Durchschlagsfestigkeit: Luft, SF6, Öl und Vakuum in Zahlen

Die Durchschlagsfestigkeit ist die elektrische Feldstärke, bei der ein Isoliermedium seine isolierende Wirkung verliert und ein leitender Kanal entsteht. Sie wird in Kilovolt pro Millimeter angegeben und gilt für Gase, Flüssigkeiten, Vakuum und Feststoffe gleichermaßen. Die Durchschlagsfestigkeit von Luft beträgt unter Standardbedingungen, also bei 20 °C und Normaldruck, etwa 3 kV/mm bei 1 cm Elektrodenabstand; Feuchtigkeit, Luftdruck, Temperatur und vor allem der Abstand selbst verändern diesen Wert, bei 1 mm sind es schon rund 4,3 kV/mm (Wikipedia, Durchschlagfestigkeit). SF6 hält mehr als 8 kV/mm, Transformatorenöl 5 bis 30 kV/mm, Hochvakuum 20 bis 40 kV/mm. Dieser Beitrag liefert die Tabelle für Luft nach Abstand, das Paschen-Gesetz in Zahlen, den Einfluss von Höhe und Feuchte, den Vergleich der Medien und die Luftstrecken nach DIN EN 60664-1, aus denen wir die Isoliermaterialien für Ihre Spannungsklasse ableiten.

Durchschlagsfestigkeit von Luft: die Tabelle nach Abstand

Der Wert 3 kV/mm ist kein Naturgesetz, er gilt für einen Zentimeter Abstand zwischen zwei großen, glatten Elektroden. Je kleiner der Spalt, desto mehr Feldstärke verträgt die Luft, je größer der Spalt, desto weniger. Die Tabelle zeigt die Durchschlagspannung im homogenen Feld bei 20 °C und 1.013 mbar, berechnet nach der Näherungsformel, die Wikipedia und das Hochspannungsskript der TU Darmstadt übereinstimmend angeben (Ed ≈ 24,4 kV/cm plus 6,7 kV/cm geteilt durch die Wurzel des Abstands in cm). Die erste Zeile stammt aus der Paschen-Kurve.

Sobald eine Elektrode gekrümmt ist, bricht der Wert ein. Zwischen zwei Spitzen springt der Funke schon bei 1 kV (elektronik-kompendium). Eine Kugel-Platte-Anordnung mit 70 cm Abstand schlägt bei positiver Gleichspannung mit 315 kV durch, das sind 0,45 kV/mm, und die Kennlinie einer Stab-Platte-Strecke steigt mit knapp 5 kV/cm an (TU Darmstadt). Wer in der Auslegung mit 3 kV/mm rechnet, rechnet mit einer Laboranordnung, die es im Gerät nicht gibt. Wir raten dazu, für Kanten, Drahtenden und Schraubenköpfe mit 0,5 kV/mm zu planen und den Rest der Normtabelle weiter unten zu überlassen. Die Grundlagen der elektrischen Feldstärke an Spitzen und Kanten stehen in einem eigenen Beitrag.

Das Paschen-Gesetz erklärt, warum Luft bei kleinen Abständen stärker ist

Friedrich Paschen fand 1889, dass die Durchschlagspannung eines Gases im homogenen Feld allein vom Produkt aus Druck und Elektrodenabstand abhängt. Halbiert man den Abstand und verdoppelt den Druck, bleibt die Durchschlagspannung exakt gleich (TU Darmstadt). Die Formel setzt Ud ins Verhältnis zum Produkt p·d; für Luft bei 20 °C gibt der ZVEI die Konstanten A = 1.130 je mm und B = 27,4 kV/mm an (ZVEI, Leitfaden Teilentladungs-Messung, 2024).

