Isolationsmaterialien Was beeinflusst elektrische Durchschläge?

Geräte werden heute unter der Maxime »kleiner, schneller, leistungsfähiger« konstruiert. Das geht oft zulasten der elektrischen Isolierung, sodass diese immer häufiger versagen kann. Welche physikalischen Mechanismen spielen da eine Rolle, und wie lässt sich dem abhelfen?

von Gerald Friederici, Anwendungsberater bei CMC Klebetechnik.

Die Durchschlagsspannung in Datenblättern verrät dem Ingenieur, bei welcher Spannung ein Isolationsmaterial versagt. Stillschweigend wird vorausgesetzt, dass dieser weiß, dass dieser Wert nur im Neuzustand gültig ist. Für die Durchschlagprüfung kommt meistens ein Spannungsanstieg von 500 V/s zum Einsatz. Die Durchschlagsspannung wird dann normiert auf die Dicke z. B. in kV/mm angegeben.

Doch dieser Wert verringert sich im Laufe der Einsatzzeit immer mehr. Eine Vielzahl von Faktoren beeinträchtigt die Isolationsfähigkeit eines Werkstoffes, weswegen es je nach Anwendung auch nicht reicht, einen einzelnen Einflussfaktor zu betrachten. Vielmehr muss ein Entwickler die Summe aller Belastungen im konkreten Fall zusammengefasst in ihren Auswirkungen berücksichtigen. Was sind die wichtigsten Einflussfaktoren?

Ganz allgemein ist festzustellen: Je höher die Temperatur, desto stärker wirken u. a. korrosive und oxidative Einflüsse aus der Umgebungsluft. Oder noch allgemeiner gesagt, altert mit steigender Temperatur ein System immer schneller, wobei die meisten Prozesse der sogenannten Arrhenius-Kurve gehorchen. Als Faustregel aus der Elektronik gilt: Je 10 K Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebensdauer.

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 Isolationsmaterialen nach 20.000 Stunden noch 50 % der Durchschlagsspannung aufweisen, die sie im Neuzustand hatten. Etwas anders formuliert bedeutet dies, dass ein Material nach nicht einmal zweieinhalb Jahren Gebrauch bei maximaler erlaubter Temperatur die Hälfte seiner Schutzfunktion gegen einen elektrischen Schlag eingebüßt hat – und dies alleine durch thermische Alterung. Ist also bei einer gegebenen Arbeitstemperatur eine höhere Lebensdauer gefordert, muss man zu einem Isolationsmaterial mit höherer Wärmeklasse greifen. Das übliche End-of-Life-Kriterium der halben Durchschlagsspannung wird auf diese Weise viel später erreicht (Bild 1). Bezüglich der maximal auftretenden Wärme sollte man u. a. auch Wärmestaus innerhalb von Wicklungen, Stromdichteanstieg an Ausleitungen, höchste mögliche Umgebungstemperatur sowie gegebenenfalls gelegentlich auftretende Fehlfunktionen mit in Betracht ziehen.

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