Die elektrische Durchschlagsfestigkeit ist die maximale elektrische Feldstärke, die ein Isolierstoff aushalten kann, bevor ein Durchschlag eintritt. Die Einheit ist Kilovolt pro Millimeter (kV/mm), gemessen wird nach IEC 60243 an einer Probe definierter Dicke. Eine 25 µm dünne Polyimidfolie Kapton HN erreicht 303 kV/mm (DuPont, Datenblatt QE-10206), eine PVC-U-Platte von 0,6 mm 40 kV/mm (Kern, Datenblatt 2690), Luft rund 3 kV/mm. Dieser Beitrag zeigt, wie der Wert im Datenblatt entsteht, stellt die Isolierstoffe von PET-Folie bis Mikanit mit Prüfdicke in einer Tabelle nebeneinander, erklärt, warum der Wert mit der Dicke fällt, und leitet daraus ab, welche Dicke ein Isolierteil aus unseren Isoliermaterialien wirklich braucht.
Rechner für Feldstärke und Isolierdicke
Feldstärke aus Spannung und Dicke berechnen (E = U / d) und mit dem Datenblattwert des Werkstoffs vergleichen, oder die Mindestdicke für eine Dauerfeldstärke ermitteln.
Kurzzeitwerte aus Herstellerdatenblättern (DuPont, Mitsubishi Polyester Film, Kern, Centroplast, Moeschter Group, Müller Ahlhorn, Hesselmann), Dauerempfehlungen für Transformatoren aus den DuPont-Datenblättern Nomex 410 und 418. Der Rechner ersetzt keine Auslegung und keine Prüfung.
Durchschlagsfestigkeit, Durchschlagspannung und Spannungsfestigkeit sind drei Größen
Die Durchschlagsfestigkeit Ed ist ein Quotient: Durchschlagspannung Ud geteilt durch den Elektrodenabstand d, bei festen Isolierstoffen also die Probendicke (IEC 60243-1). Eine 100 µm dicke Polyesterfolie schlägt nach Katalog bei 11,75 kV durch (Schupp, Mylar A und Hostaphan RN), das sind 117 kV/mm. Die Spannung in kV ist eine Eigenschaft der Probe oder des Bauteils, der Wert in kV/mm eine Eigenschaft des Werkstoffs bei dieser Dicke. Das Ereignis selbst, seine Mechanismen und die Durchschlagspannung von Luftstrecken behandelt der Beitrag zum Spannungsdurchschlag.
Zwei Nachbarbegriffe werden im Alltag damit vermischt. Die Spannungsfestigkeit ist die Prüfspannung, die ein fertiges Bauteil, Kabel oder Gerät in der Stückprüfung aushalten muss, sie steht in kV und folgt aus Gerätenormen. Die Durchschlagsfestigkeit als physikalische Größe gilt für alle Medien, auch für Luft, SF6, Öl und Vakuum mit dem Paschen-Gesetz. Dieser Beitrag bleibt beim festen Isolierstoff. Wie Spannung und Abstand die elektrische Feldstärke bestimmen, steht in einem eigenen Beitrag.
Messung nach IEC 60243: so entsteht der Wert im Datenblatt
Die Normenreihe IEC 60243 hat drei Teile. Teil 1 (DIN EN 60243-1, VDE 0303-21) regelt die Prüfung bei technischen Frequenzen von 48 bis 62 Hz, Teil 2 die Gleichspannung, Teil 3 die Stoßspannung mit der Welle 1,2/50 µs (DKE, DIN Media). Ältere Datenblätter nennen DIN 53481 oder VDE 0303 Teil 2, amerikanische Datenblätter ASTM D149 mit dem Ergebnis in V/mil. Alle Verfahren laufen nach demselben Muster:
- Die Probe lagert vor der Prüfung im Normalklima 23 °C und 50 % relative Feuchte, bei Prüflaboren üblich 24 Stunden (Measurlabs, Hanser).
- Die Probe liegt zwischen zwei Metallelektroden. Die Norm sieht als Standard zwei koaxiale Zylinder von 25 mm und 75 mm Durchmesser mit 3 mm Kantenradius vor, nach DIN war Kugel 20 mm gegen Platte 50 mm (K20/P50) üblich (IEC 60243-1, Hanser Werkstoff-Führer).
- Proben über etwa 2 mm und alle Messungen mit hoher Spannung finden in Transformatorenöl statt, damit der Strom durch die Probe geht und nicht über die Oberfläche überschlägt (Intertek, Hanser).
