der Zerstörung deutlich verschiebt. Die Spannungsfestigkeit bleibt selbst beim Auftreten von TE (Teilentladung) deutlich länger erhalten gegenüber Standardprodukten.

Die IEC 60343 (Empfohlene Prüfverfahren zur Bestimmung der relativen Beständigkeit isolierender Werkstoffe gegen Durchschlag infolge Oberflächenteilentladung; ähnlich, jedoch nicht gleich ASTM 2275) beschreibt ein beschleunigtes Verfahren, aus der sich dann die Zeit bis zum Ausfall bei geringerer Spannungsbelastung extrapolieren lässt. Eine weiteres wichtiges Dokument zu dem Thema ist die DIN IEC/TS 61934 (Elektrische Messung von Teilentladungen (TE) bei sich wiederholenden Spannungsimpulsen mit kurzer Anstiegszeit).

Fazit: 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 Materialien und nicht nur das direkt betroffene Isolationsmaterial. Wichtig dabei ist auch, dass die Spannungsfestigkeit von Luft meist deutlich geringer ist wie die von Isolationsmaterialien.

Anmerkung 1: die Messung der Höhe von TE in einem elektrischen Bauteil ist heute gängige Methode der Fertigungsüberwachung.

Anmerkung 2: 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.

Anmerkung 3: Eine umfassende Betrachtung des Alterungsverhaltens komplexer Isoliersysteme versucht die Norm IEC 60505      (Bewertung und Kennzeichnung von elektrischen Isoliersystemen)

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. Innerhalb von Vergüssen oder Formteilen kommt es zu ähnlichen Erscheinungen, besonders wenn diese versprödet und rissig sind.

Ein wesentlicher Aspekt dabei ist die mögliche Was- seraufnahme des Isolierstoffes, denn dadurch wird die Zerstörung auch innerhalb des Werkstoffes beschleunigt (Treeing). Bestimmte Produkte, die mittels Polykondensation (z.B. Polyesterfolien, Polyimide) hergestellt werden, können bei Anwesenheit von Feuchtigkeit und Temperaturen ab 85°C sogar relativ schnell durch Hydrolyse geschädigt werden (Beispiel laminierte Flachkabel aus Polyester in Seitentüren von Autos).

Um angeben zu können, wie leicht ein Werkstoff dazu neigt, auf der Oberfläche leitfähige Pfade auszubilden, verwendet man den sogenannten CTI-Wert bzw. die Kriechstromfestigkeit. Der Comparative Tracking Index (CTI) gemäß DIN EN 60112 (Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen; ebenso UL 746 B) 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 4 Isolationsstoffgruppen (IEC 60664).

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 Gefahr von Betauung eingesetzt werden, sind deswegen erhöhte Abstände vorgeschrieben (siehe u.a. EN 61558, Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Drosseln und dergleichen).

Konstruktive Maßnahmen

Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die elektrische Sicherheit auch nach Tausenden von Betriebsstunden sicherzustellen. Die Erhöhung von Luft- und Kriechstrecken trägt als wesentlicher Schutz dazu bei, dass auch bei gealtertem Isolationsmaterialien durch die dann verringerte Spannungsfestigkeit nichts passiert. Die erforderliche Luft- und Kriechstrecke ist insgesamt eine Funktion von Kriechstromfestigkeit, Verschmutzungsgrad, Überspannungskategorie, Frequenz und Einsatzgebiet (Haushalt, Industrie, Medizin).

Zusätzlich kann man zum Beispiel die Konstruktion fehlertoleranter gestalten. Relativ einfach und dennoch hochwirksam ist oft der Einsatz eines Isolationsstoffes der nächsthöheren Isolations- bzw. CTI-Klasse. Die Zeit bis zum Versagen kann so normalerweise um mindestens das Doppelte erhöht werden.

Außerdem ist die Qualität der verwendeten Materialien mitbestimmend für die Leistungsfähigkeit über die gesamte Betriebszeit. Insbesondere bei Mehrschichtwerkstoffe können Ausfälle durch Laminierfehler zu Ausfällen führen oder verunreinigte Harze zu einer vorzeitigen Schwächung der Spannungsfestigkeit beitragen.

Schlussendlich sind natürlich auch die mechanischen Belastungen bei der Verarbeitung (z.B. Zugbelastung auf Lackdraht) und die mögliche Vorschädigung durch Testverfahren zur Fertigungsüberprüfung (z.B. Hochspannungstest) mit lebensdauerbestimmend.

Weitere mögliche Ursachen

Temperatur, Spannungsstress, ungünstige Materialeigenschaften und Teilentladungen sind gewiss die am stärksten wirkenden Abbau-Mechanismen für Polymere. Es gibt jedoch weitere Faktoren, die je nach Einsatzort eine Rolle spielen können.

Nahezu alle Kunststoffe werden durch Strahlung (UV- Licht, Radioaktivität) geschädigt. Die energiereiche Strahlung zerstört die Polymerketten und führt z.B. zu einer geringeren mechanischen Festigkeit.

Etwas Ähnliches kann bei speziellen Kunststoffen wie Polyester, Polyamid und Polyimid durch die sogenannte Hydrolyse passieren. Dabei werden bei ausreichend hoher Energie (z.B. Wasserdampf bei >85°C) die Bindungen der Polymerkette durch den Dipol H2O aufgespalten. Tests an 50μm starker Polyesterfolie haben gezeigt, dass bereits nach 1.500 Stunden bei 85°C / 85% relH die mechanische Festigkeit weitgehend verloren geht. Die Folie bricht bei einem Knickversuch (DIN EN 61234, Prüfverfahren für die Hydrolysebeständigkeit von Elektroisolierstoffen).

Der sogenannte „Motoretten-Test“ (z.B. UL 1446) berücksichtigt bei der Beurteilung von Isolierstoffen auch deren Beständigkeit gegenüber mechanischer Vibration, wie sie in drehenden Maschinen vorkommen. Damit wird geprüft, ob der Kunststoff unter Reibeinwirkung zur Erosion neigt und damit verringerter Spannungsfestig- keit.

Ein ständiger Temperaturwechsel (z.B. nur zeitweiser Betrieb) belastet besonders Verbünde aus Isolationsmaterial und Kernmaterial bzw. Lackdrähte. Die Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoffen liegen üblicher-weise weit über denen von Metallen. Dieser „Mismatch“ bei der Dehnung und Kontraktion kann vor allem in vergossenen Systemen zu Spannungsrissen führen.