Trägt man die Kurve auf, fällt sie zuerst und steigt dann wieder. Das Minimum liegt für Luft bei 327 V und 7,5 µm Abstand unter Normaldruck (Wikipedia, Paschen’s law), gemessen 330 bis 350 V bei 7,3 bar·µm (TU Darmstadt). Links vom Minimum finden die Elektronen auf dem kurzen Weg zu wenige Moleküle zum Ionisieren, deshalb steigt die Spannung wieder an. Daraus folgen drei Regeln, die in jedem Gerät gelten:

• Unter rund 330 V Scheitelspannung gibt es in Luft keinen Durchschlag, egal wie klein der Spalt ist. Der ZVEI nennt 300 V als theoretische Schwelle für Teilentladungen und hält sie unterhalb von 500 V für unwahrscheinlich.
• Über dieser Schwelle wird jeder Luftspalt in einer Wicklung zur Entladungsstrecke. Bei 800-V-Antrieben liegt die Beanspruchung am Umrichter weit darüber, wie der Beitrag zur Koronaentladung zeigt.
• Ein Spalt von 1 cm erreicht sein Minimum bei 0,73 mbar. Ein schlechtes Vakuum ist deshalb der schlechteste Isolator, den es gibt, ein gutes Vakuum einer der besten. Für SF6 liegt das Minimum bei 507 V, für Argon bei nur 94 bis 265 V (TU Darmstadt).

Höhe, Luftdichte, Temperatur und Feuchte verschieben den Wert

Die Durchschlagspannung einer Luftstrecke ist im homogenen und schwach inhomogenen Feld proportional zur relativen Luftdichte. Die TU Darmstadt gibt dafür δ = 0,289 mal Druck in mbar geteilt durch (273 plus Temperatur in °C) an, und IEC 60060-1 schreibt genau diese Korrektur für jede Durchschlagsmessung in Luft vor. Dünnere Luft hält weniger: Der ZVEI rechnet vor, dass eine Strecke mit 1.000 V Durchschlagspannung auf Meereshöhe bei 4.000 m (616 hPa, 9 °C) nur noch 630 V hält. DIN EN 60664-1 legt deshalb 2.000 m als Standard-Einsatzhöhe fest und multipliziert die Luftstrecken darüber mit den Höhenkorrekturfaktoren der Tabelle A.2 (WAGO, Technischer Anhang):

• 3.000 m: Faktor 1,14
• 4.000 m: Faktor 1,29
• 5.000 m: Faktor 1,48
• 10.000 m: Faktor 3,02

Im homogenen Feld und bei kurzen Strecken ist der Einfluss der Feuchte vernachlässigbar, deshalb kennt IEC 60060-1 dort keine Feuchtekorrektur. Erst bei langen inhomogenen Strecken steigt die Durchschlagspannung mit der absoluten Feuchte, weil Wassermoleküle freie Elektronen einfangen. Messungen des SEV zeigen das: Bei 150 mm Spitze-Spitze ändert die Feuchte nichts, bei 600 mm steigt die Durchschlagspannung von 191 kV auf 232 kV, wenn die Luft von trocken auf die Normfeuchte von 11 g/m³ geht (Bulletin SEV 1970). Für Isolierteile im Gerät heißt das: Feuchte hilft nicht, sie schadet über den Kriechstrom an der Oberfläche, lange bevor die Luftstrecke betroffen ist.

SF6, Vakuum, Öl und Feststoffe im Vergleich

Jede Zahl hat eine Prüfbedingung, ohne Abstand, Druck und Elektrodenform ist kein Wert vergleichbar. Die Tabelle nennt deshalb beides.

