Durchschlagsfestigkeit

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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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 l der Isolation:

Materialwerte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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.[4] Wirkt auf den Isolator über längere Zeit eine hohe Feldstärke ein, steigt seine Leitfähigkeit durch Erwärmung und eine Abnahme der Durchschlagsfestigkeit ist feststellbar.[5] 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. [6] Zusätzlich sinkt die Durchschlagsfestigkeit mit steigender Temperatur und steigender Frequenz.[7] 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.[8] Elektroporation (Zusammenbruch der Doppellipidschicht) tritt erst bei Feldstärken im Bereich von 300 kV bis 700 kV auf.[9]

Durchschlagsfestigkeit ausgewählter Materialien (20 °C)

Material Durchschlagsfestigkeit
[kV/mm]
Aggregatzustand
trockene Luft (Normaldruck)[10] 1 gasförmig
Luft (Annahme lange Schlagweiten)[11][12] 0,1 gasförmig
Luft effektiv (ohne Spitzenwert)[13] 0,35 gasförmig
Porzellan [14] 20 fest
Hartporzellan[15] 30-35 fest
Schwefelhexafluorid [16] > 8 gasförmig
Glas (Textilglas) [17] > 8 fest
Emaille [18] 20-30 fest
Quarzglas [19] 25-40 fest
Borosilikatglas [20] 30 fest
Destilliertes Wasser 65–70[21] flüssig
Aluminiumoxid (rein)[22] 17 fest
Polycarbonat [23] 30 fest
Polyester (glasfaserverstärkt)[24] 12-50 fest
Polymethylmethacrylat (Acryl-/Plexiglas)[25] 30 fest
FR4 (glasfaserverstärkter Kunststoff)[26] 13 fest
Polypropylen[27] 52 fest
Polyethylenterephthalat (PET)[28][29] 20-25 fest
Polystyrol[30] 20-55 fest
FR2 (Hartpapier)[31][32] > 5

kurzfristig: 19,7

fest
Transformatorenöl (sorgfältig getrocknet)[33] 05–30 flüssig
Polyvinylchlorid[34] 30 fest
Polytetrafluorethylen (PTFE)[35] 18-105 fest
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS)[36] 24-40 fest
Polyoxymethylen[37] > 20 fest
Glimmer[38] bis 60 fest
Hochvakuum 20–40[39]
abhängig von Elektrodenform

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  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. 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]).
  5. Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Werkstoffkunde. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-17717-0 (google.com [abgerufen am 22. Juni 2016]).
  6. 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]).
  7. H. Behnken, F. Breisig, A. Fraenckel, A. Güntherschulze, F. Kiebitz: Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50945-2 (google.com [abgerufen am 7. Mai 2016]).
  8. 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]).
  9. 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]).
  10. Axel Rossmann: Strukturbildung und Simulation technischer Systeme Band 1: Die statischen Grundlagen der Simulation. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-46766-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 18. November 2016]).
  11. 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]).
  12. 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]).
  13. 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]).
  14. Produktinformation Porzellan C 110. S. 1, abgerufen am 09.04.2017.
  15. 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]).
  16. O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50981-0 (google.at [abgerufen am 9. April 2017]).
  17. AVK-Industrievereinigung Verstärkte Ku: Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-02755-1 (google.at [abgerufen am 9. April 2017]).
  18. physikalische Eigenschaften des Emails. S. 3, abgerufen am 09.04.2017.
  19. Materialspezifikation Quarzglas ilmasil PI. S. 3, abgerufen am 09.04.2017.
  20. Borosilicat-Floatglas von SCHOTT. S. 27, abgerufen am 09.04.2017.
  21. William M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics, Taylor & Francis, ISBN 978-1-4398-2077-3
  22. Al2O3 Aluminiumoxid, technische Hochleistungskeramik. Abgerufen am 9. April 2017 (deutsch).
  23. PC Polycarbonat - Technisches Datenblatt. S. 1, abgerufen am 09.04.2017.
  24. Glasfaserverstärkte GFK-Profile aus Polyester. S. 2, abgerufen am 09.04.2017.
  25. Platten aus PMMA – Acrylglas – Plexiglas. S. 2, abgerufen am 09.04.2017.
  26. Glasfaser-Hartgewebe HGW2372.1 (FR4-HF). S. 1, abgerufen am 09.04.2017.
  27. Polypropylen - MATERIAL ARCHIV. Abgerufen am 9. April 2017 (deutsch).
  28. Werkstoffkennwerte PET (Polyethylenterephthalat). Grünberg Kunststoffe GmbH, S. 1, abgerufen am 09.04.2017.
    1. IndexMetaAuthor#: PET - Polyethylenterephthalat (Mylar®) | Reichelt Chemietechnik. Abgerufen am 9. April 2017.
  29. Helmut Ohlinger: Polystyrol: Erster Teil: Herstellungsverfahren und Eigenschaften der Produkte. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-87890-9 (google.at [abgerufen am 9. April 2017]).
  30. Rotek Hartpapier HP 2061 (Pertinax). Abgerufen am 09.04.2017.
  31. M-Base Engineering + Software GmbH: Material Data Center | Datenblatt RTP PP FR2. Abgerufen am 9. April 2017.
  32. Egon Döring: Werkstoffkunde der Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-13879-2 (google.at [abgerufen am 9. April 2017]).
  33. senodur® PVC Glas - technische Eigenschaften. Abgerufen am 09.04.2017.
  34. (PTFE) Polytetrafluoroethylene Datenblatt. Abgerufen am 09.04.2017.
  35. Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymerisate (ABS) Datenblatt. Abgerufen am 09.04.2017.
  36. Elektr. Durchschlagfestigkeit von Materialien. Abgerufen am 09.04.2017.
  37. Willy Pockrandt: Mechanische Technologie für Maschinentechniker: Spanlose Formung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-99131-8 (google.at [abgerufen am 9. April 2017]).
  38. Giere, S.; Kurrat, M.; Schumann, U.: HV dielectric strength of shielding electrodes in vacuum circuit-breakers