Hochspannungsisolierung: Spannungsebenen, Isolatoren und Isolierstoffe

Hochspannungsisolierung ist die elektrische Trennung von Leitern, die mit mehr als 1 kV Wechselspannung oder 1,5 kV Gleichspannung arbeiten, durch Luft, Gas, Öl oder festen Isolierstoff, gegeneinander und gegen Erde. Die Grenze stammt aus der Begriffsnorm IEC 60050 (Wikipedia, Hochspannung). Im deutschen Netz reicht die Hochspannung bis 380 kV, und allein im Höchstspannungsnetz hängen nach Schätzung der Projektpartner einer KIT-Dissertation mehr als zwei Millionen Langstabisolatoren aus Porzellan. Im Inneren der Betriebsmittel tragen Papiere, Pressspan, Glimmer und Folien die Spannung, und zwar mit wenig Feldstärke: Ein 6/10-kV-Kabel mit 3,4 mm VPE-Wand arbeitet im Mittel mit rund 1,8 kV/mm (Helukabel, Datenblatt N2XSEY). Dieser Überblick ordnet Spannungsebenen, Isoliermedien und Isolatoren, zeigt den Aufbau der Isolierung in Transformator, Maschine, Kabel und Schaltanlage und sagt, wo GOBA mit flächigen Isolierstoffen und gestanzten Isolierteilen und Formteilen liefert und wo nicht.

• Die Normgrenze zur Hochspannung liegt bei 1 kV Wechselspannung, darüber unterscheidet das Netz Mittelspannung mit 10 bis 30 kV, Hochspannung mit 110 kV und Höchstspannung mit 220 und 380 kV.
• Eine Hochspannungsisolierung arbeitet im Betrieb mit wenigen kV/mm, ein VPE-Mittelspannungskabel etwa mit 1,8 kV/mm, obwohl ihre Werkstoffe im Kurzzeitversuch 27 bis über 150 kV/mm halten.
• Freileitungen isolieren mit Luft und Isolatoren aus Porzellan, Glas oder Silikon-Verbund, Transformatoren mit Öl und Zellulose, Maschinen mit Glimmer, Kabel mit VPE und Schaltanlagen mit SF6, Vakuum oder Gießharz.
• Die meisten Hochspannungsisolierungen versagen schleichend, weil Teilentladung, Feuchte und Kriechspuren sie über Jahre aufzehren.

Ab 1 kV beginnt Hochspannung: die Spannungsebenen im Überblick

Wer nach Mittel- oder Hochspannung sucht, findet drei verschiedene Grenzen, und alle stimmen in ihrem Zusammenhang. Die Norm zieht die Linie bei 1 kV Wechselspannung. Die Spannungsqualitätsnorm DIN EN 50160 nennt alles über 36 kV Hochspannung und alles über 150 kV Höchstspannung (Wikipedia, Hochspannung). Netzbetreiber und Energielexika sprechen dagegen von Netzebenen und meinen damit die Spannungen, die tatsächlich anliegen: 1 bis 35 kV, 60 bis 150 kV, 220 bis 380 kV (Enpal, Spannungsebene). Für die Isolierung zählt die konkrete Spannung am Bauteil.

Die Zeile Hochvolt sorgt für die meisten Verwechslungen. Im Elektroauto heißt alles über 30 V Wechsel- oder 60 V Gleichspannung Hochvolt, nach Norm bleibt es Niederspannung. Die Grenze ist rechtlich und praktisch gezogen, physikalisch ändert sich an ihr nichts (Wikipedia, Hochspannungstechnik). Batterie, Inverter und Busbar im 800-V-Fahrzeug behandelt deshalb der Beitrag zur Hochvolt-Isolation. Diese Seite bleibt in der Energietechnik oberhalb von 1 kV. Auch die Normen wechseln an dieser Grenze: Darunter bemisst IEC 60664 die Isolierung, darüber IEC 60071 (Wikipedia, Isolationskoordination).

Luft, SF6, Öl und Feststoff: die vier Medien der Hochspannungsisolierung

Jede Hochspannungsisolierung kombiniert ein Medium, das den Raum füllt, mit festen Teilen, die Leiter tragen und Strecken überbrücken. Die Medien unterscheiden sich in zwei Eigenschaften, die für die Konstruktion wichtiger sind als jede andere: wie viel Feldstärke sie halten und ob sie sich nach einem Durchschlag erholen.

