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 U_L 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]

Einzelnachweise