Schlussendlich spielt auch die chemische Kompatibilität aller verwendeten Materialien in einem Isoliersystem (UL 1446, IEC 61858 und IEC 61857) eine Rolle bei der Alterungsbeständigkeit der einzelnen Komponenten. In Langzeit-Alterungstests oder verkürzten Prüfungen (Sealed Tube Test) wird das Zusammenspiel aller Isolationswerkstoffe bei Alterung geprüft. Inkompatibilitäten zeigen sich durch eine reduzierte Spannungsfestigkeit.

Einfluss maximale Einsatzhöhe

Üblicherweise gelten Angaben zu Grenzwerten in den verschiedenen Normen für Isolationswerkstoffe für eine maximale Einsatzhöhe von 2.000 m. Grund dafür ist die merkliche Abnahme der Isolationsfestigkeit der Luft mit steigender Höhe (u.a. steigt durch die geringere Luftdichte die freie Strecke für im elektrischen Feld beschleunigte Ionen). Die internationale Grundnorm IEC 60664 (Isolationskoordination Niederspannung; DKE/K123) legt daher für Höhen über 2.000 m Faktoren fest, um wie viel Luft- und Kriechstrecken vergrößert werden müssen, um diesem Umstand Rechnung zu tragen.

Neu: Isolationen unter Gleichspannungsbelastung

Anwendungen in der Solarindustrie (Feldspannung großer Solarfelder), die Elektromobilität und eine eventuelle zukünftige Mittelspannungs-DC Versorgungsebene in großen Gebäuden und Industrieanlagen nutzen Gleichspannungen in einer Höhe, die bislang nur wenig in ihrer Auswirkung auf Isolationswerkstoffe erforscht wurden. Untersuchungen wie IsKoNeu (DKE) oder Forschungsprojekte wie „DC-INDUSTRIE“ sind erste Ansätze, die Auswirkungen hoher Gleichspannungen auf Isolationswerkstoffe zu analysieren.

Elektrochemische Migration

Insbesondere bei Tag-Nacht-Unterschieden oder intermittierendem Betrieb kann es durch die Temperaturschwankungen zur Kondensation von Wasser auf den Oberflächen kommen. Selbst wenn sich kein direkter Wasserfilm bildet, können Kunststoffe (Schaltungsträger, Vergussmassen, Schutzlacke) Feuchtigkeit auch unterhalb des Taupunktes aufnehmen. Dieser Fall tritt je nach Material bereits bei etwa 70% relativer Feuchte auf. Insbesondere Metallflächen können wegen ihrer größeren Wärmeträgheit auch noch bei geringerer relative Feuchte Betauung verursachen.

Ein häufig beschriebener Ausfallgrund für Isolierstoffe bei Anwesenheit von Feuchtigkeit ist die Ausbildung von Kriechstrompfaden. Bei Anwesenheit von Feuchtigkeit (Elektrolyt) wird durch ionische Verunreinigungen und Lösung von Kohlendioxyd der Oberflächenwiderstand reduziert. Die elektrochemische Zersetzung des Isolationswerkstoffes und die Ausbildung von Teilentladungen führen zu einer zunehmenden Karbonisierung der Isolationsstrecke. Ist die Strecke durch diese leitfähigen Pfade ausreichend kurz, kann es zum Überschlag kommen. Der sogenannte Tracking-Index macht eine Aussage dazu, wie empfindlich ein Isolator Werkstoff gegenüber diesem elektrochemischen Abbauprozess ist.

Im Gegensatz dazu bildet sich bei der Elektrochemischen Migration ein leitfähiger Pfad durch Metallionen und -salzen. Sie entstehen entweder als direkte Folge einer Betauung oder durch Adsorption/Absorption an/in Isolierwerkstoffen oder an Verunreinigungen und in Fehlstellen. Insbesondere nicht ab gereinigte Lötrückstände können regelrechte Feuchtigkeitspuffer darstellen, die auch nach Abtrocknen der Oberfläche Feuchtigkeit speichern. Staub und andere Rückstände wirken als Kristallisationskerne für Kondensation.

In Folge von chemischem (Metalle gehen in alkalische Lösung) oder elektrochemischem Abbau (unterschiedliches Spannungspotential vorhanden) bilden sich wasserlösliche Metallionen, die sich entlang des Potentialgradienten und Konzentrationsgradienten bewegen. Der Potentialgradient wird maßgeblich durch die eingesetzte Spannung und den Abstand der Potentiale zueinander bestimmt. Der Konzentrationsgradient dagegen durch z.B. die Lage der Verunreinigung zu den Metallionenquellen. Bei Abtrocknung kommt es zur Rückfällung und bei wiederholter Betauung zur Aufkonzentration.

Liegt ein kontinuierlicher Potentialunterschied vor, bilden sich durch Elektrolyse an der Kathode (Ground) metallische Abscheidungen, die als Dendriten, Faserbündeln oder Bändern auftreten. Die Ausbildung solcher leitfähigen Beläge erfolgt am intensivsten an Stellen hoher Feldlinienkonzentration, also Kanten und Spitzen. Durch die Feldkonzentration werden auch Auswaschungseffekte erhöht und führen zu einer verbesserten Ionenleitfähigkeit. Die elektrochemische Migration innerhalb von Werkstoffen (z.B. entlang von Glasfasern) wird auch als Conduktive Anodic Filament Growth (CAF) bezeichnet. Voraussetzung dafür ist das Eindiffundieren von Feuchtigkeit in das Substratmaterial.

Insbesondere die seit wenigen Jahren verstärkt eingesetzten hohen Gleichspannungen (300-450 VDC und 750-1050 VDC) bei gleichzeitig weiter voranschreitender Miniaturisierung erhöhen die Gefahr einer elektrochemischen Migration von Metallionen. Im einfachsten Fall wird durch die Fehlerströme eine Störung detektiert und die Baugruppe abgeschaltet. Im schlimmsten Fall erhöht sich die Leitfähigkeit so lange, bis der unerwünschte Strompfad zur Zündquelle wird.