Quellen: Glasgow Caledonian University, Vorlesung HV Technology (Luft), Wikipedia zu gasisolierten Schaltanlagen (SF6), Wikipedia zur Durchschlagfestigkeit (Öl, Porzellan, Glimmer bei 1 mm) und eine Arbeit zur Glimmerbandisolierung (Cuvillier, Glimmerblättchen). Wie Luft mit dem Abstand, dem Druck und der Höhe schwankt und wie SF6 und Vakuum im Detail abschneiden, steht im Beitrag zur Durchschlagsfestigkeit von Luft und anderen Medien.

Öl und Zellulose arbeiten im Transformator als Paar. Das Wasser im System sitzt fast vollständig im Papier und im Pressspan, weil Zellulose mit einer Permittivität von 5,1 deutlich polarer ist als Mineralöl mit 2,2. Feuchte Zellulose zerfällt durch Hydrolyse, und genau das begrenzt die Lebensdauer. Esteröle lösen bei 20 °C rund 2.700 ppm Wasser, Mineralöl nur 44 ppm, sie ziehen deshalb Feuchte aus dem Papier und brennen erst über 250 °C (Wikipedia, Transformatorenöl).

SF6 steht vor dem Ende. Das Gas hat ein Treibhauspotenzial von 24.300, ein Kilogramm wirkt wie 24 Tonnen CO2 (Wikipedia, Schwefelhexafluorid). Die F-Gase-Verordnung verbietet die Inbetriebnahme neuer Mittelspannungsschaltanlagen bis 24 kV mit F-Gasen ab dem 1. Januar 2026, bis 52 kV ab 2030. Für Hochspannungsschaltanlagen von 52 bis 145 kV und bis 50 kA Kurzschlussstrom gilt das Verbot für Gase mit einem GWP ab 1 ab 2028, darüber ab 2032 (Art. 13 Abs. 9 VO (EU) 2024/573). An die Stelle von SF6 treten Vakuum, Luft, neue Gasgemische und feste Isolierung.

Hochspannungsisolatoren: Porzellan, Glas und Silikon-Verbund

Hochspannungsisolatoren halten das blanke Leiterseil auf Abstand zum geerdeten Mast und tragen zugleich sein Gewicht. Im deutschsprachigen Raum sind das seit 1953 überwiegend Langstabisolatoren aus Tonerdeporzellan, Kappenisolatoren aus vorgespanntem Glas sind vor allem außerhalb dieses Raums verbreitet, und seit Ende des 20. Jahrhunderts kommen zunehmend Silikon-Verbundisolatoren dazu (KIT). Die Kennwerte stammen aus der deutschen und der englischen Wikipedia. Für Porzellan nennt die eine 20, die andere 4 bis 10 kV/mm, so stark hängen solche Werte von Dicke und Prüfaufbau ab:

Die Länge folgt der Spannung. Eine Kette aus Kappenisolatoren braucht bei 115 kV sechs Glieder, bei 400 kV vierundzwanzig und bei 765 kV sechzig, jede Kappe ist für 10 bis 12 kV Betriebsspannung ausgelegt (Wikipedia, Insulator (electricity)). Ein Silikon-Langstab für 550 kV ist bis 5.603 mm lang und besteht einen Blitzstoß von 1.550 kV (Siemens, Datenblatt 3FL5 und 3FL6). Die Schirme verlängern den Kriechweg auf der Oberfläche, empfohlen sind mindestens 20 bis 25 mm je kV, an der Küste und in Industriegebieten mehr. Nass sinkt die Überschlagspannung um mehr als die Hälfte. Silikon gleicht das teilweise aus: Zerstören Entladungen seine wasserabweisende Oberfläche, erholt sie sich nach Stunden bis Tagen, solange keine Dauerkorona anliegt (Cuvillier, Verhalten zyklisch betauter Silikonoberflächen).

Alle Bauarten folgen derselben Regel: Ein Isolator soll überschlagen, bevor er durchschlägt. Der Überschlag durch die Luft heilt aus, der Durchschlag durch den Körper zerstört ihn. Kriechstrecke und Kriechspur erklären die Beiträge zum Kriechweg und zum Kriechstrom. GOBA fertigt keine Freileitungsisolatoren, keine Durchführungen und keine Gießharzstützer, dafür ist der Isolatorhersteller der richtige Ansprechpartner. Isolatoren als Bauteil im Allgemeinen, von der Abgrenzung zum Leiter bis zum Isolierteil im Motor, behandelt der Beitrag zu elektrischen Isolatoren.