- Die Wechselspannung steigt von null gleichmäßig an, so schnell, dass der Durchschlag nach 10 bis 20 Sekunden eintritt (Hanser, DuPont Nomex 410). Daneben kennt die Norm Stufenprüfungen und langsame Anstiege bis 600 s (IEC 60243-1).
- Geprüft werden fünf Proben. Weicht ein Wert mehr als 15 % vom Median ab, kommen fünf weitere dazu. Im Datenblatt steht der Median, geteilt durch die gemessene Dicke (Measurlabs).
Die Norm selbst setzt dem Wert eine Grenze. IEC 60243-1 schreibt, dass die Ergebnisse Abweichungen aus Fertigung und Alterung sichtbar machen, aber „not intended for use in evaluating the behaviour of insulating materials in an actual application“ sind, und dass verschiedene Prüfarten nicht direkt vergleichbar sind. Ein Datenblattwert ist deshalb ein Vergleichswert zwischen Werkstoffen, kein Auslegungswert.
Elektrische Durchschlagsfestigkeit von Kunststoffen und Isolierstoffen: die Tabelle
Die Tabelle nennt zu jedem Wert die Lieferform und die Prüfdicke, weil ohne sie kein Wert vergleichbar ist. Alle Angaben sind Kurzzeitwerte bei Wechselspannung und Raumtemperatur, wenn nichts anderes steht.
| Werkstoff | Form und Prüfdicke | Durchschlagsfestigkeit | Quelle |
|---|---|---|---|
| Polyimidfolie (Kapton HN) | Folie 25 µm und 125 µm | 303 und 154 kV/mm | DuPont, QE-10206 |
| Polyesterfolie PET (Hostaphan RN) | Folie 36 µm und 190 µm, 50 Hz | 290 und 150 kV/mm | Müller Ahlhorn, FI 13011 |
| PET als Halbzeug | Platte, Bezug 1 mm | 22 kV/mm | Centroplast |
| Polypropylen PP | Folie 40 µm, Platte 1 mm | 200 und 50 kV/mm | PSM-Wiki, Kern 1502 |
| Polyethylen PE-HD | Platte 1 mm | 53 kV/mm | Kern 1411 |
| PTFE | Platte 3,2 mm, dünne Folien | 20 kV/mm, Folien 20 bis 80 kV/mm | Kern 1601, Hug Technik |
| PVC-U | Platte 0,6 mm, Folie 40 µm | 40 und 150 kV/mm | Kern 2690, PSM-Wiki |
| Polyamid PA 6 | Platte 1 mm, trocken | 15 kV/mm | Kern 1102 |
| Polycarbonat PC | Platte, Bezug 1 mm | 28 bis 29 kV/mm | Möller, Centroplast |
| Epoxid-Glasgewebe (FR4, HGW 2372) | Platte 3 mm, senkrecht | rund 10 kV/mm (30,6 kV) | Moeschter Group |
| Hartpapier HP 2061 | Platte 3 mm, in Öl bei 90 °C | 15 kV/mm | Maagtechnic |
| Aramidpapier Nomex 410 | Papier 0,05 mm und 0,25 mm | 17 und 32 kV/mm | DuPont, Type 410 |
| Pressspan und Transformerboard | 0,05 bis 8 mm in Luft, über 3 mm in Öl | 9 bis 12 kV/mm, in Öl 35 bis 40 kV/mm | Müller Ahlhorn, SIDA |
| Mikanit (90 % Glimmer) | Platte 0,2 bis 2 mm | über 20 bis 25 kV/mm | Hesselmann, ISO-Tech |
| Glimmerband auf Glasseide | Lage 0,15 mm | über 1,5 kV je Lage | Final Materials, IEC 371-2 |
| Vulkanfiber | Platte 0,2 bis 10 mm | 6 bis 10 kV/mm | Müller Ahlhorn, Schupp |
| Luft zum Vergleich | Abstand 1 cm | rund 3 kV/mm | Wikipedia |
Drei Dinge fallen auf. Erstens stehen die Folien ganz oben: Polyimid und PET erreichen als dünne Folie das Fünf- bis Zehnfache der Platte aus demselben Polymer. Zweitens trennt die Feuchte die Werkstoffe schärfer als die Chemie, PA 6 liegt trocken bei 15 kV/mm und nimmt im Normalklima 3 % Wasser auf (Kern). Drittens sind die Werkstoffe mit der höchsten Temperaturbeständigkeit nicht die mit dem höchsten kV/mm-Wert: Mikanit hält 500 °C und mehr, aber nur rund 20 bis 25 kV/mm. Welche dieser Kunststoffe sich als Isolierteil eignen, ordnet der Beitrag zu elektrisch isolierenden Kunststoffen nach Temperatur, CTI und Preis.