Es gibt mehrere standardisierte Verfahren (z.B. IEC 60068, Umwelteinflüsse), wie man die Klimasicherheit von Baugruppen überprüfen kann. Da es neben den beiden Haupteinflussgrößen „Wärme“ und „Feuchtigkeit“ jedoch weitere geometrische (Abstände, Delaminationen, Feldlinienkonzentrationen) oder umweltbedingte (aggressive Gase, Verunreinigungen) und mechanische (Vibration, Wärmeausdehnung, etc) Einflussgrößen gibt, ist eine generelle Aussage zu der passenden Prüfmethodik kaum möglich. Eine beschleunigte Alterung durch Einsatz überhöhter Spannung, besonders hoher Luftfeuchtigkeit oder bewusster Einbringung von Verschmutzungen ist je nach Anwendungsfall nur bedingt aussagekräftig. Dagegen bilden beschleunigte Temperaturwechsel-Tests bei unterschiedlichen Feuchte-graden die realen Einsatzbedingungen häufig recht gut ab.

Mit steigenden Gleichspannungsniveaus erhöht sich massiv die Gefahr der elektrochemischen Migration durch verstärkte Mobilisierung der Metallionen. Voraussetzung für diesen Schädigungsmechanismus ist Feuchtigkeit und eine ausreichend geringe Distanz der unterschiedlichen Potentiale zueinander. Damit ist gleichzeitig klar, wie man die Ausbildung von metallischen Leitpfaden vermeiden kann: Verhinderung, dass sich ein leitfähiges Elektrolyt (Wasser) ausbildet kann und/oder ausreichende Abstände, um über die Lebensdauer einer elektrischen Baugruppe eine ausreichende elektrische Trennung sicher zu stellen.

Zusammenfassung

Heutige Geräte werden unter der Maxime „kleiner, schneller, leistungsfähiger“ konstruiert. Entwickler versuchen durch möglichst kleine Isolationsabstände (bei erschwerter Entwärmung) und durch deutlich höhere Frequenzen diesen Anforderungen gerecht zu werden.

Regelungen wie die Ökodesign-Richtlinie zwingen Hersteller zu energieeffizienterem Design, was meist gleichbedeutend ist mit einer höheren Energiedichte und den daraus resultierenden Folgen.

Die Datenblattangaben von Isolierstoffen spiegeln den optimalen Wert der Isolationsfähigkeit unter standardisierten Bedingungen am Anfang der Einsatzzeit wider.

Während des Betriebs beeinflusst Temperatur die Isolationsmaterialien durch beschleunigte Alterung / Versprödung und damit einhergehend verringerter Spannungsfestigkeit.

Hohe Spannung schädigt das Material z.B. durch Gleitentladungen und elektrischen Stress.

Bei höheren Frequenzen bricht die Spannungsfestigkeit besonders bei polaren Materialen stark ein.

Verschmutzungen und Feuchtigkeit können zur Ausbildung leitfähiger Pfade an der Oberfläche führen.

Chemische Belastungen, Hydrolyse und mechanischer Druck und Vibrationen während des Herstellprozesses oder der Nutzungszeit setzen dem Isolationsmaterial weiter zu.

Bei hohen Gleichspannungen können zusätzliche Phänomene wie elektrochemische Migration und Raumladungen auftreten.

Für die sichere Auslegung eines elektrischen Gerätes ist es also notwendig, alle auftretenden Einflussgrößen in ihrer Wirkung aufzusummieren. Bei diesen Überlegungen lohnt es sich, die erforderliche Spannungsfestigkeit am Ende der erwarteten Lebensdauer zu kennen. Denn sie bestimmt wesentlich mit, welche Materialien mit welchen Anfangseigenschaften eingesetzt werden sollten.

Da aber die Summe der Einflussgrößen am konkreten elektrischen Bauteil meist weder rechnerisch noch durch Tests ermittelbar ist, helfen Bauteilnormen wie die IEC 61558, Materialnormen wie die UL 510 oder IEC 60674 und Normen zur Messung wie die IEC 61934, IEC 60343, IEC 60034-27 oder UL746 dabei, geeignete und praxiserprobte Lösungen zu finden.

Ergänzende Informationen – Isoliersystem

Eine Möglichkeit zum Aufbau von Geräte-Isolationen ist die Verwendung von Elektroisoliersystemen (EIS). Diese Materialsammlungen werden nach standardisierten Verfahren (UL1446, IEC 61858, IEC 61587) zusammen mit Lackdraht geprüft. Sie bieten gegenüber „wilden Materialkombinationen“ eine erhöhte Sicherheit in Bezug auf die chemische Kompatibilität und das Alterungsverhalten.
Unterschieden wird zwischen „Erprobten Elektroisoliersystemen“, für die Felderfahrungen vorhanden sind und noch unbekannte Isoliersysteme.

Dem gegenüber wird bei vollständig neuen EIS ein Langzeit-Alterungstest (FTA, Full Thermal Aging Test) verwendet, der neben der Wärmebelastung auch Wärmezyklen und Feuchtigkeitsbelastung beinhaltet.

Zu diesem Thema existiert ein weiteres Informationsblatt, in dem detailliert die Vorgehensweise beschrieben wird. Einschränkend muss man sagen, dass u.a. auch dieser Test nur eine begrenzte Anzahl an Belastungen abprüft.

Übersicht der zitierten Normen:

• IEC 60085 Elektrische Isolierung, thermische Bewertung und Bezeichnung
• IEC 60112 Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen
• IEC 60172 Prüfverfahren zur Bestimmung des Temperaturindex von Lackdrähten
• IEC 60216 Elektroisolierstoffe – Eigenschaften hinsichtlich des thermischen Langzeitverhaltens
• IEC 60243 Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen – Prüfverfahren
• IEC 60343 Empfohlene Prüfverfahren zur Bestimmung der relativen Beständigkeit isolierender Werkstoffe gegen Durchschlag infolge Oberflächenteilentladung IEC 60454 Bestimmungen für selbstklebende Isolierbänder für elektrotechnische Anwendungen
• IEC 60505 Bewertung und Kennzeichnung von elektrischen Isoliersystemen
• IEC 60674 Bestimmung für Kunststoff-Isolierfolien für elektrotechnische Zwecke
• IEC 61234 Prüfverfahren für die Hydrolysebeständigkeit von Elektroisolierstoffen
• IEC 61857 Elektrische Isoliersysteme – Verfahren zur thermischen Bewertung
• IEC 61858 Elektrische Isoliersysteme – Thermische Bewertung von Veränderungen an einem erprobten elektrischen Isoliersystem (EIS)
• IEC/TS 61934 Elektrische Messung von Teilentladungen (TE) bei sich wiederholenden Spannungsimpulsen mit kurzer Anstiegszeit
• IEC 62068 Elektrische Isolierstoffe und Isoliersysteme – Allgemeines Verfahren zur Bewertung der elektrischen Lebensdauer bei Beanspruchung mit sich wiederholenden Spannungsimpulsen
• EN 61558 Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Drosseln und dergleichen
• UL746B Polymerwerkstoffe – Bewertungen der Langzeiteigenschaften
• UL 1446 Sicherheitsnorm für Elektrische Isoliersysteme (EIS; Thermische Alterung)
• ASTM D 2275 Prüfung der Spannungsfestigkeit von festen Isolierstoffen unter Einwirkung von Teilentladungen an der Oberfläche
• Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG

Zusammenfassung Einflussfaktoren:

• Temperatur
• Chemische Belastung
• Hydrolyse
• Hochfrequente Belastungen
• Hochspannungsbelastung
• Verschmutzung und Betauung
• Statische und dynamische Feldladungen
• Elektrochemische Migration
• Elektrolyse
• Teilentladungen
• Vibration
• Fertigungsfehler
• Schrumpfen, Delamination, Versprödung
• Wärmeausdehnungskoeffizienten
• Chemische Interaktion Isolierwerkstoffe

Klassische Isolationsprodukte werden bei sinusförmiger Wechselspannung geringer Frequenz (50 Hz) getestet. Lackisolierte Drähte werden zusammen mit Belastungsfaktoren wie erhöhte Wärmebelastung, wiederholten Temperaturwechselzyklen, Vibration und in Kontakt mit anderen Isolierwerkstoffen getestet. Daraus ergeben sich z.B. Mindestanforderungen an die Isolationsdicke.

Wide-Bandgap Transistoren (Siliziumkarbid SiC, Galliumnitrid GaN, ggf. auch InGaN) haben durch ihren besonders weiten Abstand zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband mehrere Vorteile: sie können bei höheren Spannungen eingesetzt werden, ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und höhere Betriebstemperaturen. Durch die geringere Verlustleistung ist eine kompaktere Bauweise bzw. höhere Leistungsdichte möglich. Zwar ist die Herstellung der Ausgangsmaterialien (Ingots) sehr viel aufwändiger, die langfristigen Vorteile in Anwendungen wie Servoantrieben oder Traktionsmotoren relativieren diesen Mehrpreis jedoch. Besonders moderne Antriebsmotoren für Fahrzeuge profitieren von der kompakten Bauweise der ansteuernden Frequenzumrichter.

Mit den höheren Spannungen und vor allem den höheren Frequenzen treten jedoch Stress-Phänomene auf, die bislang nicht in dem Maße beachtet werden mussten. Zu der zusätzlichen Wärmebelastung durch immer kompaktere Bauweise kommen die hohen Spannungen hinzu, die man verwendet, um den strombedingt notwendigen Kupferanteil in induktiven Bauteilen so gering wie möglich zu halten. Hohe Spannungen führen in Verbindung mit den fast nicht zu vermeidenden Phasengrenzen zwischen stromführenden Bauteilen und Umgebungsluft zu der Gefahr der Gleit- oder Coronaentladungen. Diese können auftreten in vergossenen Spulen an darin enthaltenen Hohlräumen, aber auch z.B. an Anschlussleitungen und Leiterübergängen.

Zusätzlich zu der Gefahr der Entstehung von Teilentladungen aufgrund der hohen Betriebsspannungen (und Überschwingern bei schnellen Schaltvorgängen) trägt die hohe Wechselfrequenz der Halb- oder Vollbrückenansteuerungen durch WBG-Leistungstransistoren dazu bei, die Isolationsmaterialien selbst zu stressen. Einen nicht unerheblichen Anteil an diesem elektrisch induzierten Stress haben dabei auch die harmonischen Oberwellen, da sie ggf. sogar in den MHz-Bereich gehen können.

Mit jeder Polaritätsänderung werden polare Anteile im Isolationswerkstoffe umpolarisiert (dielektrische Polarisation). Ähnlich einem Kondensator verhält sich der Isolationswerkstoff im Wechselfeld wie ein frequenzabhängiger Widerstand. Die steilen dU/dt-Flanken und kurzen Signalzeiten beim PWM-Verfahren verursachen eine erhebliche Erwärmung des Isolationsmaterials. Da die Temperatur der wichtigste Alterungsgrund für die allermeisten Isolationswerkstoffe ist, verkürzt diese interne Eigenerwärmung die Lebensdauer zusätzlich. Die ebenfalls temperaturabhängige Durchbruchspannung reduziert sich je nach Werkstoff und Frequenz ebenfalls sehr deutlich. Besonders kritisch sind auch hohe Gleichspannungen mit überlagertem Wechselspannungsrippel, da bei Gleichspannungen (DC) weitere zusätzliche Mechanismen wie elektrochemische Migration hinzukommt. Die Wechselspannungsverluste im Material plus das hohe Gleichspannungspotential begünstigen Ionenwanderungen auf oder durch den Werkstoff.

Den Vorteilen der geringeren Verlustwärmeerzeugung in den WBG Leistungstransistoren selbst steht also eine verstärkte Alterung der Isolationswerkstoffe durch Wärme, elektrischen Stress und Teilentladungen gegenüber.

In induktiven Bauelementen werden in den allermeisten Fällen lackisolierte Drähte verwendet. Je nach Drahtdurchmesser und Spannungsbelastung ist in verschiedenen Normen die Mindest-Schichtdicke des Drahtlacks definiert. Allerdings berücksichtigen die meisten Normen noch nicht die recht neuen und wenig verbreiteten SiC und GaN Leistungstransistoren und deren Möglichkeiten.

In speziellen Anwendungen wie beispielsweise Traktionsmotoren für Fahrzeuge kann es in klimatisch extremen Situationen zu sprunghaften Wechseln bei der Temperatur kommen. In einer kalten Winternacht im nördlichen Europa kann die Wicklung eines Motors auf unter -20°Cabkühlen. Wird von diesem Motor nun schlagartig Leistung abgerufen, erwärmt sich die Wicklung abrupt – mit der Folge, dass die Lackisolation Schaden nehmen kann.

Selbst der Bruch weniger Lackschichten erhöht die Gefahr von Teilentladungen, da nun die wesentlich schlechter Isolierende Umgebungsluft die Aufgabe des Isolierlacks übernimmt. Als Gegenmaßnahme können Ankerstäbe von z.B. Traktionsmotoren zusätzlich zur Lackisolation mit einer geeigneten Isolationsfolie umwickelt werden. Das verringert zwar den möglichen Kupfer-Füllfaktor, erhöhte jedoch dramatisch den Sicherheitslevel. Denn Folien wie Kapton® CRC (Polyimid-Polymer mit anorganischem Füller) sind speziell darauf ausgelegt, den Folgen von Teilentladungen lange zu widerstehen. So fungiert die Folie nicht nur als zusätzliche Isolation, sondern vor allem auch als Schutz vor den Folgen von TE. 