Im Betrieb arbeitet die Isolierung mit einem Bruchteil ihres Datenblattwerts

Der Kurzzeitwert im Datenblatt stammt aus einem Versuch von zehn bis zwanzig Sekunden, so beschreibt es DuPont für Nomex 994. Eine Hochspannungsisolierung muss Jahrzehnte halten, mit Hohlräumen, Feuchte, Wärme und Überspannungen. Konstrukteure legen sie deshalb nach der Feldstärke aus, bei der keine Teilentladung zündet, und die liegt weit unter dem Kurzzeitwert. Vier Quellen zeigen den Abstand:

DuPont schreibt den Grund in das Datenblatt: Die Dauerbeanspruchung soll 1,6 kV/mm nicht überschreiten, um das Risiko von Teilentladungen zu minimieren. Eine Teilentladung in einem Lufteinschluss frisst sich über Jahre durch organisches Material, wie der Beitrag zur Teilentladung beschreibt. Für Sie als Konstrukteur oder Einkäufer folgt daraus eine klare Regel: Vergleichen Sie Werkstoffe mit dem Kurzzeitwert, legen Sie die Dicke mit dem Dauerwert aus. Die Werkstofftabelle in kV/mm und die Messung nach IEC 60243 stehen im Beitrag zur elektrischen Durchschlagsfestigkeit.

Hochspannungsisolierung im Inneren der Betriebsmittel

Im Inneren von Transformator, Maschine und Schaltanlage fehlt der Platz für meterlange Luftstrecken. Hier übernehmen dünne, feste Isolierstoffe die Arbeit, und jedes Betriebsmittel hat seinen eigenen Aufbau.

Transformator: Öl, Papier und Pressspan

Im Öltransformator teilen Barrieren aus Pressspan die Ölstrecken zwischen den Phasen und gegen den Kessel in schmale Kanäle. Winkelringe, Kaminsegmente, Distanzstücke und Zylinder aus demselben Werkstoff führen die Isolierung am Wicklungsende dem Feld nach (Pucaro, Komponenten). Das hochverdichtete Transformerboard entwickelte Weidmann Ende der 1920er Jahre aus reiner Sulfatzellulose ohne Harz und Binder, in den 1930er Jahren ersetzte es fast alle Isolierteile im Transformator (Wikipedia, Electrical insulation paper). Für höhere Temperaturen gibt es Pressboard aus Aramid: Nomex 994 kommt in 14 Dicken von 1,0 bis 9,6 mm und nimmt 8 bis 10 % Öl auf (DuPont). Funktion und Bauarten des Transformators erklärt der Beitrag zum elektrischen Transformator, den Zellulosewerkstoff der Beitrag zu Pressspan.

Hochspannungsmaschine: Glimmer um jeden Leiter

Hochspannungsmotoren laufen mit einigen Kilovolt, CHEManager nennt Motoren bis 11 kV (Risiken bei Hochspannungsmotoren). Von Roll staffelt seine Isoliersysteme nach Bemessungsspannung in unter 6 kV, 6 bis 13,8 kV und über 13,8 kV. Eine VPI-Wicklung, also eine im Vakuum mit Harz getränkte Wicklung, ist von innen nach außen so aufgebaut (FH Joanneum, Sumereder und Trattnig, nach Von Roll):

1. Kupferleiter mit Leiterisolierung aus Lack, Glasseide oder dünnem Glimmerband.
2. Innenglimmschutz, der das Feld an den Leiterkanten glättet.
3. Hauptisolierung aus mehreren Lagen Glimmerband.
4. Außenglimmschutz in der Nut und Feldsteuerband am Nutaustritt.
5. Phasenseparator und Distanzstück zwischen den Spulen.
6. Nutverschlusskeil, der die Spule in der Nut hält.

Glimmer steht im Zentrum, weil das Schichtsilikat keine Kohlenstoffkette enthält, die eine Teilentladung zersetzen könnte. Für Nutkeile und Nutisolation nennt Von Roll Glashartgewebe G-11 und Epoxid-Laminate, für Formteile das Glimmer-Laminat Samicanite. Wie das Band aufgebaut ist und wie Resin-Rich und VPI sich unterscheiden, steht im Beitrag zum Glimmerband, die festen Glimmerplatten im Beitrag zu Mikanit.

