Spannungsdurchschlag: Durchschlagspannung, Ablauf und Ursachen

Ein Spannungsdurchschlag tritt auf, wenn die elektrische Feldstärke in einem Material so hoch wird, dass die isolierende Wirkung zusammenbricht. Das führt dazu, dass Strom durch das Material fließt, entweder als Funke oder als Lichtbogen. Die Durchschlagspannung ist die Spannung, bei der ein elektrischer Durchschlag in einem Isolator auftritt. Sie hängt ab von der Dicke des Materials, von seiner Reinheit und Homogenität und von der Spannungsform. In Luft liegt sie bei rund 30 kV für einen Zentimeter Abstand im gleichmäßigen Feld (Wikipedia, Durchschlagfestigkeit), unter 330 bis 350 V ist ein Durchschlag in Luft bei keinem Abstand möglich (Hinrichsen, TU Darmstadt). Eine 25 µm dicke Polyimidfolie Kapton HN hält kurzzeitig 7,7 kV (Qnity, Datenblatt Kapton HN). Dieser Beitrag erklärt Ablauf und Mechanismen des Durchschlags, die Durchschlagspannung von Luft in Zahlen, die Abgrenzung zu Überschlag, Teilentladung und Kriechstrom und die Ursachen an gestanzten Isolierteilen und Formteilen.

Durchschlagspannung in kV und Durchschlagsfestigkeit in kV/mm sind zwei Größen

Die Durchschlagspannung gehört zum Bauteil. Sie sagt, bei wie viel Volt genau diese Folie, dieses Kabel oder diese Luftstrecke versagt. Die Durchschlagsfestigkeit gehört zum Werkstoff und bezieht die Spannung auf die Dicke, deshalb steht sie in kV/mm. Der Kabelhersteller KBE rechnet es vor: Ein Isolierkunststoff mit 20 kV/mm und 2 mm Wandstärke ergibt rechnerisch 40 kV Durchschlagspannung. Diese Rechnung stimmt nur grob, weil die Durchschlagspannung mit der Dicke langsamer wächst als linear, etwa mit der Wurzel der Strecke (Wikipedia, Durchschlagspannung).

Die Herstellerdaten zweier Werkstoffe, die wir täglich verarbeiten, zeigen den Unterschied am selben Material (Qnity, Datenblatt Kapton HN, ASTM D149; Arclin, Datenblatt Nomex 410, AC rapid rise). Die Durchschlagspannung ist jeweils aus Dicke und Kurzzeitwert berechnet.

Die Folie mit dem höchsten kV/mm-Wert hat die niedrigste Durchschlagspannung. Wer ein Bauteil auslegt, braucht die Spannung in Volt, wer einen Werkstoff vergleicht, den Wert in kV/mm. Alle Werte sind Kurzzeitwerte aus Prüfungen von 10 bis 20 Sekunden Dauer. Die große Werkstofftabelle, die Messung nach IEC 60243 und die Einflüsse von Temperatur, Feuchte und Frequenz stehen im Beitrag zur elektrischen Durchschlagsfestigkeit. Welche Prüfspannung ein fertiges Gerät nach Norm bestehen muss, behandelt der Beitrag zur Spannungsfestigkeit.

So läuft ein elektrischer Durchschlag ab

Am Anfang steht ein einzelnes freies Elektron. Im starken Feld nimmt es zwischen zwei Stößen so viel Energie auf, dass es beim nächsten Stoß ein weiteres Elektron aus einem Atom schlägt. Aus einem Elektron werden zwei, vier, acht: eine Elektronenlawine. In Luft bei Normaldruck genügt dieser Lawinenmechanismus nach Townsend bis etwa 1 cm Abstand, bei größeren Abständen wächst aus der Lawine ein schwach leitender Kanal, der Streamer, der mit 10 bis 100 cm/µs auf die Gegenelektrode zuwächst (Hinrichsen, TU Darmstadt). Sobald der Kanal die Strecke überbrückt, bricht die Spannung auf die Lichtbogenspannung ein.

