Koronaentladung

Eine Koronaentladung ist eine elektrische Entladung in der Luft um einen spannungsführenden Leiter. Sie setzt ein, wenn die elektrische Feldstärke nahe der Leiteroberfläche eine kritische Schwelle überschreitet, reicht aber nicht für einen vollständigen Durchschlag zur Gegenelektrode. Bei Normalbedingungen ionisiert Luft ab etwa 30 kV/cm, an scharfen Spitzen genügen dafür schon Spannungen von 2 bis 6 kV (Wikipedia, Corona discharge). Die Korona zeigt sich als bläuliches Leuchten, als Knistern und als Ozongeruch. Dieser Beitrag erklärt, wo die Korona entsteht, wie sie sich von der Teilentladung abgrenzt, was sie an Freileitungen und in Elektromotoren anrichtet und welche Isoliermaterialien ihr über Jahre standhalten.

Die Koronaentladung beginnt am kleinsten Radius

Entscheidend für die Korona ist die Feldstärke direkt an der Oberfläche, und die hängt vor allem von der Krümmung ab. Ein dünner Draht, eine Spitze oder ein Grat bündeln die Feldlinien auf engem Raum, eine große Kugel oder ein glattes Rohr verteilen sie. Deshalb leuchtet die Korona zuerst an Kanten, Drahtenden und Schraubenköpfen, während die glatte Fläche daneben ruhig bleibt. Die Grundlagen zur elektrischen Feldstärke und ihrer Formel stehen in einem eigenen Beitrag.

Im Feld über der Schwelle beschleunigen freie Elektronen so stark, dass sie beim Aufprall auf Luftmoleküle weitere Elektronen herausschlagen. Es entsteht eine Elektronenlawine, die aber nur in der dünnen Zone hoher Feldstärke um den Leiter wächst. Weiter außen fällt das Feld ab, die Lawine erlischt, und der Strom bleibt im Mikroamperebereich (chemie-schule.de). Liegt am stark gekrümmten Leiter der Pluspol, spricht man von positiver Korona: ein gleichmäßiger, bläulich-weißer Saum. Die negative Korona sitzt in Büscheln an einzelnen Punkten und erzeugt deutlich mehr Ozon.

Die Einsetzspannung beschreibt seit 1929 das Gesetz von Peek. Es setzt die Durchschlagsfeldstärke der Luft mit 30 bis 32 kV/cm an und korrigiert sie über Leiterradius, Luftdichte und einen Oberflächenfaktor: 1 für einen polierten Draht, 0,93 bis 0,98 für einen rauen oder verschmutzten und 0,83 bis 0,87 für ein verseiltes Seil (Wikipedia, Peek's law). Daraus folgen die fünf Größen, die in der Praxis über Korona oder keine Korona entscheiden:

• die Spannung, vor allem ihr Scheitelwert und ihre Flankensteilheit
• der Krümmungsradius des Leiters oder der Kante
• die Oberfläche, denn Kratzer, Staub, Insekten und Wassertropfen wirken wie kleine Spitzen
• die Luftdichte, die mit der Höhe und der Temperatur sinkt
• der Abstand zur Gegenelektrode, der aus der Korona einen Funken machen kann

Die Luftdichte wird gern unterschätzt. Der ZVEI rechnet vor, dass eine Luftstrecke mit 1.000 V Durchschlagspannung auf Meereshöhe in 4.000 m Höhe nur noch rund 630 V hält. Die DIN EN 60664-1 verlangt deshalb über der Standardhöhe von 2.000 m größere Luftstrecken, bei 4.000 m um 29 % und bei 5.000 m um 48 % (ZVEI, Leitfaden Teilentladungs-Messung, 2024).

Koronaentladung und Teilentladung: wo die Grenze liegt

Die Korona ist eine Form der Teilentladung, und zwar die äußere. Sie brennt im Gas an einem stark gekrümmten Leiter. Die innere Teilentladung zündet dagegen in einem Hohlraum mitten im festen oder flüssigen Isolierstoff, die Gleitentladung wandert an einer Oberfläche entlang. Der ZVEI ordnet Korona-, Glimm- und Gleitentladung zusammen den äußeren und Oberflächen-Teilentladungen zu und stellt ihnen die inneren Entladungen gegenüber, die in den meisten Geräten den Ausschlag geben.

Für die Auslegung zählt vor allem, dass Korona sichtbar und hörbar ist, die innere Teilentladung nicht. Eine UV-Kamera findet die Korona an einer Freileitung im Bereich von 240 bis 280 nm (elektronebel), einen Hohlraum in einer Nutisolation findet sie nie. Wie Teilentladungen nach IEC 60270 gemessen werden und was Einsetz- und Aussetzspannung bedeuten, steht im Beitrag zur Teilentladung. Die Oberflächenvariante mit Kriechspuren behandelt der Beitrag zum Kriechstrom.