SF6 ist elektronegativ, es fängt freie Elektronen ein, bevor eine Lawine entsteht. Bei 2 bis 3 bar erreicht es die Festigkeit von Isolieröl, gasisolierte Schaltanlagen laufen mit rund 7 bar (TU Darmstadt, TU Graz). Wegen des Treibhauspotenzials von 23.500 CO2-Äquivalenten (energiewende.eu) verbietet die EU ab 2028 neue SF6-Anlagen zwischen 52 und 145 kV, der Ersatz ist trockene Luft bei 8 bar mit nur 3,5 kV/mm (TU Graz). Im Vakuum beginnt der Durchschlag als Feldemission an Mikrospitzen der Elektroden, praktisch bei rund 10 kV/mm mittlerer Feldstärke (Wikipedia, Spannungsdurchschlag). Die Festigkeit wächst mit dem Abstand nur degressiv, deshalb bleibt der Vakuumschalter eine Mittelspannungstechnik (TU Braunschweig).

Öl ist das einzige Medium, dessen Durchschlagsfestigkeit im Betrieb regelmäßig gemessen wird: zwei Kalottenelektroden mit 2,5 mm Abstand, Spannungsanstieg 2 kV/s, sechs Durchschläge, Mittelwert (Oelcheck, IEC 60156). Wasser und Partikel drücken den Wert von 70 kV auf 30 kV und weniger (SD Myers). Für Feststoffe gilt derselbe Vorbehalt in verschärfter Form: Eine 40-µm-Polyesterfolie erreicht 160 kV/mm, eine 1-mm-Platte aus Polyamid nur 15 kV/mm. Der Werkstoffkennwert in kV/mm mit der großen Tabelle für Folien, Papiere, Laminate und Pressspan steht im Beitrag zur elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Die Spannung in kV, bei der ein konkretes Teil tatsächlich durchschlägt, behandelt der Beitrag zum Spannungsdurchschlag.

Durchschlagsfestigkeit messen: Funkenstrecke, Ölbecher, Plattenelektrode

Für jedes Medium gibt es ein eigenes Verfahren, und sie sind nicht austauschbar.

1. Luft wird mit der Kugelfunkenstrecke nach IEC 60052 gemessen: zwei Kugeln von 2 bis 200 cm Durchmesser in definiertem Abstand, jeder Tabellenwert bezogen auf 20 °C und 1.013 hPa, abweichende Luftdichte korrigiert mit dem Faktor δ nach IEC 60060-1. Bei 1 cm Schlagweite liegt der Durchschlag bei rund 30 kV.
2. Öl wird im Prüfbecher nach IEC 60156 gemessen, mit 600 ml Probe und Elektroden 40 mm unter der Oberfläche (Oelcheck).
3. Feststoffe werden nach IEC 60243-1 zwischen zwei Zylinderelektroden von 25 mm und 75 mm Durchmesser mit 3 mm Kantenradius geprüft, bei 48 bis 62 Hz, meist unter Transformatorenöl, damit nicht die Luft am Elektrodenrand vorher durchschlägt. Die Norm weist selbst darauf hin, dass die Festigkeit mit Dicke und Beanspruchungsdauer sinkt (IEC 60243-1:2013).
4. Ein fertiges Bauteil wird nicht bis zum Durchschlag geprüft, es muss eine Prüfspannung eine Minute lang aushalten. Das ist die Spannungsfestigkeit, eine Prüfgröße in kV und kein Werkstoffwert.

Ein häufiger Einwand lautet, der Datenblattwert reiche für die Auslegung. Er reicht nicht. Der Datenblattwert gilt nur im Neuzustand, meist mit 500 V/s Spannungsanstieg gemessen, und die Wärmeklasse nach IEC 60085 markiert genau den Punkt, an dem ein Werkstoff nach 20.000 Stunden noch die Hälfte seiner Durchschlagspannung hat (ZVEI, Isolations-Merkblatt Nr. 1, 2024). Wer die Reserve nicht einplant, hat sie nach zweieinhalb Jahren bei Maximaltemperatur aufgebraucht.