Kabel: VPE zwischen zwei Leitschichten

Ein Mittel- oder Hochspannungskabel trägt seine Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE) zwischen einer inneren und einer äußeren Leitschicht. Beide glätten das Feld und verhindern Luftspalte an der Leiteroberfläche. VPE ist Standard bis 36 kV und reicht in geeigneter Bauart bis 500 kV, ebenso weit wie das ältere Ölkabel mit getränktem Papier (Wikipedia, Hochspannungskabel). Helukabel extrudiert beide Leitschichten und die Isolierung in einem Arbeitsgang und nennt das einen teilentladungsfreien Aufbau. GOBA fertigt keine Kabel, den Schichtaufbau erklärt der Beitrag zur Kabelisolierung.

Schaltanlage: Gas, Vakuum und Gießharz

Gasisolierte Schaltanlagen brauchen viel weniger Platz als luftisolierte und haben sie im Innenraum fast vollständig verdrängt. Ein Gas ohne SF6 ist das Fluorketon-Gemisch AirPlus von ABB, das 2015 beim Elektrizitätswerk der Stadt Zürich erstmals in Anlagen für 170 kV und 24 kV in Betrieb ging (Wikipedia, Gasisolierte Schaltanlage). Gießharz-Stützer tragen in Innenraumanlagen Spannungen von 12 bis 40,5 kV (Wikipedia, Isolator).

Warum Hochspannungsisolierungen ausfallen

Eine einzelne Überspannung zerstört selten eine gut ausgelegte Isolierung. Der Ausfall kommt meistens nach Jahren, und er beginnt an einer kleinen Stelle:

• Teilentladungen in Hohlräumen, Gasblasen und an Graten erodieren organische Isolierstoffe von innen und treiben verästelte Kanäle durch das Material, das Treeing. Als Ausfallursache bei erdverlegten Kunststoffkabeln wurde es 1969 zuerst beschrieben (Wikipedia, Electrical treeing).
• In Polyethylen unter Wasser wachsen feine, wassergefüllte Strukturen, die Water Trees. Sie sind in der Regel unkritisch, bis aus ihnen ein elektrischer Tree startet.
• Auf verschmutzten, feuchten Oberflächen fließt Kriechstrom, trocknet Bänder aus, und an diesen Bändern zünden Entladungen, die Kriechspuren brennen und Schirme überbrücken.
• Feuchte in Papier und Pressspan spaltet die Zellulose durch Hydrolyse und senkt die Durchschlagsfestigkeit des Öls.
• An Kanten, Spitzen und Drahtenden zündet Korona, die Ozon bildet und benachbarte Kunststoffe angreift.

Bei festen Isolierteilen beginnt fast jede dieser Ketten an der Kante oder an einem Lufteinschluss. Ein Grat am Stanzteil, eine ausgefranste Schnittkante oder eine Delamination an einem Laminat bündeln das Feld genau dort, wo die erste Entladung zündet. Wie die Korona entsteht, behandelt der Beitrag zur Koronaentladung, die Mechanismen vom Funken bis zur Erosion der Beitrag zum Spannungsdurchschlag.

Welche Prüfspannung eine Hochspannungsisolierung bestehen muss

Die netzfrequente Prüfspannung liegt in den Beispielen unten beim Anderthalb- bis Zweieinhalbfachen der Bemessungsspannung, der Blitzstoß weit darüber. Die Prüfung unterscheidet zwei Belastungen: die netzfrequente Wechselspannung über eine Minute und den Blitzstoß, einen Spannungsimpuls mit 1,2 µs Anstieg und 50 µs Rückenhalbwert.

Der OVE-Leitfaden beschreibt den Sinn der Prüfung bei Maschinen offen: Spulen, deren Festigkeit nur noch knapp über der Bemessungsspannung liegt, werden bei der Prüfung gezielt zum Durchschlag gebracht und ersetzt. Die intakte Isolierung nimmt dabei keinen Schaden. Welche Normen für Haushaltsgeräte, Motoren und Kondensatoren gelten und wie eine Hochspannungsprüfung abläuft, steht im Beitrag zur Spannungsfestigkeit.

Was GOBA für Hochspannungsanlagen liefert

GOBA liefert für Hochspannungsanlagen die flächigen Isolierstoffe und die Teile, die daraus entstehen. Aus unseren Isoliermaterialien liefern wir Isolationspapiere wie Pressspan, Aramidpapier (Standard Nomex) und die Laminate DMD, NMN und NKN, dazu Polyimidfolie (Standard Kapton), Glimmerband in allen Varianten auf Anfrage, Mikanit als Platte oder Rolle und GFK- und HGW-Platten nach Anfrage. Die Formen reichen von der Rolle über Bogen und Zuschnitt bis zum Stanz- und Formteil, in Dicken je nach Werkstoff von 7 µm bis 3 mm. Beim Stanzen und Formen verarbeiten wir Formate bis 1.000 x 2.000 mm.