Es gibt einen weiteren Grund, Drahtleiter mit einer umwickelten Folienisolation herzustellen: Litzen.

Bei hohen Strömen oder hohen Frequenzen kommt es zur Stromverdrängung bzw. dem Skineffekt. Dabei reduziert sich der zur Verfügung stehende Leiterquerschnitt und steigt der Widerstand (Verlust), da der Ladungstransport sich auf die Oberfläche beschränkt. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, wird ein dicker Draht aufgeteilt auf viele dünne Kupferfilamente, die zusammen eine viel größere Oberfläche haben. Die einzelnen, dünnen Litzendrähte brauchen aufgrund der geringen Differenzspannung untereinander keine hohe Isolationsbarriere. Allerdings muss die Litze selbst isoliert werden, soll sie z.B. in einem induktiven Bauelement eingesetzt werden.

Lagendifferenzspannungen und hohe Spannungspotentiale zwischen Litze und Masse erfordern in modernen Frequenzumrichter-angetriebenen Elektromotoren eine gute äußere Isolation. Diese kann mit spiralig umwickelter Isolationsfolie realisiert werden.

Bereits bei geringer Schichtdicke erzielt man mit Produkten wie z.B. CMC 70100 (Kapton® Isolationsklebeband mit Acrylatkleber) eine hervorragende Isolationswirkung bei sehr leichter Montierbarkeit.

Der verwendete Kleber erlaubt eine gewisse Beweglichkeit, verhindert jedoch das übermäßige Verschieben der Überlappungen der Spiralwicklung. Kapton® verfügt zudem auch bei einem Klasse F oder Klasse H Isolationssystem über eine hervorragende Leistungsreserve im Fehlerfall.

Wie auch bei Massiv-Kupferdrähten (z.B. Hairpin-Wicklungen in Traktionsmotoren) erzielt man mit Kapton® CRC (CMC 70300, Kapton® CRC Klebeband mit leistungsstarkem Acrylatkleber) zusätzlich eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Teilentladungsphänomenen.

Insbesondere beim Einsatz von hochfrequent angesteuerten Widebandgap-Transistoren ist der Einsatz von folienumwickelten Drähten und Litzen ein wesentlicher zusätzlicher Schutz gegenüber dem elektrischen Stress und dessen Folgen. CMC Klebetechnik liefert bereits seit zwei Jahrzehnten solche Wickelfolien für Litzen-Hersteller.

Wir freuen uns Herrn Carrera Contreras als Teil des Teams begrüßen zu dürfen. Wir sind überzeugt, dass wir gemeinsam unsere Ziele erreichen werden.

cmc Klebetechnik GmbH ist ein mittelständisches Unternehmen in Frankenthal, Pfalz. Schwerpunkt der Tätigkeit ist das Beschichten von folienartigen Produkten mit Funktions- und Kleberbeschichtungen, spezialisiert auf kunden- und anwendungsspezifische Lösungen.

Wer denkt schon bei einer Heißklebepistole, einem Haarglätte-Stab oder einem Eierkocher an ein Keramikheizelement? Wer macht sich Gedanken darüber, weswegen an einem kühlen Herbstmorgen die beschlagene Windschutzscheibe vom Gebläse frei geblasen wird, obwohl der Motor noch kalt ist? Auch bei Wäschetrocknern oder Heißwasserbereitern denken vermutlich die wenigsten darüber nach, wie die benötigte Wärme erzeugt wird.

Widerstände mit einem sogenannten „Positiven Temperatur Koeffizienten; PTC" werden durch elektrischen Strom erwärmt – und das sogar sehr schnell. Allerdings begrenzt die spezielle Keramikstruktur den Temperaturanstieg bei einer einstellbaren Grenze selbsttätig. Es ist keine weitere Regelungselektronik notwendig. Außerdem lässt sich die Bauform leicht an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Das macht sie für den Einsatz bei großen Stückzahlen und möglichst günstigen Anwendungen attraktiv.

Die Heizkeramik wird beim Hersteller beidseitig mit einer Aluminium- oder Silberlage beschichtet. Diese Metaallschicht dient als elektrische Kontaktfläche. Gleichzeitig ist diese Fläche aber auch der Ort, an dem die größte Menge der produzierten Wärme abgegeben werden kann. Daher sind PTC-Widerstände oft in Aluminium-Konstruktionen (ähnlich den in der Elektronik üblichen Kühlkörpern) eingebettet, mit deren Hilfe die Wärme von dem vergleichsweisen kleinen PTC-Heizelement auf eine größere Fläche verteilt wird.

Für Betriebsspannungen unter 50 VAC oder 120 VDC (Kleinspannungen, ELV – Extra Low Voltage) können einfach Funktionsisolationen eingesetzt werden. Sie erfüllen eine reine Isolationsfunktion für den Betrieb, müssen aber nicht vor elektrischem Schlag schützen.

Bei Netzspannungen (110 VAC…230 VAC) schreiben internationale Normen (z.B. IEC 60664) jedoch eine Basis- und ggf. verstärkte Isolation vor. Dies kann im simpelsten Fall durch drei voneinander unabhängige Lagen aus Isolationsfolien erfolgen.

Damit die im PTC-Heizelement erzeugte Wärme möglichst gut transferiert werden kann, ist ein möglichst guter Wärmepfad notwendig. Das heißt, von den elektrischen Kontaktflächen am PTC über die Isolationsfolien bis zu einem z.B. Aluminiumprofil sollte der Thermische Widerstand möglichst gering sein.

Kapton®-Folien und wärmeleitende Silikonfolien aus dem Hause CMC Klebetechnik erfüllen die Anforderungen für PTC-Heizungen. Mit thermischen Belastbarkeiten bis über 200°C, Spannungsbelastbarkeiten bis 10 kV und Wärmeleitfähigkeiten bis 5 W/mK können für nahezu alle Anwendungen passende Lösungen angeboten werden.

Aus verschiedenen Bereichen der Folienverarbeitung (Beispiel Verpackungsindustrie) ist bekannt, dass eine Rolle–zu–Rolle Verarbeitung besonders vorteilhaft ist. Der kontinuierliche Prozess hat vor allem einen großen Geschwindigkeitsvorteil gegenüber getakteten Verfahren.