Warum der Wert in kV/mm mit der Dicke fällt
IEC 60243-1 stellt es nüchtern fest: Die Durchschlagsfestigkeit der meisten Werkstoffe sinkt, wenn die Probendicke steigt und wenn die Spannung länger anliegt. Der Hanser Werkstoff-Führer formuliert es als Verbot: Der für eine Probendicke ermittelte Wert gilt „keinesfalls auch für andere Probendicken“. Eine dicke Probe enthält mehr Einschlüsse und Hohlräume, an denen das Feld lokal überhöht, und sie führt die Verlustwärme schlechter ab. Die Katalogwerte einer PET-Folie zeigen die Folge:
| Dicke PET-Folie | Durchschlagspannung | Durchschlagsfestigkeit |
|---|---|---|
| 23 µm | 4 kV | 174 kV/mm |
| 100 µm | 11,75 kV | 117 kV/mm |
| 190 µm | 17,7 kV | 93 kV/mm |
| 350 µm | 20 kV | 57 kV/mm |
| 500 µm | 32,5 kV | 65 kV/mm |
Die Spannung steigt mit der Dicke, aber langsamer als die Dicke selbst (Schupp, Mylar A und Hostaphan RN). Bei Kapton HN ist es dasselbe Bild: fünffache Dicke von 25 auf 125 µm halbiert den Wert von 303 auf 154 kV/mm (DuPont). Als Faustregel wächst die Durchschlagspannung einer Folie etwa mit der Wurzel der Dicke. Wer die oft zitierten 180 kV/mm linear auf eine 350-µm-Folie hochrechnet, erwartet 63 kV und bekommt 20 kV.
Aramidpapier verhält sich anders herum. Nomex 410 erreicht bei 0,05 mm nur 17 kV/mm, bei 0,18 bis 0,51 mm dagegen 32 bis 33 kV/mm und bei 0,76 mm wieder 27 kV/mm (DuPont). Die dünnsten Papiere sind poröser und haben eine weniger geschlossene Oberfläche, deshalb trägt dort jeder Mikrometer weniger. Für die Auslegung folgt aus beiden Kurven dieselbe Regel: Die Durchschlagspannung bei der Einsatzdicke aus dem Datenblatt ablesen oder messen lassen, nie aus einem kV/mm-Wert einer anderen Dicke hochrechnen.
Temperatur, Feuchte, Frequenz, Alterung und Spannungsart verschieben den Wert
Die Norm zählt neun Einflüsse auf, von Dicke und Feuchte über Frequenz und Anstiegsrate bis zu Elektrodengeometrie und Umgebungsmedium (IEC 60243-1). Die Herstellerdaten zeigen, wie groß die Effekte sind:
- Feuchte senkt den Wert messbar, aber bei dichten Folien moderat. Kapton HN fällt von 339 kV/mm bei 0 % relativer Feuchte über 303 kV/mm bei 50 % auf 268 kV/mm bei 100 % (DuPont). Nomex 410 geht von 33,5 auf 30,7 kV/mm zwischen ofentrocken und 96 % Feuchte. Polyamid verliert dagegen drei Zehnerpotenzen Durchgangswiderstand (Kern).
- Temperatur senkt den Wert, weil Leitfähigkeit und Beweglichkeit der Ketten steigen. Bei Nomex 410 nennt DuPont den Effekt bis 200 °C gering, bei Thermoplasten endet die Isolierwirkung mit der Erweichung, PVC-U bei 60 °C, PE-HD bei 90 °C, PP bei 100 °C (Kern).
- Frequenz wirkt über die dielektrischen Verluste. Bis 10 kHz ändert sich bei Nomex 410 praktisch nichts (DuPont), bei steilen Umrichterflanken heizt der Verlustfaktor den Werkstoff und senkt die thermische Durchschlaggrenze. Mehr dazu im Beitrag zu dielektrischen Verlusten.
- Gleichspannung hält der Werkstoff deutlich höher aus als Wechselspannung: Hostaphan RN erreicht bei 36 µm 510 kV/mm mit Gleichspannung gegen 290 kV/mm bei 50 Hz, bei 190 µm 420 gegen 150 kV/mm (Müller Ahlhorn, FI 13011). Stoßspannung 1,2/50 µs liegt noch höher, Nomex 410 mit 0,25 mm bei 63 statt 32 kV/mm (DuPont).
