Spannungsfestigkeit

Spannungsfestigkeit bezeichnet die Fähigkeit eines Materials oder einer elektrischen Komponente, einer bestimmten elektrischen Spannung standzuhalten, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag oder einer elektrischen Leitfähigkeit innerhalb des Isoliermaterials kommt. Am fertigen Bauteil, Gerät, Motor oder Kabel wird sie als Prüfspannung in Volt oder Kilovolt angegeben und mit einer Hochspannungsprüfung nachgewiesen. Am Werkstoff heißt dieselbe Größe, auf die Dicke bezogen in kV/mm, Durchschlagsfestigkeit. Die Prüfspannungen liegen weit über der Betriebsspannung: Ein Haushaltsgerät am 230-V-Netz muss in der Stückprüfung 1.000 V für 1 s halten, mit verstärkter Isolierung 2.500 V (EN 60335-1, Anhang A), eine Motorwicklung 2 U + 1.000 V, mindestens 1.500 V, für 1 min (IEC 60034-1), eine Steuerleitung mit 300/500 V Nennspannung 4.000 V (Lapp, Datenblatt ÖLFLEX CLASSIC 110). Dieser Beitrag zeigt, welche Prüfspannung welche Norm verlangt, wie die Prüfung abläuft, wo die Grenze zur Durchschlagsfestigkeit liegt und wie Sie daraus Dicke und Lagenzahl der Isoliermaterialien für Ihr Teil ableiten.

Spannungsfestigkeit und Durchschlagsfestigkeit: das Bauteil hält Kilovolt, der Werkstoff Kilovolt je Millimeter

Die Spannungsfestigkeit gehört zum fertigen Teil mit seiner Geometrie, seinen Kanten, Luftspalten und Kriechwegen. Die Durchschlagsfestigkeit gehört zum Werkstoff und wird an einer Probe zwischen genormten Elektroden nach IEC 60243 gemessen. Dass sich beide Zahlen nicht linear ineinander umrechnen lassen, zeigt das Datenblatt einer Polyesterfolie: Hostaphan RN hält bei 50 µm 12 kV, bei 350 µm 45 kV (Mitsubishi, Datenblatt über Deffner und Johann). Das sind 240 kV/mm bei der dünnen und rund 129 kV/mm bei der dicken Folie. Der kV/mm-Wert fällt mit der Dicke, die Prüfspannung am Teil steigt trotzdem.

Die Prüfspannung steht also in der Norm Ihres Produkts, die Durchschlagsfestigkeit im Datenblatt des Werkstoffs, und dazwischen liegen Dicke, Geometrie und ein Sicherheitsfaktor.

Prüfspannung gegen Betriebsspannung: die Regel 2 U + 1.000 V

Die Prüfspannung ist kein Wert, den ein Teil dauerhaft aushalten soll. Sie weist in einer Minute oder einer Sekunde nach, dass zwischen Betriebsspannung und Durchschlag genug Reserve für Überspannungen, Feuchte und Alterung bleibt. Die älteste Faustregel stammt aus der Maschinennorm IEC 60034-1: doppelte Bemessungsspannung plus 1.000 V, mindestens 1.500 V. Für ein 230-V-Gerät ergibt das 1.460 V, in der Praxis gerundet auf 1.500 V (Sourcetronic). Ein Hersteller von Reinigungsgeräten prüft deshalb alle Geräte der Schutzklasse I einheitlich mit 1.500 V AC und alle der Schutzklasse II mit 2.500 V AC, obwohl EN 50106 für Schutzklasse I nur 1.000 V verlangt (Kärcher, Werksnorm KN 050.046).

Drei Spannungen sind auseinanderzuhalten. Die Bemessungsspannung steht auf dem Typenschild. Die Arbeitsspannung ist der höchste Effektivwert, der im Betrieb dauerhaft an einer Isolierung anliegt (EN 61010-031, zitiert nach SAB Kabel), und sie bestimmt in den Gerätenormen die Prüfspannung. Die Bemessungsstoßspannung ist die transiente Überspannung aus dem Netz, die ein Gerät seiner Überspannungskategorie nach überstehen muss, am 230-V-Netz 2,5 kV in Kategorie II und 4 kV in Kategorie III (DIN EN 60664-1, Weidmüller).

Ein Einwand aus der Fertigung lautet: Die Isolationsmessung mit 500 V DC ist schneller und ungefährlich, reicht sie nicht? Nein. Sie misst den Widerstand in Megaohm und findet Feuchte und Verschmutzung. Eine zu dünne Stelle, einen Grat unter der Folie oder einen Luftspalt, der erst bei 1.500 V zündet, findet nur die Hochspannungsprüfung, weil sie die Isolierung mit der Spannung belastet, die im Fehlerfall anliegt (Weetech, Schleich). Beide Prüfungen gehören zusammen, die Isolationsmessung zuerst. Ihre Grenzwerte behandelt der Beitrag zum Isolationswiderstand.