Luftstrecken nach DIN EN 60664-1: die Durchschlagsfestigkeit als Konstruktionsmaß

In Geräten bis 1.000 V AC und 1.500 V DC rechnet niemand die Paschen-Kurve nach. Die Isolationskoordination nach DIN EN IEC 60664-1 übersetzt sie in Mindestmaße: Die Überspannungskategorie des Geräts (I bis IV) und die Netzspannung ergeben die Bemessungsstoßspannung (Tabelle F.1), Verschmutzungsgrad und Feldform ergeben daraus die Mindestluftstrecke (Tabelle F.2). Die Kriechstrecke entlang der Isolierstoffoberfläche folgt separat aus Arbeitsspannung, Verschmutzungsgrad und Isolierstoffgruppe (Tabelle F.4). Die Werte gelten bis 2.000 m Höhe (DKE, DIN EN IEC 60664-1:2022).

Werte für Verschmutzungsgrad 1 bis 3 nach Tabelle F.2 (WAGO, Technischer Anhang; Weidmüller, Bemessung der Luft- und Kriechstrecken). Jetzt wird sichtbar, wie viel Reserve die Norm auf die Physik legt. 0,6 mm Luft halten im homogenen Feld nach der Paschen-Formel rund 3 kV, Fall B liegt also dicht am Messwert. Fall A verlangt für dieselben 2,5 kV 1,5 mm, das sind knapp 7 kV nach Paschen, ein Faktor 2,7. Diese Reserve ist der Preis für Kanten, Grate, Staub und Betauung, und sie ist noch ohne den Höhenfaktor gerechnet. Die Kriechstrecke kommt oben drauf: Für 400 V bei Verschmutzungsgrad 2 sind es 2,0 mm mit einem Isolierstoff der Gruppe I, 2,8 mm mit Gruppe II und 4,0 mm mit Gruppe III (Weidmüller). Wie die Isolierstoffgruppe aus dem CTI folgt, steht beim Kriechstrom, die Messung des Wegs selbst beim Kriechweg.

Unsere Empfehlung für die Auslegung: Nehmen Sie Fall A, auch wenn die Geometrie homogen aussieht, denn das erste Stanzteil mit Grat macht sie inhomogen. Rechnen Sie über 2.000 m mit Tabelle A.2. Und planen Sie Alterung ein, denn EN 61558 verlangt für Transformatoren ausdrücklich vergrößerte Luft- und Kriechstrecken gegen alterungsbedingte Durchschläge (ZVEI, Isolations-Merkblatt Nr. 1).

Wo die Luftstrecke nicht in den Bauraum passt, übernimmt das Isolierteil

Im Elektromotor gibt es die 3 mm aus der Tabelle nicht. Bei einer Hairpin-Wicklung ist die Nutöffnung nur etwa 0,4 mm breiter als der Draht, und im Wickelkopf liegen die Leiter verschiedener Phasen bei 800 V Zwischenkreisspannung dicht nebeneinander (Beitrag Hairpin-Wicklung). An solchen Stellen ersetzt feste Isolierung die Luft, die Norm prüft sie mit Stoßspannung statt mit einem Abstand. Aramidpapier erreicht je nach Dicke 18 bis 40 kV/mm (Beitrag Statorisolation). Ein Phasentrenner aus 0,25 mm Nomex trägt damit über 4 kV, dieselben 0,25 mm Luft nach der Paschen-Formel rund 1,6 kV. Gleichzeitig verlängert das Teil die Kriechstrecke zum Blechpaket um seine gesamte Höhe.

