Grundlagen der Materialeignung für elektrische Isolationen nach IEC 60664

Für Isolationsmaterialien in Niederspannungsanwendungen gelten bestimmte Regeln. Diese sind in Normen festgelegt. Die maßgebende Grundnorm ist die IEC 60664, in der für Spannungen bis 1000VAC/1500VDA und Nennfrequenzen bis 30 kHz Mindestanforderungen festgelegt sind.

In der folgenden Aufzählung werden einige wenige Begriffe erläutert, die zu beachten sind, wenn man ein Gerät aus Sicht des Isolationsmaterials konzipiert. Sie sind allesamt in der IEC 60664 erwähnt und ergeben in ihrer Gesamtheit einen spezifischen Anforderungssatz je nach Anwendung und Aufstellungsort des elektrischen Geräts. Wichtig dabei ist, dass es eine ganze Reihe gerätespezifischer Normen gibt, die strengere Vorgaben machen können (z.B. Medizingerätenorm nach EN 60601)!

  • Verschmutzungsgrad
    Jede Verunreinigung mit Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, die dazu führen kann, dass der elektrische Widerstand bzw. die Isolationsfähigkeit einer Trennstrecke reduziert wird, bezeichnet die Norm als Verschmutzung. Es werden insgesamt vier Verschmutzungsgrade unterschieden. Der  Verschmutzungsgrad 4 ist jedoch nicht mehr akzeptabel für Isolierungen, die eine Schutzmaßnahme darstellen.
  • Funktionsisolation
    reine galvanische Trennung zum ordnungsgemäßen Funktionieren des Geräts, kein Berührungsschutz
  • Basisisolierung
    Isolierung zum Schutz vor elektrischem Schlag (kein Schutz bei Single-Fault-Condition) 
  • Doppelte Isolierung
    Isolierung, die aus einer Basisisolierung und einer zusätzlicher Isolierung besteht (Schutz vor Single-Fault-Condition)
  • Zusätzliche Isolierung
    Isolierung zusätzlich zur und unabhängig von der Basisisolierung als weitere Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag (Prinzip der Redundanz bei einem Fehler; Schutz vor Single-Fault-Condition)
  • Verstärkte Isolierung
    Eine einzige Isoliermaßnahme, die aber dem Schutz einer doppelten Isolierung entspricht, meist erzielt durch eine deutlich stärkere Materialdicke
  • Vergleichszahl der Kriechwegbildung CTI
    engl. comparative tracking index – Der CTI-Wert ist ein Maß für die Empfindlichkeit einer Isolationsoberfläche zu einer Kreichwegbildung. Durch Verschmutzung und Feuchtigkeit kann sich ein elektrischer Leitweg bilden, der langfristig den Isolationswerkstoff zerstört.
  • Luftstrecke
    Die kürzeste Strecke zwischen zwei leitfähigen Teilen durch Luft hindurch, maßgeblich hierfür ist die Bemessungsstoßspannung
  • Kriechstrecke
    Die kürzeste Strecke zwischen zwei leitfähigen Teilen entlang eines Feststoffes. Die Länge dieser Strecke ist in der Norm abhängig von dem Verschmutzungsgrad, dem verwendeten Material (cti) und der Überspannungskategorie.
  • Überspannungskategorie
    Es gibt 4 Überspannungskategorien, in denen die höchstmögliche Spitzenspannung im Stromkreis definiert wird. Wesentliches Merkmal auf der Primärseite ist die Nähe zum Versorgungsnetz (Überspannungskategorie II beschreibt Geräte, die an die Hausinstallation angeschlossen werden wie tragbare Werkzeuge u.ä.)
  • Bemessungsstoßspannung
    Die Bemessungsstoßspannung ergibt sich aus Überspannungskategorie und Nennspannungsbereich. Für die gägnige Überspannungskategorie II beträgt die Bemessungsstoßspannung 2,5 kV.
  • Frequenz der Spannung
    Die Spannungsfestigkeit von Isolationsmaterialien ist zum Teil sehr stark abhängig von der Frequenz, mit der Wechselspannung (AC) oder Gleichstrom überlagernde Wechselspannungen betrieben wird. Bei Frequenzen über 100 kHz kann der Einfluß schon mehr als 50% betragen.
  • Relativer Temperaturindex RTI
    Dieser Wert gibt an, bis zu welcher maximalen Dauertemperatur der Werkstoff als Isolation eingesetzt werden darf. Die Normangabe bezieht sich auf eine Betriebsdauer von 20.000 Stunden, die in vielen Fällen jedoch überschritten wird. Materialien mit einem höheren RTI sichern eine längere Lebensdauer zu (Faustformel: 10°C mehr Temperaturbelastbarkeit verdoppelt Lebensdauer)

Diese Aufzählung ist nicht abschließend, gibt aber einen Überblick darauf, wie viele Faktoren bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs zu berücksichtigen sind. CMC Klebetechnik bietet für nahezu jede Kombination aus RTI, CTI, HAI, HWI und Brennbarkeitsklasse eine Lösung.


Überspannungskategorien und Bemessungsstoßspannung in der IEC 60664-1

Umso näher ein Stromanschluß dem sehr niederohmigen (Impedanz) öffentlichen Stromnetz ist, desto größer sind die Kurzschlußströme. Um den Fall von Kurzschlüssen und daraus resulierenden Gefahren für Menschen und Vermögenswerten zu reduzieren, sind Überspannungskategorien definiert worden. Sie fordern höhere Sicherheitsstandards (Luft- und Kriechstrecken, Prüfspannungen), umso näher man am öffentlichen Stromversorgungsnetz anschließt. Isolationen müssen entsprechend der Bemessungsstoßspannung ausgelegt sein, die sich aus Betriebsspannung (Nennspannung) und Überspannungskategorie ergibt:

Spannung
(AC und DC)

Überspannungkategorie und daraus resultierende Bemessungsstoßspannung

 

Cat 1

Cat 2

Cat 3

Cat 4

<150 V

800

1.500

2.500

4.000

<300 V

1.500

2.500

4.000

6.000

<600 V

2.500

4.000

6.000

8.000

bis 1000 V 

4.000 

6.000 

8.000 

12.000 

 

Beispielhafte Luft- und Kriechstrecke für Isolationswerkstoffe der Klasse D (Verwendung in Fahrzeugen, Kapselung nicht möglich) bei 750AC / 900VDC:

  • Luftstrecke 12 mm
  • Kriechweg 17 mm

Wichtig: Bei der Betrachtung geeigneter Isolatiopnsmaterialien kommen weitere Faktoren wie Verschmutzungsklasse und Kriechstromfestigkeit des Materials hinzu!

 

Weitere hilfreiche Informationen finden Sie hier:

Kriechstrom, Teilentladung und frequenzinduzierte Materialermüdung kurz erklärt


Definitionen aus der Norm

Einige Begrifflichkeiten, die in Normen erläutert werden:

Kriechwegbildung:
die fortschreitende Zerstörung der Oberfläche eines festen Isolierstoffes durch die Wirkung örtlicher lektrischer Entladungen unter Ausbildung elektrisch leitfähiger bzw. teilweise elektrisch leitfähiger Pfade (siehe IEC 60050-212-01-42)

Kriechweg:
ein elektrisch leitfähiger oder teilweise elektrisch leitfähiger Pfad, entstanden durch lokale Schädigung der Oberfläche eines Isolierstoffes