Prüfspannungen nach Normen: Haushaltsgeräte, Motoren, Schaltanlagen, Kabel, Kondensatoren

Jede Produktnorm legt Prüfspannung, Prüfdauer und Auslösestrom selbst fest, die Prüfgerätehersteller verweisen ausdrücklich darauf (Schleich). Die Tabelle fasst die Werte zusammen, die für Isolierteile am häufigsten zählen. Alle gelten für Wechselspannung mit 50 oder 60 Hz, wenn nichts anderes steht.

Quellen: EN 60335-1, OVE-Leitfaden 2024, Hensel, Kärcher KN 050.046, AMK, Lapp, Sprecher Automation, WIMA. Zwei Muster ziehen sich durch alle Normen. Die Typprüfung dauert eine Minute und liegt höher, die Stückprüfung an jedem Gerät dauert eine Sekunde und liegt niedriger, weil sie die Isolierung nicht vorschädigen soll. Und verstärkte Isolierung wird mit etwa der doppelten Spannung der Basisisolierung geprüft, 2.500 statt 1.000 V in der Stückprüfung. Für Isolierteile in der Weißen Ware ist diese Spalte die maßgebliche, denn Nutisolation, Trennlagen und Abdeckungen sitzen fast immer zwischen aktiven und berührbaren Teilen. Geräte, die wir für die Haushaltsgeräteindustrie beliefern, laufen nach dem Zusammenbau durch genau diese 1-Sekunden-Prüfung.

Bei Wicklungen gilt eine Zusatzregel: Die volle Prüfspannung wird nur einmal an der neuen Maschine angelegt. Eine Wiederholung läuft mit 80 % (Kärcher), teilweise erneuerte Wicklungen werden mit 75 % geprüft (OVE-Leitfaden). Jede Prüfung kostet Lebensdauer. Wie die Wicklungsisolierung diese Prüfung mit Reserve besteht, steht im Beitrag zur Statorisolation, die Spannungsklassen von Leitungen im Beitrag zur Kabelisolierung.

Spannungsfestigkeit prüfen: so läuft eine Hochspannungsprüfung ab

Der Ablauf ist in allen Normen ähnlich, die Zahlen stammen aus dem OVE-Leitfaden für Maschinenwicklungen und der Kärcher-Werksnorm für Geräte.

1. Isolationswiderstand messen, üblich mit 500 V DC, bei Wicklungen zusätzlich den Polarisationsindex nach IEC 60034-27-4. Liegt der Wert unter dem Mindestwert, wird getrocknet, nicht geprüft.
2. Prüfling anschließen: Alle aktiven Leiter (L1 bis L3 und N) kurzschließen und gegen Schutzleiter und berührbare Teile prüfen, berührbare Isolierstoffoberflächen mit Metallfolie abdecken (EN 60335-1, 16.3). Geräteschalter einschalten, sonst bleibt die Hälfte der Isolierung ungeprüft.
3. Spannung anfahren: mit höchstens der halben Prüfspannung beginnen, mit 1 bis 2 kV/s oder in Stufen von 5 % auf den Endwert erhöhen, Anstieg vom halben auf den vollen Wert mindestens 10 s (OVE). In der Stückprüfung übernimmt das die Rampe des Prüfgeräts.
4. Halten: 1 min in der Typprüfung, 1 s in der Stückprüfung. In dieser Zeit darf kein Durchschlag und kein Überschlag auftreten.
5. Bewerten: Das Prüfgerät überwacht den Strom. Überschreitet er den Auslösestrom, bei Haushaltsgeräten 5 mA, bei Geräten mit Y-Kondensatoren bis 30 mA (Kärcher), bei Umrichtern 2 mA (AMK), ist das Teil durchgefallen.
6. Entladen: Nach einer DC-Prüfung den Prüfling kontrolliert entladen, bei Wicklungen über einen Vorwiderstand für die vierfache Prüfdauer (OVE). Scheitelwert, Dauer und Datum protokollieren.

Die Spannungsart wählt die Norm. Wechselspannung mit Netzfrequenz ist der Standard, weil sie die Isolierung wie der Betrieb beansprucht. Gleichspannung ist erlaubt, wenn die Norm es zulässt, dann mit dem 1,5-fachen Wert der AC-Prüfspannung (Schleich, QS Control), bei Haushaltsgeräten mit dem Faktor 1,414 (Kärcher) und bei Maschinen ab 6 kV mit dem Äquivalenzfaktor 1,7 (OVE). Sie kommt mit kleinen Prüfgeräten aus, hinterlässt in VPE-Kabeln aber Raumladungen, weshalb Mittelspannungskabel heute mit 0,1 Hz geprüft werden (KMFO). Die Stoßspannungsprüfung mit dem Normstoß 1,2/50 µs, dreimal je Polarität, weist die Bemessungsstoßspannung nach (EN 60335-1, Tabelle 6) und gehört zur Typprüfung. Für den Prüfplatz gilt DIN EN 50191: Liefert die Quelle mehr als 3 mA AC oder 12 mA DC, braucht der Platz zwangläufigen Berührungsschutz oder Zweihandbedienung (BGI 891), deshalb begrenzen Prüfgeräte für die Linie den Kurzschlussstrom auf 3 mA (EA Electronic).

