Teilentladung Auch bei Niederspannung

Bislang galt: Teilentladungen (Partial Discharge) sind alleine ein Problem der Hochspannungstechnik. Doch das hat sich mittlerweile geändert. Warum? Und was kann man dagegen tun?

Nach Unterlagen von CMC Klebetechnik.

Neben den elektrischen Leitungen enthält jedes elektrisch betriebene Gerät auch Isolationsmaterial. So besteht ein Elektromotor nicht nur aus »Eisen« und Kupfer, sondern auch aus Isolationslack auf den Drähten und Isolationsmaterial in den Nuten, an den Wickelköpfen und so weiter.

Lange Zeit galt grob die Trennung zwischen den »Niederspannungsmaschinen und Geräten« bis 400 V Wechselspannung und den Hochspannungsanlagen über 15 kV. Doch diese Trennung verliert zunehmend ihre Geltung. Photovoltaikfelder, Traktionsantriebe in Fahrzeugen und z. B. elektrische Pufferspeicher im Megawatt-Bereich tragen die Problematik der Teilentladungen auch in die Niederspannung hinein.

Teilentladungen (TE) sind elektrische Entladungen an Fehlstellen, Inhomogenitäten und ungewollten Feldkonzentrationen. Sie werden in Coulomb (C) gemessen, wobei für Teilentladungen 1 pC bis 10.000 pC üblich sind. Sie entstehen ab etwa 400 V(AC). Diese Teilentladungen schädigen mittelfristig übliche Isolationsmaterialien der Niederspannungstechnik, wobei die aus Erfahrung gewonnene Regel gilt, dass Entladungen unter 10 pC den Isolierstoff nicht schädigen.

Da die Teilentladungsmessung – sei es über Impulseinspeisung oder elektromagnetische Messung per Antenne – zerstörungsfrei ist, setzen viele Unternehmen sie gerne für die Serienprüfung ein. Das Prinzip ist recht einfach: Man erstellt einen möglichst fehlerfreien, TE-freien Prototypen. In der Serie vergleichen die Hersteller dann die Teilentladung der produzierten Geräte mit den Messergebnissen des Prototyps.

Schwierig ist die Interpretation einzelner Messungen bei Teilentladung. Die Ursachen sind vielfältig und von vielen Parametern abhängig. In Feststoffen können sich Kanäle ausbilden (Treeing), Gleitentladungen auf der Oberfläche entstehen, Entladungen innerhalb von mehrschichtigen Isolierstoffen auftreten oder Coronaentladungen an Kanten und Spitzen zu Teilentladung führen. Auch Hohlraumentladungen in Lunkern und Lufteinschlüssen führen zu solchen Phänomenen. Die Frequenz, die Lage des TE-Impulse (in der positiven oder negativen Halbwelle, im Scheitel oder eher zum Nulldurchgang hin) und die Dauer können Hinweise darauf geben, welche Ursache die Teilentladung hat.

Aufgrund der sehr kurzen Anstiegszeit ist die Spannungshöhe in einem weiten Bereich linear. Zum Messen der »Scheinbaren Ladung« nutzen Prüfingenieure daher einen schmalen Frequenzbereich, in dem keine Störer (z. B. Rundfunksender) vorhanden sind. Bei kleineren Prüflingen können sie das Frequenzband für die Messung bis in eine Höhe von einige hundert MHz wählen. Bei großen Verteiltrafos ist dagegen schon nach einigen hundert kHz die Dämpfung des TE-Impulses zu hoch. Bei schmalbandigen Messgeräten entspricht 1 pC einer Spannung von nur circa 0,7 µV, was den hohen Aufwand bei der Ermittlung korrekter Werte verdeutlicht.

Teilentladungen vermeiden

Teilentladungen lassen vor allem durch konstruktive Maßnahmen vermeiden. Wie aus der Hochspannungstechnik bekannt, sind Konstruktionselemente zu vermeiden, die eine Feldkonzentration bewirken (Spitzen, Kanten). Ein größerer Abstand reduziert auch die Gefahr einer TE genauso wie das möglichst vollständige Vergießen. Der Einsatz von »Glimmerband« (anorganische Materialien widerstehen einer Teilentladung erheblich besser) oder anorganisch verstärkte Kunststoffe (z. B. Glasfasern, Al2O3) erhöhen die Lebensdauer der Isolationsmaterialien, wenn Teilentladung nicht vollständig zu vermeiden ist.

Frequenzumrichter, Motoransteuerungen, Wechselrichter und andere Einrichtungen mit nicht-sinusförmiger Spannung geraten mit steigender Leistung und Leistungsdichte immer mehr in den Bereich, in dem Teilentladung sehr leicht auftreten kann. Ein Radnabenmotor mit 20 kW kann einfach nicht mehr mit Spannungen unter 360 V betrieben werden, er würde aufgrund des benötigten Kupferquerschnitts zu schwer werden. Daher müssen sich heutige Entwicklungsingenieure mehr denn je damit beschäftigen, auf was für eine Art und Weise die Isolationsmaterialien in ihren Konstruktionen belastet werden. Weitergehende Informationen zu den Versagensgründen von Isolationen findet man hier.