Ein naheliegender Einwand: Hochspannung sei Sache der großen Systemlieferanten, ein Zuschnitt- und Stanzbetrieb sei dafür zu klein. Die elektrische Auslegung bleibt bei Ihnen, und wir verarbeiten dieselben Markenwerkstoffe wie Nomex und Kapton, die in den Isoliersystemen stehen. Wir stanzen Dicken von 0,023 bis 3,0 mm, fertigen ab 1 Stück und liefern vorrätiges Material in höchstens zwei Wochen. Damit lohnt sich auch der Prototyp oder die Ersatzteilserie für eine einzelne Maschine. Für eine Anfrage brauchen wir:

1. Zeichnung mit Toleranzen.
2. Werkstoff, Dicke und Stückzahl.
3. Bei Rollen zusätzlich Breite, Lauflänge, Kerndurchmesser und Kernmaterial.
4. Betriebsspannung, Wärmeklasse und Einbauort, wenn Sie eine Werkstoffempfehlung wünschen.

Für Generatoren und Transformatoren in Wind- und Wasserkraftanlagen zeigt die Seite erneuerbare Energien, wo unsere Werkstoffe sitzen. Fragen zu Werkstoff und Dicke beantwortet unsere technische Beratung.

FAQ zur Hochspannungsisolierung

Wo endet die Mittelspannung und wo beginnt die Hochspannung?

Nach DIN EN 50160 beginnt die Hochspannung über 36 kV und die Höchstspannung über 150 kV. In der Praxis der deutschen Netze heißen 10 bis 30 kV Mittelspannung, 110 kV Hochspannung und 220 und 380 kV Höchstspannung. Im weiteren Sinn ist alles über 1 kV Wechselspannung Hochspannung, die Mittelspannung ist dann ihr unterster Teil.

Was ist der Unterschied zwischen Hochspannung und Hochvolt im Elektroauto?

Hochvolt im Fahrzeug beginnt bei 30 V Wechsel- oder 60 V Gleichspannung und endet bei 1 kV AC oder 1,5 kV DC. Nach Norm ist das Niederspannung. Die Isolierung im Fahrzeug folgt deshalb IEC 60664 und den Fahrzeugnormen, die Hochspannungsisolierung der Energietechnik IEC 60071.

Mit welcher Feldstärke darf eine Hochspannungsisolierung dauerhaft arbeiten?

Mit einem Bruchteil des Datenblattwerts. DuPont empfiehlt für Nomex 994 im Trockentransformator höchstens 1,6 kV/mm Dauerbeanspruchung, obwohl der Kurzzeitwert in Öl bei 27 kV/mm liegt. Ein 6/10-kV-VPE-Kabel arbeitet im Mittel mit rund 1,8 kV/mm. Maßgeblich ist die Feldstärke, bei der noch keine Teilentladung zündet.

Wie lang ist eine Isolatorkette bei 110 kV und bei 380 kV?

Für 115 kV nennt die englische Wikipedia sechs Kappenisolatoren, für 400 kV vierundzwanzig, jede Kappe ist für 10 bis 12 kV ausgelegt. Das entspricht grob den deutschen Ebenen 110 und 380 kV. Ein Silikon-Langstabisolator für 550 kV misst bis 5,6 m. In Deutschland werden 380-kV-Leitungen grundsätzlich mit zwei parallelen Isolatoren ausgeführt.

Ist SF6 als Isoliergas noch erlaubt?

In bestehenden Anlagen ja. Neue Mittelspannungsschaltanlagen bis 24 kV mit F-Gasen dürfen seit dem 1. Januar 2026 nicht mehr in Betrieb gehen, bis 52 kV ab 2030. Für Hochspannungsschaltanlagen gelten die Jahre 2028 (52 bis 145 kV, bis 50 kA) und 2032 (darüber), mit Ausnahmen, wenn eine Ausschreibung kein geeignetes Angebot ohne F-Gas ergibt.

Welche Isolierstoffe liefert GOBA für Hochspannungsanlagen?

Pressspan, Aramidpapier (Nomex), DMD, NMN und NKN, Polyimidfolie (Kapton), Glimmerband, Mikanit sowie GFK- und HGW-Platten, als Rolle, Bogen, Zuschnitt, Stanzteil oder Formteil. Je nach Werkstoff reichen die Dicken von 7 µm bis 3 mm, wir fertigen ab 1 Stück. Freileitungsisolatoren, Kabel und Isoliergase gehören nicht zu unserem Programm.