- Zeit und Alterung sind der größte Hebel. Der Kurzzeitwert entsteht in 10 bis 20 Sekunden. DuPont bewertet die Lebensdauer von Nomex 410 danach, wie lange das Papier bei einer Temperatur noch 12 kV/mm hält, und empfiehlt für die Dauerbeanspruchung in Transformatoren unter 1,6 kV/mm zu bleiben, um Teilentladungen zu vermeiden. Das ist ein Zwanzigstel des Datenblattwerts.
- Teilentladungen erodieren organische Isolierstoffe weit unter der Durchschlagsfestigkeit. Warum Kapton HN bei 20 kV/mm nach 200 Stunden ausfällt und die koronabeständige Variante CR über 100.000 Stunden hält, steht im Beitrag zur Koronaentladung, die Messung im Beitrag zur Teilentladung.
Ein Datenblatt richtig lesen: fünf Fragen an jeden kV/mm-Wert
Für PVC-U finden sich in seriösen Quellen 20 kV/mm (Hug Technik nach DIN 53481), 32 kV/mm (Maagtechnic), 39 kV/mm mit Kugel gegen Kugel in Trafoöl (KB Kunststoffdreherei) und 40 kV/mm bei 0,6 mm Prüfdicke (Kern, TMK, GEHR). Keiner dieser Werte ist falsch, sie beantworten verschiedene Fragen. Hanser verlangt deshalb, mit jedem Wert Vorbehandlung, Elektrodenanordnung und Versuchsbedingungen anzugeben. Wir prüfen fünf Punkte, bevor wir einen Wert in eine Auslegung übernehmen:
- Welche Prüfdicke? Ein Wert ohne Dicke ist für Folien unbrauchbar.
- Welche Elektroden und welches Medium? Zylinder 25/75 mm in Öl liefert andere Zahlen als Kugel gegen Platte in Luft, und Luft begrenzt dünne Proben durch Überschlag an der Kante.
- Welche Spannungsart und welcher Anstieg? AC rapid rise, DC und Stoß liegen bei derselben Folie um den Faktor 2 bis 3 auseinander.
- Welches Klima? 23 °C und 50 % Feuchte ist der Normalfall, Werte bei 90 °C in Öl gelten für Transformatoren, nicht für den Schaltschrank.
- Typischer Wert oder Mindestwert? DuPont schreibt zu Nomex 410 ausdrücklich, die Tabelle enthalte typische Werte, „not recommended for design purposes“. Mindestwerte stehen in der Spezifikation, nicht im Datenblatt.
Werkstoffauswahl: so legen wir die Dicke eines Isolierteils aus
Der häufigste Einwand aus der Konstruktion lautet: Dann nehmen wir eben den Werkstoff mit dem höchsten kV/mm-Wert. Das führt fast immer zu Polyimid und zu einem unnötig teuren Teil. Entscheidend ist die Durchschlagspannung des Teils bei seiner Dicke, geteilt durch einen Sicherheitsfaktor, und die muss zur Spannung im Betrieb passen, zur Temperatur und zur Feuchte am Einbauort. Eine Nutisolation aus Nomex 410 mit 0,25 mm hält im Kurzzeitversuch rund 8 kV (32 kV/mm, DuPont). Für Dauerbeanspruchung empfiehlt DuPont unter 1,6 kV/mm, also 400 V über dieser Lage. Am 400-V-Netz reicht das, am 800-V-Umrichter mit reflektierten Spannungsspitzen bis zur doppelten Zwischenkreisspannung verlangt es eine dickere Lage, ein Laminat oder einen teilentladungsfesten Werkstoff.
In dieser Reihenfolge gehen wir vor: zuerst die Spannungsklasse und die Spannungsform klären, dann die Wärmeklasse nach IEC 60085, erst danach den Werkstoff und seine Dicke. Für Wärmeklasse B bis 130 °C ist PET-Folie in 95 von 100 Fällen die wirtschaftliche Wahl, wir konfektionieren sie als Polyesterfolie von 12 bis 350 µm. Für Klasse F und H kommen Nomex und Laminate wie NMN, für Klasse C ab 220 °C Polyimid ab 25 µm. Die Schnittkante gehört in die Rechnung: An einem Grat oder einer ausgefransten Kante steigt die Feldstärke lokal an, dort beginnt die Teilentladung, egal wie hoch der Katalogwert ist. Wir schneiden Rollen von 5 bis 1.600 mm Breite mit plus minus 0,1 mm und stanzen Isolierteile und Formteile von 0,023 bis 3,0 mm Dicke mit Bandstahlschnitt oder Vollstahlwerkzeug. Schicken Sie uns Zeichnung, Spannung und Wärmeklasse, wir schlagen Werkstoff und Dicke vor.
