Werkstoffe Vier Versagensgründe für Isolationen

Die Durchschlagspannung in Datenblättern gibt dem Ingenieur an, bei welcher Spannung ein Isolationsmaterial versagt. Verschwiegen wird dabei, dass dieser Wert nur im „Neuzustand“ Gültigkeit besitzt.

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Zur Prüfung des Durchschlagens durch den Isolationswerkstoff hindurch wird in den meisten Normen ein Spannungsanstieg von 500 V/s verwendet. Die Durchschlagsspannung wird dann normiert auf die Dicke als z.B. kV/mm angegeben.

Doch dieser Wert verringert sich im Laufe der Einsatzzeit. Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Isolationsfähigkeit eines Werkstoffes negativ. Darum reicht es – je nach Anwendung – auch nicht, den einzelnen Einflussfaktor zu betrachten. Man muss vielmehr die Summe aller Belastungen im konkreten Fall zusammengefasst in ihren Auswirkungen abschätzen.

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Im Folgenden soll versucht werden, anhand der am häufigsten vorkommenden Belastungsarten einen Eindruck zu gewinnen, worauf man achten sollte:

Einfluss der Temperatur

Ganz allgemein kann man sagen: umso höher die Temperatur, desto stärker werden u.a. korrosive und oxidative Einflüsse der Umgebungsluft wirksam. Oder noch allgemeiner gesagt erhöht sich mit steigender Temperatur die Geschwindigkeit der Alterung, wobei die meisten Prozesse der sogenannten Arrhenius-Kurve gehorchen.

Als Daumenregel aus der Elektronik rechnet man vereinfacht mit einer Halbierung der Lebensdauer je 10°C Temperaturerhöhung.

Isolationsmaterialien werden über Normen wie die IEC 60085 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 Durchschlagspannung haben, die sie im Neuzustand hatten.

Etwas anders formuliert bedeutet dies, dass ein Material nach nur zweieinhalb Jahren Einsatz bei maximaler erlaubter Temperatur die Hälfte seiner Schutzfunktion gegen einen elektrischen Schlag eingebüßt hat.

Will man also bei einer gegebenen Arbeitstemperatur eine höhere Lebensdauer erzielen, setzt man ein Isolationsmaterial einer höheren Wärmeklasse ein. Das übliche End-life-Kriterium der „halbierten Durchschlagsspannung“ wird auf diese Weise viel später erreicht (Bild 1).

Bezüglich der maximal auftretenden Wärme sollte man u.a. auch Wärmestaus innerhalb von Wicklungen, höchste mögliche Umgebungstemperatur sowie ggf. gelegentlich auftretende Fehlfunktionen mit in die Betrachtung aufnehmen.

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