Koronaentladung an Freileitungen: Knistern, Verluste und Brummen

An Hochspannungsleitungen ist die Korona am bekanntesten. Die Fachzeitschrift Elektropraktiker nennt für verseilte Leiterseile eine kritische Randfeldstärke von etwa 20 kV/cm, also weniger als die 30 kV/cm der glatten Elektrode, weil die Seiloberfläche rau ist. Korona tritt dort vor allem ab 220 kV Nennspannung auf, und zwar bei Regen, Nebel und Schnee. Jeder Wassertropfen am Seil ist eine neue Spitze.

• Koronaverluste: Für eine 380-kV-Freileitung gilt ein Näherungswert von 3 kW je Kilometer, unter ungünstigsten Bedingungen können die Verluste bis zu 20 % der Übertragungsleistung erreichen (Elektropraktiker).
• Geräusch: Das Knistern ist breitbandig, dazu kommt ein Brummton bei 100 Hz, der doppelten Netzfrequenz (ingenieur.de). Für Neubauten ab 220 kV macht die Vornorm DIN VDE V 0210-30 die Geräusche prognostizierbar (DKE).
• Wetter: Über 80 % der Jahresstunden ist es trocken, dann bleibt eine Wechselstromleitung weitgehend still. Maßgeblich für die Lärmprognose ist eine Regenrate von rund 3,6 mm/h (DAGA 2016, DIN SPEC 8987).
• Funkstörungen durch die Stromimpulse der vielen kleinen Entladungen.

Die Netzbetreiber setzen an der Krümmung an. Ab 220 kV bestehen Leitungen in der Regel aus Bündelleitern mit zwei bis vier Teilleitern je Phase, die wie ein Leiter mit großem Ersatzradius wirken (fgeu, Diplomarbeit 2001). Koronaringe an Isolatorketten und Armaturen tun dasselbe an den Enden. Eine Leitung koronafrei zu bauen, wäre unwirtschaftlich, deshalb wird die Korona auf ein zulässiges Maß begrenzt. Die Isolatoren selbst behandelt der Beitrag zu elektrischen Isolatoren.

Was die Korona mit Isolierstoffen macht

Die Energie einer einzelnen Korona ist klein. Gefährlich wird sie durch Dauer und Chemie. Jede Entladung erzeugt UV-Licht, Ionen, Ozon und Stickoxide. Das trifft jeden organischen Isolierstoff in der Nähe: Folien, Papiere, Harze, Lacke und Dichtungen. Der ZVEI führt UV-Belastung und Ozonbildung durch Teilentladung ausdrücklich als Alterungsfaktoren und nennt als Erfahrungswert, dass 10 K mehr Temperatur die Lebensdauer eines Isolationssystems halbieren.

Wie schnell ein Werkstoff aufgibt, zeigen die Herstellerdaten. DuPont hat Kapton HN und die koronabeständige Variante Kapton CR mit ABB und Siemens nach IEC 343 geprüft: Bei 20 kV/mm und 50 Hz fällt eine 25-µm-Folie Kapton HN nach rund 200 Stunden aus, Kapton CR hält über 100.000 Stunden. Für Aramidpapier schreibt DuPont selbst, dass Nomex unter Koronaangriff wie jeder organische Isolierstoff nach und nach erodiert. In geschlossenen Gehäusen kommen Ozonrisse in Elastomerdichtungen hinzu, und Folienkondensatoren verlieren unter Korona schrittweise Kapazität (Wikipedia, Corona discharge).

Korona im Elektromotor: ab rund 300 V wird Luft zum Risiko

Lange galt die Korona als Thema der Hochspannung. Das ist vorbei. Nach dem Paschen-Gesetz sind Entladungen in Luft theoretisch ab etwa 300 V Scheitelspannung möglich, in der Praxis unter 500 V selten (ZVEI). DuPont gibt für eine 25-µm-Kapton-Folie eine Korona-Einsetzspannung von 425 V an. Diese Werte erreicht heute jeder Antrieb am Umrichter.

