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Dünne Luft

Beeinträchtigt die Höhe einen Gerätestecker?

18. Mai 2021, 06:09 Uhr   |  Corinna Puhlmann-Hespen

Beeinträchtigt die Höhe einen Gerätestecker?
© Schurter

2000 m.ü.M. sind schnell erreicht. In Lateinamerika und Asien liegen viele Groß- und sogar Hauptstädte noch deutlich höher. Und in Europa werden Telecom-Basisstationen möglichst hoch platziert, um eine maximale Reichweite und Abdeckung zu erzielen.

2000 Meter. Diese Höhe über Meer stellt die Obergrenze für Anwendungen vieler nach IEC zertifizierter passiver Bauteile dar. Warum das so ist, erklärt ein Ausflug in die Physik – genauer zum Paschen Effekt.

Informationen auf Grundlage eines Whitepaper von Schurter

Normen werden immer unter klar definierten Umgebungsbedingungen festgelegt. Dazu gehören etwa Temperatur und Druck. Die IEC-Normen für Gerätestecker (IEC 60320) oder Filterelemente (IEC 60939) machen hier keine Ausnahme. Auch für sie gelten klar definierte Regeln. Eine solche lautet, dass das zu prüfende Bauteil von Meereshöhe bis hinauf zu 2000 m den Vorgaben zu entsprechen hat, damit es das notwendige Gütesiegel tragen darf. 

Das bedeutet im Gegenzug aber auch, dass die Geräte, in welchen diese Bauteile verbaut sind, nur bis zu diesen 2000 m.ü.M. Anwendung finden dürfen. Bei Anwendungen in größeren Höhen (>2000 m.ü.M.) braucht man einen zusätzlichen Eignungsnachweis für alle verwendeten Komponenten. 

Dünne Luft und Paschens Ergebnisse

Mit zunehmender Höhe über dem Meer nimmt der Luftdruck ab. Weniger Sauerstoff, das Atmen fällt uns Menschen zunehmend schwerer. Diese dünnere Luft hat auch einen Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit in der Elektrotechnik. 

Ende des 19. Jahrhunderts führte Friedrich Paschen, ein deutscher Physiker, Experimente durch, um die Eigenschaften des Lichtbogens bei verändertem Umgebungsdruck zu bestimmen: Er brachte zwei kugelförmige Elektroden in einem konstanten Abstand von 1 cm an. Dann reduzierte er den Umgebungsdruck in Schritten von Meereshöhe (760 mm Hg = 1013 hPa) auf knapp 80'000 m (0,01 mm Hg). Bei jeder gewählten Druckstufe erhöhte er die Spannung über den Elektroden, bis ein Lichtbogen mit niedriger Energie auftrat.

Die Ergebnisse: Auf Meereshöhe sind etwa 30'000 V DC erforderlich, um einen Lichtbogen über dem Elektrodenspalt zu zünden. Bei 15'000 m sinkt der Lichtbogenpegel auf etwa 5'000 V DC. Dementsprechend liegt die ungünstigste Höhe bei 45'000 m, wo nur etwa 300 V DC einen Lichtbogen über die Elektroden erzeugen.

Dieser als „Paschen-Gesetz“ bekannte Effekt beschreibt die Durchschlagsspannung als Funktion des Produktes aus Gasdruck und Elektrodenabstand. 

Korrekturfaktoren

Für Anwendungen oberhalb 2000 m.ü.M. kommen gemäß IEC 60664-1 Korrekturfaktoren für Luft- und Kriechstrecken zur Anwendung. Je nach Anwendungsnorm können diese Werte etwas abweichen.

2000 m. ü. M. wird wichtiger

Wenn Menschen in Lateinamerika und Asien Städte bauen, die deutlich über den vorgegebenen 2000 m.ü.M. stehen, liegt es nahe, dass dort auch moderne elektrische und elektronische Geräte zum Einsatz kommen sollen. Aber auch in Europa spielt die luftige Höhe zunehmend eine Rolle: Wir platzieren etwa Telecom-Basisstationen möglichst hoch, um eine maximale Reichweite und Abdeckung zu erzielen.

China geht hier einen Schritt weiter. Seine Norm „GB 4943.1-2011“ verlangt etwa für Medizintechnik-Geräte eine Eignung für Anwendungen bis 5000 m.ü.M.

Probe aufs Exemple

Schurter machte deswegen die Probe aufs Exempel und hat einige Kombielemente (Power Entry Module) mit Filter durch den VDE für Anwendungen bis 5000 m.ü.M. prüfen lassen. Die Prüfberichte für einige ausgewählte Produkte (DC12, DD12, KFA) sind in der Approval-Datenbank von Schurter abgelegt. Gestützt auf die VDE-Prüfberichte kann das Unternehmen eigene Prüfberichte für die meisten Kombielemente mit und ohne Filter ausstellen. 

Fazit 

Obwohl gemäß IEC-Normen bei Gerätesteckern, Filterelementen und vielen anderen passiven Bauteilen "nur" Anwendungen bis 2000 m.ü.M bestanden werden müssen, lassen sich dennoch auch höhere Hürden meistern. Zum einen kommen da die Korrekturmaßnahmen nach IEC 60664-1 zur Anwendung, zum anderen aber sind besonders hochwertige Produkte oftmals auch bereits mit den nötigen Sicherheitsreserven konstruiert worden.

Hier geht’s direkt zum White Paper von Schurter.

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