Im Kanal entsteht durch Hitze und Ionisation ein leitfähiges Plasma. Seine Ultraviolettstrahlung schlägt weitere Elektronen aus dem Isolierstoff und erhöht die Leitfähigkeit noch einmal (Wikipedia, Spannungsdurchschlag). Der ganze Vorgang dauert in Luft wenig mehr als 100 ns (Hinrichsen). Was danach passiert, entscheidet die Stromquelle: Kann sie den Strom nicht halten, erlischt der Durchschlag als Funke. Kann sie ihn liefern, brennt er als Lichtbogen weiter, und der erreicht rund 30.000 °C (Wikipedia, Electrical breakdown).

Für die Auslegung zählt die Folge. Gase heilen nach dem Durchschlag vollständig aus, Flüssigkeiten teilweise, feste Isolierstoffe nie (Benha University, Breakdown in Solid Dielectrics). Ein Kunststoff verkohlt entlang des Kanals, und die Kohle leitet. Ein Durchschlag in einer Folie, einem Pressspan oder einem Aramidpapier ist deshalb immer ein Dauerschaden.

Vier Mechanismen führen zum Durchschlag fester Isolierstoffe

Die Hochspannungstechnik unterscheidet den Durchschlag nach der Zeit, die er braucht. Je länger die Spannung anliegt, desto niedriger liegt die Spannung, bei der das Material versagt.

1. Der rein elektrische Durchschlag ist der schnellste. Das Feld reißt Elektronen aus dem Gitter oder aus Störstellen an Korngrenzen und Fremdatomen, die Lawine läuft durch das Material (IEH Hannover, Versuch Isolierstoffe). Er dauert etwa 10 hoch minus 8 Sekunden (Benha University) und tritt bei Blitz- und Schaltüberspannungen auf.
2. Der Wärmedurchschlag setzt ein, wenn die dem Isolierstoff zugeführte Wärmeleistung dauerhaft größer ist als die abgeführte (IEH Hannover). Dielektrische Verluste erzeugen Wärme, Wärme erhöht die Verluste, bis das Material thermisch zerstört ist. Bei Wechselspannung ist er früher erreicht als bei Gleichspannung, weil die Verluste mit der Frequenz steigen (Benha University).
3. Der elektromechanische Durchschlag betrifft weiche Folien. Die Anziehung der Ladungen auf beiden Elektroden drückt den Isolierstoff zusammen, dünner heißt höhere Feldstärke, und ab einer Kompression auf 60 % der Ausgangsdicke kippt das System (highvoltageisoco).
4. Der Erosionsdurchschlag ist der langsamste und in der Praxis der häufigste. Teilentladungen in Hohlräumen fressen sich über Jahre bis Jahrzehnte durch das Material, bis ein Kanal die Strecke überbrückt (Uni Hannover, Dissertation Epoxidharzisoliersysteme). Dafür gilt das Lebensdauergesetz E hoch N mal t gleich konstant, und als Erfahrungswert halbieren 10 K mehr Temperatur die Lebensdauer des Isolationssystems (elektro.net).

Die Mechanismen treten selten allein auf. Das Prüflabor CRW Engineering nennt es ein Zusammenspiel: Ein Hohlraum startet die Erosion, die Erosion erhöht die Verluste, die Verluste heizen, und am Ende schlägt das Material elektrisch durch. Wie die Teilentladung im Hohlraum zündet und gemessen wird, steht im Beitrag zur Teilentladung, die Entladung an Spitzen und Kanten in Luft im Beitrag zur Koronaentladung.