Der Grund liegt in der Taktung. Der Umrichter schaltet die Zwischenkreisspannung als steile Rechteckpulse auf den Motor, und an der Wicklung überlagern sich hinlaufende und reflektierte Welle. Der ZVEI beschreibt, dass Lackdrahtisolierungen dabei mit bis zur doppelten Zwischenkreisspannung belastet werden. Bei einem 800-V-Traktionsantrieb sind das bis zu 1.600 V an Stellen, an denen nur Mikrometer Lack und ein Luftspalt zur Nachbarwindung liegen. Schnell schaltende SiC- und GaN-Halbleiter verschärfen die Flanken weiter, deshalb fordert der ZVEI für diese Antriebe teilentladungsfreie oder teilentladungsfeste Isolierstoffe. Die Prüfung solcher Wicklungen mit Spannungsimpulsen regelt IEC 60034-18-41 (RM Prüftechnik).

Im Motor sitzt die Korona an wenigen, gut bekannten Stellen: im Wickelkopf zwischen den Phasen, am Nutaustritt, an Schweißstellen von Hairpins und an jedem Übergang von Draht, Luft und Flächenisolierstoff. Hier liegen Isolierteile wie Phasentrenner, Nutisolation und Deckschieber, die GOBA fertigt. Wie sich Motorisolation für die Hochvolt-Isolation ändert, zeigt der Beitrag zur Statorisolation.

Welche Isolierstoffe der Korona standhalten

Organische Werkstoffe erodieren unter Korona, anorganische kaum. Glimmer ist deshalb seit Jahrzehnten der Standard in Hochspannungsmaschinen: Die Plättchen bilden eine Barriere, an der die Entladung nicht weiterkommt. Weil Glimmerpapier allein zu wenig Festigkeit hat, sitzt es auf Trägern aus Glasgewebe, Vlies oder Folie und wird mit Harz gebunden. Die Tabelle zeigt die Werkstoffe, die GOBA verarbeitet, mit ihrem Koronaverhalten laut Hersteller.

Unsere Empfehlung: Prüfen Sie zuerst, ob Ihre Anwendung die Einsetzspannung überhaupt erreicht. Liegt der Scheitelwert sicher unter 300 V, gibt es keine Korona, und ein koronabeständiger Sonderwerkstoff kostet nur Geld. Darüber lohnt er sich schnell. Ein Faktor von 500 bei der Standzeit, wie zwischen Kapton HN und CR, entscheidet im Traktionsmotor über Jahre Laufzeit. Die Typenreihe HN, CR und MT beschreibt der Beitrag zu Kapton, die Aramidpapiere der Beitrag zu Nomex.

Koronaentladung verhindern: erst die Geometrie, dann der Werkstoff

Jede Gegenmaßnahme senkt entweder die Feldstärke an der Oberfläche oder entfernt die Luft, in der die Entladung brennt. In dieser Reihenfolge lohnt sich das Vorgehen:

1. Radien vergrößern: Kanten runden, Koronaringe setzen, Bündelleiter statt Einzelleiter, im Gerät keine Spitzen, Grate oder abstehende Ecken.
2. Feldstärke begrenzen: DuPont empfiehlt für Nomex 418 in Transformatoren Dauerfeldstärken unter 3,2 kV/mm, um Teilentladungen zu vermeiden. Mehr Isolierdicke senkt die Feldstärke im Luftspalt.
3. Luft verdrängen: Hohlräume beim Tränken und Vergießen vermeiden, am besten unter Vakuum, wie der ZVEI es beschreibt.
4. Umgebung einrechnen: Luftstrecken für Einsatzorte über 2.000 m nach DIN EN 60664-1 verlängern, Feuchte und Verschmutzung berücksichtigen.
5. Koronabeständige Werkstoffe einsetzen, wo die ersten vier Schritte nicht reichen: Glimmer, Nomex 418, Kapton CR.

Die Reihenfolge ist Absicht. Ein koronabeständiges Material an einer scharfen Kante hält länger, aber die Kante bleibt die Schwachstelle. Wer zuerst den Radius vergrößert, braucht oft keinen Sonderwerkstoff.

Wo GOBA ansetzt: an der Kante des Isolierteils

Für Isolierteile gilt dasselbe wie für Freileitungsseile, nur im Maßstab von Zehntelmillimetern. Eine ausgefranste Schnittkante, ein Grat oder eine Delamination am Schnitt eines Laminats wird im Betrieb zur Stelle, an der die Feldstärke lokal ansteigt. Dort beginnt die Korona, und dort beginnt die Erosion. Die Qualität der Kante ist deshalb eine elektrische Eigenschaft.

GOBA stanzt Nutisolationen, Phasentrenner, Deckschieber und Abdeckungen aus Nomex, Kapton, Laminaten und Glimmerwerkstoffen in Dicken von 0,023 bis 3,0 mm und bis 1.000 x 2.000 mm, mit Bandstahlschnitt oder Vollstahlwerkzeug. Beim Stanzen und Formen prägen wir Falzkanten im selben Hub vor, damit das Nomex beim Biegen nicht bricht. Für Antriebe in der Elektromobilität stimmen wir Werkstoff und Kantenführung auf die Spannungsklasse ab. Schicken Sie uns Ihre Zeichnung und die Spannung am Umrichter, dann empfehlen wir das passende Material aus unseren Isolierteilen und Formteilen.