Der prinzipielle Aufbau einer Membrane-Elektrode-Assembly (MEA) ist die zentrale ionenleitende Membran. Sie erhält entweder vor der Weiterverarbeitung oder in einem späteren Schritt (DECAL) die beidseitigen Katalysatorenbeschichtungen. Um diese Membran herum liegt die Subgasket-Dichtung. Diese ist im Fall der CMC Klebetechnik eine klebstoff-beschichtete Kunststoff-Folie (z.B. PEN oder PPS).

Führt man die zentrale Membranfolie (z.B. Nafion®) vorgestanzt einer Rollenlaminierung zu, laufen von oben und unten Subgasketfolien in Form von Rahmen zu. Damit ein Rolle-zu-Rolle Verfahren eingesetzt werden kann, müssen mindestens diese Subgasketfolien als Endlosware auf der Rolle vorliegen.

Durch die großen Innenausstanzungen, in denen die Membranfolie einlaminiert wird, verliert die Materialbahn extrem ihre Eigenfestigkeit. Durch die schmalen übrigbleibenden Materialstege führen mechanische Spannungen bei dem Materialtransport zu Verwölbungen und Verzug. Auf diese Weise ist keine passgenaue und prozesssichere Laminierung möglich.

Um diesem Verhalten der ausgestanzten Rahmen entgegen zu wirken, kann man eine Traktor-Lochung (Sprocket Feed) verwenden. Sie hält den Rahmen durch eine feste mechanische Fixierung „in Form“.

Eine technisch zuverlässigere Methode ist die Verwendung eines Trägerbandes. Das Subgasket-Material (z.B. PEN oder PPS) wird dazu auf einen schwach haftenden Polyesterfolien-Träger auflaminiert. Im Anschluss kann man die Öffnungen für die Medienzuflüsse und die große Öffnung für die Ionenaustausch-Membran ausstanzen. Durch die klebende Verankerung auf dem zugfesten Transportband verzieht sich die nun stark geschwächte Materialbahn der Subgasket-Dichtung nicht.

Die so vorbereiteten Rahmenfolien können nun mühelos und sehr exakt in einem Rollenlaminator mit der zentralen Membrane zusammen laminiert werden. Die schwach-haftende Transportfolie kann nach der Lamination entfernt werden (DECAL-Verfahren) oder kurz davor.

CMC Klebetechnik unterstützt sie bei der Optimierung ihres Fertigungsprozesses durch geeignete Haftfolien mit geringer Dehnbarkeit, die auch bei höheren Temperaturen eingesetzt werden können.

Kaladex® PEN verfügt gegenüber PET-Folien über einige wesentliche Vorteile:

• Höhere Glasübergangstemperatur (121°C)
• Höhere Dauergebrauchstemperatur (180°C elektrisch, mechanisch 160°C)
• Höhere mechanische Steifigkeit und Zugfestigkeit (6,7 GPa / 245 MPa)
• Geringerer Schrumpf bei Erwärmung (0,6%@150°C)
• Deutlich höhere Hydrolysebeständigkeit (7000 h versus 1000 h bei PET)
• Geringere Wasserdampf-Durchlässigkeit 4 g/m²d)

Durch diese verbesserten Eigenschaften positioniert sich Kaladex® PEN zwischen günstigeren Polyolefin-Folien (PE, PP, PVC) und den Hochleistungsfolien aus z.B. Polyimid oder PEEK. In der gesamten Elektrotechnik kann diese Folie mühelos bis Wärmeklasse F eingesetzt werden. Sie bietet dabei eine Kombination aus sehr guter Verträglichkeit mit in der Elektrotechnik vorkommenden Werkstoffen, hoher Spannungsfestigkeit bei gleichzeitig geringer Materialstärke und einem sehr guten Preis/Leistungsverhältnis.

Ein weiterer Vorteil von PEN-Folien ist die größere Alterungsbeständigkeit. Bei in der Elektronik üblichen Einsatztemperaturen ist der Verlust an mechanischer Festigkeit und Reduktion der Durchschlagspannung bedeutend geringer wie bei Polyesterfolien. Dadurch kann die Einsatzdauer (Service Life) erheblich gesteigert werden. Der geringere Schrumpf bei höheren Temperaturen erlaubt zudem z.B. der Einsatz als Substrat für Printed Circuits.

Aus diesen Gründen findet man Kaladex® PEN in einer steigenden Anzahl von Anwendungen als Isolation, als mechanisch belastbare Substrate und vor allem auch in technologischen Anwendungen, die gerade im Wachsen sind: für Batterie-Isolationen in Elektrofahrzeugen oder als Subgasket in PEM-Brennstoffzellen.

Kaladex® Folien sind im Bereich von 16 – 125µm kommerziell erhältlich. Andere Stärken sind jedoch bei entsprechendem Bedarf möglich. 

CMC Klebetechnik, als unabhängiger Beschichter von Folien, kann PEN-Folien in den üblichen Stärken 25µm, 50µm, 75µm und 100µm anbieten. Die Verfügbarkeit der Folien ist volatil und von den beiden Herstellern Toyobo und DuPont Teijin abhängig.

Die laminierten Kabel können sehr variabel in Breite und Dicke hergestellt werden. Daher kann der Kupferquerschnitt weitgehend frei zwischen 0,20 mm² (35 µm Kupferstärke) und ca. 65 mm² (500 µm Kupferstärke) gewählt werden. Die Flachkupferleitungen sind in der Breite individuell lieferbar und üblicherweise 100 m lang.

Transformatoren und Spulen

Laminierte flache Kupferkabel werden vor allem in Spulen und Transformatoren eingesetzt. Ein extrem hohes Verhältnis von Oberfläche zu Querschnittsfläche macht diese Kupferbänder besonders für Hochfrequenz- oder Hochstromanwendungen geeignet. Die isolierten Kupferbänder können auch als statische Schirmung zwischen Primär- und Sekundärwicklung eingesetzt werden. Hier erhöhen sie als „Abschirmbänder“ deutlich die Sicherheit vor einem elektrischen Schlag durch einen Isolationsfehler. Zusätzlich wird durch die hohe erzielbare Packungsdichte der Wärmeabtransport an die Umgebungsluft begünstigt.

Als Isolation werden für die Elektrotechnik bestimmte Isolationsfolien eingesetzt. Sie verbinden eine hohe Spannungsfestigkeit mit guter Chemikalien- und vor allem Temperaturbeständigkeit. So sind Isolationsfolien für Dauertemperatur bis 180°C verfügbar.

