Frequenzabhängigkeit der Durchschlagsspannung

Isolationen waren früher vorwiegen niedrigen Frequenzen von unter 30kHz ausgesetzt. Darum sind auch viele Normen maximal auf diese Frequenzen ausgelegt. Doch heute gibt es viel mehr Anwendungen, die im Bereich der „Radiofrequenzen“ arbeiten. Und damit einhergehen neue Anforderungen an die Isolation.

Aus dem Bereich des „Hochfrequenzschweissens“ kennt man den Effekt. Besonders bei der Verarbeitung von PVC und Polyurethan (PU) können mit Hilfe dieser Technik hervorragende Schweißnähte erzeugt werden.
Der technisch-physikalische Hintergrund dazu: Durch ein hochfrequentes Wechselfeld werden durch Ladungsverschiebungen die (polaren) Moleküle mancher Kunststoffe zum Schwingen angeregt. Dieses Schwingen im ständig die Polarität wechselnden Feld erzeugt "mechanische" Arbeit im Material, das sich dadurch bis zum Erweichen erwärmt. Presst man zwei Folien zusammen, kann man so eine sehr gute Schweißnaht erzeugen, ohne von außen Wärmenergie zuführen zu müssen. Die Technik gilt als sehr prozessstabil und flexibel.

Was für die Herstellung von Klarsichthüllen oder LKW-Planen gut ist, wäre bei der Anwendung als elektrische Isolationsfolie ein Desaster. Denn eine Isolationsfolie, die sich im Wechselfeld erwärmt, hat eine schlechtere Spannungsfestigkeit und altert vor allem schneller.

Die allermeisten Datenblätter von Materialien zur Elektroisolation liefern keinen Anhaltspunkt dafür, in welchem Maße die Durchschlagsspannung bei erhöhten Frequenzen sinkt.
Dennoch gibt es technische Angaben, die helfen, ein Isolationsmaterial in seinem Verhalten gegenüber hohen Frequenzen zu beurteilen. Ein wesentlicher Faktor ist dabei der dielektrische Verlustfaktor tan d. Umso kleiner dieser ist, desto weniger stark wird das Material durch ein schnelles Wechselfeld polarisiert und erwärmt. *)

Typische „unpolare“ Materialien (nur Elektronenpolarisation) sind PE, PP, PA, PS und PTFE. So findet man bei sehr hohen Frequenzen im GHz Bereich häufig Isolationen aus PTFE oder PP/PE zum Beispiel an Telekommunikations-Sendemasten.

Wesentlich kritischer sind Kunststoffe mit einem tan d > 0,01 (Orientierungspolarisation der Dipolmomente im Kunststoff). Produkte wie PVC, PU, PA, PET-G, PVDF und PVF sind gut geeignet für das Hochfrequenz-Schweissen. Solche Folien sind dementsprechend bei Frequenzen über 1 MHz kritisch, da sich ihre elektrischen Eigenschaften gegenüber 50Hz-Angaben deutlich ändern. So sinken die Durchschlagspannung und die Alterungsbeständigkeit erheblich. Weitere Beispiele sind Epoxydharze und Phenolharze sowie Kautschukke.

Die sogenannte Ionenpolarisation tritt nur bei Werkstoffen mit Kristallgitter auf (Keramik, Glas, Porzellan, Glimmer) - also den anorganischen Werkstoffen der Hochspannungstechnik.

Leider machen nur wenige Hersteller auf den Umstand der reduzierten Spannungsfestgikeit aufmerksam. Der häufig dennoch mögliche Einsatz von solchen Isolationsfolien gelingt wegen der großen Sicherheitsreserven in den Material- und Gerätenormen. Heute versucht man allerdings an die Grenzen der Leistungsfähgikeit von Isolierstoffen zu gehen - Stichwort "immer kleiner und leistungsfähiger". Diese Entwicklung erhöht die Chance von sporadischen oder systematischen Ausfällen im Feld durch Fehler. Fehlern, die in der Ausgangskontrolle noch nicht entdeckt werden können, weil die Werkstoffe noch ungealtert sind.

Einige typische tan d Werte (Angaben bei über 1 MHz sind sehr selten zu finden):

Material              Dielektr. Verlustfaktor

                             50 Hz                     1 MHz

PTFE                       0,0005                   0,0007
PS                           0,0009                   0,0005
PP                           0,0025                   0,0035
PE                           0,002                      0,002
PI                            0,003                      0,011
PEEK                        -                              0,03
PET                          0,02                         0,21
PVC                         0,12                         0,3
PVDF                       0,49                         1,7
PA (luftfeucht)          3,9                           1,3

 

Neben hohen Wechselfrequenzen mit Sinusform entstehen z.B. bei der Ansteuerung von Motorwicklungen mit Pulsweitenmodulation (PWM) auch eine sehr steile dU/dt Flanken. Zerlegt man diese per Fourier-Analyse, erhält man sehr hohe Frequenzen. Ausserdem beinhaltet die Sprungantwort von Systemen aus parasitäten Kapazitäten und Induktivitäten für solche Flanken meistens einen deutlichen Überschwinger. Dieser kann die Teilentladungs-Einsetzspannung erreichen und führt über diesen Mechanismus zur langsamen Zerstörung der Isolation.

*) Neben der Erwärmung durch die induzierte Leistung im Werkstoff führt ein weiteres Phänomen zu der akuten Reduktion der Spannungsfestigkeit bei hohen Frequenzen. Die an den jeweiligen Elektroden entstehenden Raumladungen können bei ausreichend hoher Frequenz nicht mehr komplett durch den Nulldurchgang der Wechselpsannung abgeführt werden. Dies führt zu einer Überhöhung der Feldstärke und damit zu einer geringeren Belastbarkeit des Isolierwerkstoffes.

Konstruktionen mit scharfen Ecken oder Kanten (oder metallische Verunreinigungen) erhöhen durch die Feldlinienkonzentration zusätzlich die Feldstärke.

Spannungsfestigkeit in Abhängigkeit von der Prüfelektrode und Einbettungsmaterial

Am Beispiel von Hostaphan (Polyesterfolie) 190µm
(Elektrode jeweils 25mm Platte gegen 50 mm Platte und 50Hz)

  • in Luft: 150 V/µm
  • in Trafoöl: 70 V/µm
  • DC an Luft: 440 V/µm