Durchschlagspannung von Luft in Zahlen

Für Luft kursieren in Foren und Lexika Werte von 0,1 bis 3,3 kV/mm, und alle sind irgendwo richtig. Die Spannung hängt vom Abstand, von der Form der Elektroden und vom Druck ab. Im gleichmäßigen Feld zwischen zwei großen, glatten Elektroden gilt bei 20 °C und Normaldruck die Näherung Ud = 24,36 kV/cm mal Abstand plus 6,72 kV mal Wurzel des Abstands in Zentimetern, gültig von 1 bis 10 cm (Hinrichsen, TU Darmstadt). Daraus, aus dem Paschen-Minimum (Hinrichsen), aus den Werten für 1 mm und 1 cm (Wikipedia, Durchschlagfestigkeit), dem Spitzenwert (Elektronik-Kompendium) und der Faustregel für Funkenstrecken (Wikipedia) ergibt sich die Tabelle.

Zwei Dinge fallen auf. Die mittlere Feldstärke sinkt mit dem Abstand, Luft ist pro Millimeter bei 1 mm stärker als bei 10 cm. Und Spitzen senken die Spannung auf ein Drittel oder weniger, weil sich das Feld an der Spitze bündelt und dort schon Vorentladungen zünden (Hinrichsen). Die Faustregel von 1 kV je Millimeter ist deshalb eine Sicherheitsmarge für Anordnungen mit Kanten, Feuchte und Staub, kein Physikwert. Unter dem Paschen-Minimum gibt es keinen Durchschlag in Luft, egal wie klein der Spalt ist. Druck, Höhe und der Vergleich mit SF6, Öl und Vakuum stehen im Beitrag zur Durchschlagsfestigkeit von Luft und anderen Medien.

Durchschlag, Überschlag, Teilentladung und Kriechstrom: vier Begriffe, vier Ereignisse

Die Normen trennen die Begriffe nach dem Ort der Entladung und nach dem Schaden. Der Elektropraktiker fasst DIN VDE 0303 und DIN EN 60664-1 so zusammen: Der Durchschlag ist die vollständige elektrische Entladung in einem festen Isolierstoff und führt zur dauernden Überbrückung der Isolierung. Der Überschlag ist die vollständige Entladung in einem Gas, einer Flüssigkeit oder entlang der Oberfläche eines festen Isolierstoffs, mit vorübergehendem oder dauerndem Verlust der Isolation.

Ein Überschlag an einem Isolator bei Regen ist nach dem Abtrocknen vorbei. Ein Durchschlag durch eine Nutisolation ist es nie. Deshalb legt die Konstruktion Luftstrecken so aus, dass ein Überschlag vor dem Durchschlag kommt. Der Kriechstrom, der auf einer verschmutzten Oberfläche fließt, ohne dass es blitzt, hat einen eigenen Beitrag, ebenso die Kriechstrecke, mit der man ihn in Schach hält.

In der Halbleitertechnik heißt dieselbe Spannung Durchbruchspannung. Dort ist sie ein Betriebspunkt und kein Schaden: Eine Zener-Diode arbeitet im Durchbruch, und der Lawinen-Durchbruch einer Sperrschicht ist umkehrbar, solange die Verlustleistung begrenzt bleibt (Wikipedia, Durchschlagspannung). Diode, Zener-Effekt und Lawineneffekt behandelt der Beitrag zur Durchbruchspannung.

Schadensbilder und Ursachen am Isolierteil

Ein Isolierteil schlägt fast nie durch, weil der Werkstoff zu schwach war. Es schlägt durch, weil an einer Stelle die Feldstärke höher war als gedacht oder die Isolierung dünner als gezeichnet. Das Schadensbild zeigt meist, welcher Fall vorliegt. Ein sauberes Loch mit verkohltem Rand mitten in der Fläche deutet auf einen elektrischen oder thermischen Durchschlag. Eine verästelte, bäumchenförmige Spur unter der Oberfläche ist Treeing, der Erosionsdurchschlag nach langer Teilentladung (Wikipedia, Electrical treeing). Eine dunkle Spur auf der Oberfläche vom Leiter zur Kante ist ein Überschlag mit Kriechspur. Fünf Ursachen sehen wir immer wieder:

• Ein Grat oder eine ausgefranste Schnittkante wirkt wie eine Spitze. Dort bündelt sich das Feld, dort zündet die erste Entladung, auch wenn die Fläche daneben Reserven hat. Grat entsteht beim Stanzen von Folien, wenn der Schneidspalt nicht zur Dicke passt.
• Eine Delamination an der Schnittkante eines Laminats öffnet einen Spalt, in dem Luft steht. Sie entsteht, wenn die Klinge zu stumpf ist.
• Ein Lufteinschluss im Harz oder zwischen zwei Lagen ist die klassische Startstelle der Teilentladung. Im Hohlraum ist die Feldstärke um den Faktor der Permittivität des umgebenden Stoffs höher, bei Epoxidharz etwa um das Drei- bis Vierfache (Benha University), und Luft hält nur 3 kV/mm. Gießlunker gelten als herstellungsbedingte Schwachstelle (IEH Hannover).
• Feuchte senkt die Durchschlagspannung von Zellulose und Papier am stärksten. Im Öl richten sich feuchte Fasern im Feld aus und bilden leitfähige Brücken (IEH Hannover, Faserbrückendurchschlag), im Pressspan steigt die Leitfähigkeit, und der Wärmedurchschlag rückt näher.
• Thermische Alterung macht organische Isolierstoffe spröde und rissig. Jeder Riss ist ein neuer Hohlraum.

Der häufigste Einwand aus der Konstruktion lautet: Dann nehmen wir das Material eben eine Stufe dicker. Das hilft weniger, als es scheint. Die Durchschlagspannung wächst nur mit der Wurzel der Dicke, und der Grat an der Kante bleibt ein Grat. Eine 0,25 mm dicke Nomex-Nutisolation mit sauberer Kante hält mehr als eine 0,38 mm dicke mit Delamination. Unsere Empfehlung lautet deshalb: erst die Geometrie und die Kante, dann die Dicke.

Durchschlag vermeiden: in der Konstruktion und in der Fertigung

Jede Maßnahme senkt die Feldstärke an der schwächsten Stelle oder entfernt die Luft, in der die erste Entladung zündet. Die Reihenfolge ist Absicht:

1. Luftstrecken nach DIN EN 60664-1 bemessen. Für ein 230/400-V-Netz gelten Bemessungsstoßspannungen von 2,5 kV (Überspannungskategorie II), 4 kV (III) und 6 kV (IV). Die Mindestluftstrecken dafür betragen im inhomogenen Feld 1,5 mm, 3 mm und 5,5 mm, im homogenen Feld 0,6 mm, 1,2 mm und 2 mm, jeweils bis 2.000 m Höhe (Weidmüller und WAGO nach IEC 60664-1, Tabelle F.2).
2. Kanten runden und Spitzen vermeiden, am Leiter wie am Isolierteil. Eine Nutisolation bekommt umgeschlagene Kanten, die Cuffs, damit keine Blechkante frei am Papier liegt.
3. Isolierdicke mit Dauerwert statt Kurzzeitwert auslegen. Arclin nennt für Nomex 410 im Dauerbetrieb 1,6 kV/mm, obwohl das Datenblatt 33 kV/mm ausweist. Dazwischen liegen Alterung, Feuchte und Teilentladung.
4. Hohlräume beseitigen: Wicklungen tränken oder vergießen, möglichst unter Vakuum.
5. Die Kante des Isolierteils als elektrische Eigenschaft behandeln. GOBA stanzt Nutisolationen, Phasentrenner und Deckschieber aus Nomex, Kapton, Pressspan und Laminaten in Dicken von 0,023 bis 3,0 mm und bis 1.000 x 2.000 mm, mit Bandstahlschnitt oder Vollstahlwerkzeug, und prüft die Teile auf Kantenrisse und Delamination. Beim Stanzen und Formen passen wir Schneidspalt und Klinge an die Dicke an, damit Folie und Laminat ohne Grat aus dem Werkzeug kommen.
6. Das fertige Bauteil mit Prüfspannung freigeben. Welche Spannung, wie lange und mit welchem Prüfstrom, regeln die Gerätenormen im Beitrag zur Spannungsfestigkeit.