Lautsprecher und Beleuchtung

Eine weitere Anwendung für laminierte Flachkupferleitungen sind sehr flache Lautsprecherkabel. Sie sind nur Bruchteile eines Millimeters hoch und können dadurch unsichtbar unter Tapeten oder Bodenbelägen verlegt werden. Die fertig mit zwei Adern versehenen Leitungen bestehen aus einem hochwertigen Elektrolytkupfer und haben einen Widerstand von nur etwa 2 Ohm/100 lfm. In Extremfällen (z.B. High End Audioanwendungen) wurde auch schon mal der beste verfügbare elektrische Leiter eingesetzt: dünne Silberfolien.

In Abwandlung zu der Anwendung als Lautsprecherkabel können mit diesen zweibahnigen Leitungen auch LED-Beleuchtungen mit Strom versorgt werden. Die dünnen Kabel lassen sich problemlos falten, so dass auch komplizierte Verlegegeometrien möglich sind. Durch den wählbare Leiterquerschnitt sind auch größere Ströme möglich.

Induktionsschleifen für Hörgeräte

Die Kupferbänder können aber auch in der Akustik eingesetzt werden. In nahezu allen modernen Hörgeräten ist eine kleine „Hörspule“ eingebaut. Diese winzige Empfängerantenne wandelt elektromagnetische Wellen in akustische Töne um. In großen Stadien oder Veranstaltungsräumen wie Theater oder Museen wird dieser Umstand oft genutzt, um Schwerhörigen dennoch das Hören zu ermöglichen. Die dafür notwendige Induktionsschleifen werden einmalig verlegt und arbeiten dann viele Jahre lang völlig wartungsfrei. Durch das hochwertige Kupfer und die speziellen Isolationsfolien der Flachkupferleitungen von CMC Klebetechnik können Induktionsschleifen für Gehörgeräte wesentlich zu dem positiven Hörerlebnis beitragen.

Die Konstruktion der lieferbaren Kupferkabel reicht von einer einseitigen Isolation über doppelseitige Isolationen mit und ohne Lötspalt bis zu mehrlagigen Isolationsschichten oder mehrbahnigen Flachkupferleitungen. Denn jede Anwendung benötigt ihre spezielle Lösung.

Insbesondere bei Tag-Nacht-Unterschieden oder intermittierendem Betrieb kann es durch die Temperaturschwankungen zur Kondensation von Wasser auf den Oberflächen kommen. Selbst wenn sich kein direkter Wasserfilm bildet, können Kunststoffe (Schaltungsträger, Vergussmassen, Schutzlacke) Feuchtigkeit auch unterhalb des Taupunktes aufnehmen. Dieser Fall tritt je nach Material bereits bei etwa 70% relativer Feuchte auf. Insbesondere Metallflächen können wegen ihrer größeren Wärmeträgheit auch noch bei geringerer relativer Feuchte Betauung verursachen.

Ein häufig beschriebener Ausfallgrund für Isolierstoffe bei Anwesenheit von Feuchtigkeit ist die Ausbildung von Kriechstrompfaden. Bei Anwesenheit von Feuchtigkeit (Elektrolyt) wird durch ionische Verunreinigungen und Lösung von Kohlendioxyd der Oberflächenwiderstand reduziert. Die elektrochemische Zersetzung des Isolationswerkstoffes und die Ausbildung von Teilentladungen führen zu einer zunehmenden Karbonisierung der Isolationsstrecke. Ist die Strecke durch diese leitfähigen Pfade ausreichend kurz, kann es zum Überschlag kommen. Der sogenannte Tracking-Index macht eine Aussage dazu, wie empfindlich ein Isolator Werkstoff gegenüber diesem elektrochemischen Abbauprozess ist.

Im Gegensatz dazu bildet sich bei der Elektrochemischen Migration ein leitfähiger Pfad durch Metallionen und -salzen. Sie entstehen entweder als direkte Folge einer Betauung oder durch Adsorption/Absorption an/in Isolierwerkstoffen oder an Verunreinigungen und in Fehlstellen. Insbesondere nicht ab gereinigte Lötrückstände können regelrechte Feuchtigkeitspuffer darstellen, die auch nach Abtrocknen der Oberfläche Feuchtigkeit speichern. Staub und andere Rückstände wirken als Kristallisationskerne für Kondensation.

In Folge von chemischem (Metalle gehen in alkalische Lösung) oder elektrochemischem Abbau (unterschiedliches Spannungspotential vorhanden) bilden sich wasserlösliche Metallionen, die sich entlang des Potentialgradienten und Konzentrationsgradienten bewegen. Der Potentialgradient wird maßgeblich durch die eingesetzte Spannung und den Abstand der Potentiale zueinander bestimmt. Der Konzentrationsgradient dagegen durch z.B. die Lage der Verunreinigung zu den Metallionenquellen. Bei Abtrocknung kommt es zur Rückfällung und bei wiederholter Betauung zur Aufkonzentration.

Liegt ein kontinuierlicher Potentialunterschied vor, bilden sich durch Elektrolyse an der Kathode (Ground) metallische Abscheidungen, die als Dendriten, Faserbündeln oder Bändern auftreten. Die Ausbildung solcher leitfähigen Beläge erfolgt am intensivsten an Stellen hoher Feldlinienkonzentration, also Kanten und Spitzen. Durch die Feldkonzentration werden auch Auswaschungseffekte erhöht und führen zu einer verbesserten Ionenleitfähigkeit. Die elektrochemische Migration innerhalb von Werkstoffen (z.B. entlang von Glasfasern) wird auch als Konduktive Anodisch Filament Growth (CAF) bezeichnet. Voraussetzung dafür ist das Eindiffundieren von Feuchtigkeit in das Substratmaterial.

Insbesondere die seit wenigen Jahren verstärkt eingesetzten hohen Gleichspannungen (300-450 VDC und 750-1050 VDC) bei gleichzeitig weiter voranschreitender Miniaturisierung erhöhen die Gefahr einer elektrochemischen Migration von Metallionen. Im einfachsten Fall wird durch die Fehlerströme eine Störung detektiert und die Baugruppe abgeschaltet. Im schlimmsten Fall erhöht sich die Leitfähigkeit so lange, bis der unerwünschte Strompfad zur Zündquelle wird.