Die Kante des Isolierteils ist dabei eine elektrische Eigenschaft: Ein Grat oder eine ausgefranste Schnittkante wirkt wie die Spitze aus der Tabelle oben. Deshalb fertigen wir Nutisolationen, Phasentrenner, Deckschieber und Abdeckungen im Bandstahlschnitt oder mit Vollstahlwerkzeug in Dicken von 0,023 bis 3,0 mm und bis 1.000 x 2.000 mm, aus Nomex, Kapton, Mylar, Hostaphan, Pressspan und NMN- oder DMD-Laminaten. Schnittrollen für die Nutisolation liefern wir in Breiten von 5 bis 1.600 mm mit plus minus 0,1 mm, typische Nutisolationen sind 0,18 bis 0,35 mm stark. Für Antriebe in der Elektromobilität legen wir Werkstoff, Dicke und Kantenführung auf die Zwischenkreisspannung aus. Schicken Sie uns Zeichnung, Spannungsklasse und Einsatzhöhe, dann erhalten Sie den Vorschlag aus unseren Isolierteilen und Formteilen mit dem passenden Kennwert.

FAQ zur Durchschlagsfestigkeit

Wie hoch ist die Durchschlagsfestigkeit von Luft bei 1 mm, 1 cm und 1 m?

Im homogenen Feld bei 20 °C und Normaldruck hält 1 mm Luft rund 4,3 kV, 1 cm rund 30 kV und 10 cm rund 260 kV, also 4,3, 3,0 und 2,6 kV/mm. Über einen Meter und bei gekrümmten Elektroden fällt der Wert auf 0,1 bis 0,5 kV/mm, weil der Durchschlag dann über Streamer und Leader läuft.

Was besagt das Paschen-Gesetz?

Das Paschen-Gesetz sagt, dass die Durchschlagspannung eines Gases nur vom Produkt aus Druck und Elektrodenabstand abhängt. Die Kurve hat ein Minimum: Für Luft liegt es bei 327 V und 7,5 µm Abstand unter Normaldruck. Unterhalb dieser Spannung schlägt Luft nie durch, egal wie klein der Spalt ist.

Wie ändert sich die Durchschlagsfestigkeit von Luft mit der Höhe?

Sie sinkt proportional zur Luftdichte. Eine Luftstrecke mit 1.000 V Durchschlagspannung auf Meereshöhe hält bei 4.000 m nur noch rund 630 V. DIN EN 60664-1 verlangt deshalb über 2.000 m größere Luftstrecken, bei 4.000 m um den Faktor 1,29, bei 5.000 m um 1,48 und bei 10.000 m um 3,02.

Warum isoliert SF6 besser als Luft?

SF6 ist elektronegativ und fängt freie Elektronen ein, bevor sie eine Lawine auslösen. Seine Durchschlagsfestigkeit liegt bei rund 8,8 kV/mm je bar, etwa dreimal so hoch wie bei Luft, und bei 2 bis 3 bar erreicht es die Festigkeit von Isolieröl. Wegen des Treibhauspotenzials von 23.500 CO2-Äquivalenten ersetzt die Energietechnik SF6 zunehmend durch trockene Luft bei 8 bar.

Welche Luftstrecke braucht ein Gerät am 230-V-Netz?

Nach DIN EN 60664-1 hängt das von der Überspannungskategorie ab. Ein Haushaltsgerät der Kategorie II hat 2,5 kV Bemessungsstoßspannung und braucht 1,5 mm Luftstrecke im inhomogenen Feld, ein fest installiertes Gerät der Kategorie III mit 4 kV braucht 3,0 mm, ein Betriebsmittel an der Einspeisung mit 6 kV braucht 5,5 mm.

Worin unterscheiden sich Durchschlagsfestigkeit, Durchschlagspannung und Spannungsfestigkeit?

Die Durchschlagsfestigkeit ist eine Feldstärke in kV/mm und beschreibt das Medium oder den Werkstoff. Die Durchschlagspannung ist die Spannung in kV, bei der ein konkretes Teil mit seiner Dicke tatsächlich durchschlägt. Die Spannungsfestigkeit ist eine Prüfgröße: die Spannung, die ein Bauteil im Test eine Minute lang ohne Durchschlag aushalten muss. Ein Werkstoff mit 20 kV/mm hat bei 2 mm Dicke eine Durchschlagspannung von 40 kV, geprüft wird er weit darunter.