Coronavorbehandlung: dieselbe Entladung als Werkzeug

Wer nach Corona-Entladung sucht, landet oft bei Folien. Folienhersteller nutzen die Korona gezielt, um die Oberfläche von Polyethylen, Polypropylen und Polyester zu aktivieren. Ein Generator legt 10 bis 20 kV bei 10 bis 60 kHz an eine Elektrode über der laufenden Bahn, die Entladung baut Sauerstoffgruppen in die oberste Moleküllage ein und hebt die Oberflächenspannung auf 38 bis 44 mN/m (Bleher, Folien-Lexikon). Erst dann haften Kleber, Druckfarbe und Kaschierung.

Der Effekt hält nicht ewig. Nach vier Wochen liegt die Oberflächenspannung rund 10 % unter dem Ausgangswert (Bleher), je nach Polymer klingt sie über mehr als 140 Tage ab (Fraunhofer, zitiert in Farbe und Lack). Für Klebe- und Kaschierverbunde heißt das: frisch behandelte Folie zügig verarbeiten. Beispiele stehen in den Beiträgen zur Kaschierfolie und zu Polypropylen-Folien.

FAQ zur Koronaentladung

Ist eine Koronaentladung gefährlich?

Für Menschen in der Nähe einer Freileitung ist die Korona selbst kaum gefährlich, ihr Strom liegt im Mikroamperebereich. Gefährlich ist sie für Isolierungen: UV-Licht, Ionen und Ozon greifen organische Isolierstoffe an, bis sie durchschlagen. In geschlossenen Geräten reichert sich außerdem Ozon an und lässt Dichtungen aus Gummi reißen. Eine hörbare oder sichtbare Korona in einem Schaltschrank oder Motor ist deshalb immer ein Befund, der geklärt werden muss.

Warum knistern Stromleitungen bei Regen?

Wassertropfen auf dem Leiterseil wirken wie viele kleine Spitzen, an denen die Feldstärke die Schwelle von rund 20 kV/cm an der Seiloberfläche überschreitet. Tausende kleiner Entladungen entlang der Leitung erzeugen das Knistern, dazu kommt ein Brummen bei 100 Hz. Bei trockenem Wetter, das über 80 % der Jahresstunden herrscht, bleibt eine Wechselstromleitung meist still.

Was sind Koronaverluste?

Koronaverluste sind die Energie, die eine Hochspannungsleitung durch Koronaentladungen an die Luft abgibt, als Wärme, Licht, Schall und chemische Reaktion. Für eine 380-kV-Leitung nennt der Elektropraktiker als Näherungswert 3 kW je Kilometer, bei ungünstigstem Wetter bis zu 20 % der Übertragungsleistung. Bündelleiter und größere Seildurchmesser halten sie klein.

Was ist der Unterschied zwischen Koronaentladung und Teilentladung?

Teilentladung ist der Oberbegriff für jede Entladung, die die Isolierung zwischen zwei Leitern nur teilweise überbrückt. Die Korona ist ihre äußere Form, sie brennt im Gas an einem stark gekrümmten Leiter. Innere Teilentladungen entstehen in Hohlräumen im Isolierstoff und sind weder sichtbar noch hörbar, deshalb gelten sie in Motoren und Transformatoren als das größere Risiko.

Ab welcher Spannung tritt Korona in Elektromotoren auf?

Nach dem Paschen-Gesetz sind Entladungen in Luft ab etwa 300 V Scheitelspannung möglich, in der Praxis selten unter 500 V. Am Umrichter wird die Wicklung mit bis zur doppelten Zwischenkreisspannung belastet, bei einem 800-V-Antrieb also mit bis zu 1.600 V. Deshalb ist Korona heute ein Thema für jeden umrichtergespeisten Motor, auch weit unter der klassischen Hochspannung.

Welche Isolierstoffe sind koronabeständig?

Am beständigsten sind glimmerhaltige Werkstoffe wie Glimmerband, Mikanit und Nomex 418 mit 50 % Glimmeranteil. Unter den Folien ist Kapton CR die koronabeständige Polyimidfolie: Sie hält bei 20 kV/mm über 100.000 Stunden, die Standardfolie Kapton HN rund 200 Stunden. GOBA verarbeitet diese Werkstoffe zu Stanzteilen und Zuschnitten nach Zeichnung.