Es gibt mehrere standardisierte Verfahren (z.B. IEC 60068, Umwelteinflüsse), wie man die Klimasicherheit von Baugruppen überprüfen kann. Da es neben den beiden Haupteinflussgrößen „Wärme“ und „Feuchtigkeit“ jedoch weitere geometrische (Abstände, Delaminationen, Feldlinienkonzentrationen) oder umweltbedingte (aggressive Gase, Verunreinigungen) und mechanische (Vibration, Wärmeausdehnung, etc) Einflussgrößen gibt, ist eine generelle Aussage zu der passenden Prüfmethodik kaum möglich. Eine beschleunigte Alterung durch Einsatz überhöhter Spannung, besonders hoher Luftfeuchtigkeit oder bewusster Einbringung von Verschmutzungen ist je nach Anwendungsfall nur bedingt aussagekräftig. Dagegen bilden beschleunigte Temperaturwechsel-Tests bei unterschiedlichen Feuchtegraden die realen Einsatzbedingungen häufig recht gut ab.

Fazit:

Mit steigenden Gleichspannungsniveaus erhöht sich massiv die Gefahr der elektrochemischen Migration durch verstärkte Mobilisierung der Metallionen. Voraussetzung für diesen Schädigungsmechanismus ist Feuchtigkeit und eine ausreichend geringe Distanz der unterschiedlichen Potentiale zueinander. Damit ist gleichzeitig klar, wie man die Ausbildung von metallischen Leitpfaden vermeiden kann: Verhinderung, dass sich ein leitfähiges Elektrolyt (Wasser) ausbildet und/oder ausreichende Abstände, um über die Lebensdauer einer elektrischen Baugruppe eine sichere elektrische Trennung sicher zu stellen.

Eine besonders häufige Anwendung für Stromsammelschienen findet sich in Hochvoltbereich der Niederspannung (IEC 60664, 1.500 VDC/1000 VAC). Stromerzeuger wie Windkraftanlagen und Solarfelder erzeugen große Ströme bei Spannungen zwischen ca. 450V….1000 V). Zur Netzanpassung wir die gewonnene elektrische Energie elektronisch geregelt. Dabei werden große Ströme durch vergleichsweise kleine Räume (Schaltschränke) geführt. 

Noch stärker raumreduziert sind die Verhältnisse in Ladesäulen und Frequenzumrichtern der Elektromobilität. Bereits heute werden Ströme bis 600 A durch „winzigen“ Gehäusen (z.B. Ladeanschlussbox, Power Distribution Box [PDU], Battery Charge-Discharge protection Modul) geführt. Herkömmliche Kabel sind für die Verschaltung von z.B. Sicherungselementen nicht einsetzbar. Massive Kupferleiter kombinieren hohe Stromtragfähigkeit mit mechanischer Stabilität. 

Ein entscheidender Nachteil in beengten Bauräumen ist allerdings die vergleichsweise hohe Spannung. Denn erst aus dem Produkt hoher Ströme und hoher Spannungen ergibt sich die Leistung, die bei Windkraftanlagen im MW-Bereich liegt, aber auch im Elektroauto beim Ladevorgang schnell 125 kW und mehr erreichen kann. 

Hohe Spannungen erfordern hohe Sicherheitsabstände – oder Isolationen, die eine Reduktion dieser Abstände erlaubt. Allerdings sind viele Busbars nicht wie in großen Schaltschränken weitgehend lineare Stromsammelschienen. Oft sind Busbars an die beengten Verhältnisse angepasst und dementsprechend verwinkelt.

Es gibt unterschiedliche Isolation für Busbars. Unter anderem wärmeschrumpfende Polyolefin-Schläuche oder Epoydharz-Pulverbeschichtungen.

Nachteil der wärmeschrumpfenden Schläuche ist die oft nur geringe Temperaturbeständigkeit. Dahingegen ist die Epoxydharz-Pulverbeschichtung aufwändig und dementsprechend teuer.

Einen Mittelweg kann man mit sogenannten Heat Shrinkable Busbar Insulation Tapes (wärmeschrumpfende Isolationsklebebänder für Stromschienen) gehen. CMC Klebetechnik bietet solche wärmeschrumpfende Isolationsklebebänder auf Basis von Polyesterfolien an.

Polyesterfolien sind die beliebtesten und am häufigsten eingesetzten Isolationsfolien in der Elektrotechnik. Sie verbinden einen günstigen Preis mit guten mechanischen Eigenschaften und sehr hoher Spannungsfestigkeit bei geringer Materialstärke.

CMC 11766 ist ein Polyesterklebeband, das bei Erwärmung deutlich schrumpft. Im technischen Einsatz wickelt man das Klebeband meistens spiralförmig mit Überlappung um das zu isolierende Leitermaterial. Dadurch erreicht man bereits mit ca. 15% Überlappung eine sehr gute Isolationswirkung (> 4,5 kV Durchschlagspannung). Durch geschicktes Wickeldesign ist auch leicht eine deutlich höhere Spannungsfestigkeit zu erreichen. Dabei kommt eine besondere Eigenschaft von CMC 11766 zum Tragen: der Längsschrumpf ist deutlich höher wie der Querschrumpf (Längsrichtung 25-35%, quer zur Folienbahn 5-10%). Dadurch können notwendige Überlappungen sehr genau definiert werden, während das Band in Längsrichtung eine extrem gute Anpassung an die Form des umschlossenen Stromleiters ausweist.

Zwar ist Polyesterfolie eine relativ steife Isolationsfolie (zum Vergleich: Weich-PVC Folien), die wärmeschrumpfende PET-Folienvariante passt sich beim Erhitzen jedoch sehr gut an Knicke und Bögen im Busbar an.

Vorteil dabei: die Folie behält ihre hohe Durchschlagsfestigkeit und ihre hohe Dauereinsatztemperatur von 130°C. Auch bei einer kurzfristigen Erwärmung auf 175°C (max 1 Stunde) bleibt sie mechanisch stabil und behält ihre elektrische Isolationswirkung. Dadurch können Sicherheitsabstände, die aus der Niederspannungsrichtlinie (IEC 60664) resultieren, zum Teil deutlich reduziert werden (CTI-Wert = 450-600 V).

Das wärmeschrumpfende Isolierklebeband CMC 11766 ist zusätzlich bei UL unter der File-Nummer E93622 gelistet, was den Einsatz als zugelassene Isolation erleichtern kann. Das Material wird auf Rolle in kundenspezifischen Breiten angeboten. CMC 11766 ist als transparentes Band (optische Kontrolle durch das Klebeband hindurch möglich) oder als schwarzes Isolierklebeband erhältlich.