Wenn Sie Spannungsklasse und Einbausituation kennen, empfehlen wir Werkstoff und Dicke aus unseren Isoliermaterialien, die den Dauerwert hält, statt allein den Kurzzeitwert aus dem Datenblatt. Schicken Sie uns Zeichnung, Betriebsspannung und Umgebung, unsere Beratung antwortet innerhalb von 24 Stunden an Werktagen.

FAQ zum Spannungsdurchschlag

Wie hoch ist die Durchschlagspannung von Luft?

Im gleichmäßigen Feld hält Luft bei Normaldruck rund 3 kV je Millimeter, also etwa 30 kV bei einem Zentimeter und rund 265 kV bei zehn Zentimetern. Zwischen zwei Spitzen reicht schon rund 1 kV für einen Funken. Unter 330 bis 350 V, dem Paschen-Minimum, schlägt Luft bei keinem Abstand durch. Als Sicherheitsregel für reale Anordnungen gilt 1 kV je Millimeter.

Was ist der Unterschied zwischen Durchschlag und Überschlag?

Der Durchschlag geht durch den festen Isolierstoff und hinterlässt einen verkohlten Kanal, der Schaden ist dauerhaft. Der Überschlag geht durch Luft, Öl oder entlang einer Oberfläche; nach dem Abtrocknen oder Entionisieren isoliert die Strecke meist wieder. Die Konstruktion legt Luftstrecken deshalb so aus, dass ein Überschlag vor dem Durchschlag kommt.

Was passiert beim elektrischen Durchschlag?

Ein freies Elektron löst im starken Feld eine Lawine weiterer Elektronen aus. Ab etwa 1 cm Abstand in Luft wächst daraus ein leitfähiger Kanal, der mit 10 bis 100 cm/µs zur Gegenelektrode läuft. Der Kanal wird zum Plasma, die Spannung bricht ein, und je nach Stromquelle erlischt der Durchschlag als Funke oder brennt als Lichtbogen weiter. Das Ganze dauert wenig mehr als 100 Nanosekunden.

Wovon hängt die Durchschlagspannung eines Isolierteils ab?

Von der Dicke, aber nur etwa mit deren Wurzel, von der Form der Elektroden und Kanten, von Temperatur, Feuchte und Frequenz, von der Dauer der Beanspruchung und von Fehlstellen wie Lufteinschlüssen, Grat und Delamination. Für Nomex 410 steht im Datenblatt 33 kV/mm als Kurzzeitwert, für den Dauerbetrieb nennt der Hersteller 1,6 kV/mm.

Ist ein Spannungsdurchschlag immer ein Dauerschaden?

In festen Isolierstoffen ja. Der Kanal verkohlt und leitet, das Teil muss getauscht werden. Gase wie Luft heilen vollständig aus, Isolieröle teilweise. Bei Halbleitern ist der Durchbruch umkehrbar, solange die Verlustleistung begrenzt bleibt.

Was unterscheidet Durchschlagspannung und Durchbruchspannung?

Die Durchschlagspannung bezeichnet das Versagen eines Isolierstoffs oder einer Luftstrecke und ist bei Feststoffen ein Schaden. Die Durchbruchspannung ist der Begriff der Halbleitertechnik für die Sperrspannung, bei der eine Diode leitend wird; eine Zener-Diode arbeitet gezielt in diesem Bereich. Beide Begriffe meinen dieselbe Physik, aber einmal einen Defekt und einmal einen Betriebspunkt.