Spannungsfestigkeit von Luft: Luft- und Kriechstrecken nach IEC 60664-1

Luft hält unter Normbedingungen rund 3 kV je Millimeter (Wikipedia, Durchschlagfestigkeit, nennt 1 bis 3 kV/mm bei 1 mm). Für die Konstruktion zählt dieser Wert nur indirekt. Ausgelegt wird eine Luftstrecke nach der Bemessungsstoßspannung ihrer Überspannungskategorie, die Zahlen stehen in DIN EN 60664-1 und wurden für das 230/400-V-Netz von Weidmüller zusammengestellt.

Die 3,0 mm für Kategorie III hielten nach der 3-kV/mm-Regel rechnerisch 9 kV. Die Norm verlangt sie für einen Stoß von 4 kV, weil Feuchte, Staub, Höhenlage und jeder Grat am Rand die Strecke schwächen; über 2.000 m kommt eine Höhenkorrektur hinzu (Cotronic). Die Kriechstrecke entlang einer Isolierstoffoberfläche ist länger und hängt vom Werkstoff ab: Bei 250 V und Verschmutzungsgrad 2 sind es 1,25 mm für Isolierstoffgruppe I, 1,8 mm für Gruppe II und 2,5 mm für Gruppe III (Weidmüller), bei Verschmutzungsgrad 3 in Kategorie III schon 5,0 mm neben 3,0 mm Luftstrecke (Cotronic). Ein Phasentrenner ersetzt die Luftstrecke durch feste Isolierung, und die Spannungsfestigkeit des Teils entscheidet sich an seinem Rand, wo die Kriechstrecke um die Kante läuft. Deshalb schreiben Gerätenormen Überstände vor. Die Werkstoffseite der Kriechstrecke behandelt der Beitrag zum Kriechweg.

Folien und Isolierteile für eine definierte Prüfspannung auswählen

Die Produktnorm liefert die Prüfspannung, das Datenblatt die Durchschlagspannung bei der Dicke, die Konstruktion die Lagenzahl. EN 60335-1 verlangt für feste Isolierung 1 mm Dicke als zusätzliche und 2 mm als verstärkte Isolierung. Ein Folienteil braucht diese Dicke nicht, wenn die zusätzliche Isolierung aus mindestens zwei Lagen besteht, von denen jede die Prüfung nach 16.3 besteht, und die verstärkte aus mindestens drei Lagen, von denen je zwei zusammen die Prüfung bestehen; Naturglimmer ist davon ausgenommen (EN 60335-1, Abschnitt 29.3). Für ein 230-V-Gerät muss also jede Lage einer zusätzlichen Isolierung 1.750 V halten und je zwei Lagen einer verstärkten Isolierung 3.000 V. Wir raten dazu, diese Prüfspannung mit der Lagenzahl auf die Zeichnung des Isolierteils zu schreiben, zusätzlich zur Dicke.

Die Datenblätter geben die Antwort, wenn man sie bei der richtigen Dicke liest. Hostaphan RN hält 12 kV bei 50 µm, 19 kV bei 100 µm, 30 kV bei 190 µm und 35 kV bei 250 µm, gemessen nach DIN 40634 bei 23 °C und 50 Hz; bei 150 °C fällt der Wert der 190-µm-Folie von 30 auf 26 kV (Mitsubishi). Nomex 410 erreicht bei 0,25 mm 32 kV/mm, also rund 8 kV je Lage, und DuPont empfiehlt im Dauerbetrieb höchstens 1,6 kV/mm (DuPont, Datenblatt Nomex 410, Werte ausdrücklich keine Auslegungswerte). Eine 3.000-V-Prüfung ist an einer einzelnen 50-µm-Lage rechnerisch viermal abgedeckt, aber Lagenregel, Temperatur im Gerät und Kante entscheiden, ob eine Lage reicht. Welche Dicke aus Steifigkeit und Nut folgt, steht im Beitrag zur Polyesterfolie, die Aramidpapiere im Beitrag zu Nomex.

• Prüfspannung und Prüfdauer aus der Norm des Endprodukts übernehmen, nicht aus der Werkstoffnorm.
• Die Durchschlagspannung des Datenblatts bei der gelieferten Dicke lesen und auf die Temperatur im Gerät abschlagen, den kV/mm-Wert nie hochrechnen.
• Die Lagenzahl nach der Isolierungsart festlegen: zwei Lagen für zusätzliche, drei für verstärkte Isolierung, wenn die Dicke unter 1 bzw. 2 mm bleibt.
• Überstände einplanen und die Kante als Prüfmerkmal behandeln.

GOBA stanzt Isolierteile aus Polyesterfolie, Nomex, Laminaten und Pressspan in Dicken von 0,023 bis 3,0 mm und bis 1.000 x 2.000 mm und schneidet Rollenware in Breiten von 5 bis 1.600 mm mit ±0,1 mm. Bei Folien unter 36 µm entscheidet die Schnittkante über die Spannungsfestigkeit des fertigen Teils. Auf unseren Seiten zu Polyesterfolien und Isolierteilen und Formteilen finden Sie die Werkstoffe und Dicken, die wir verarbeiten. Schicken Sie uns die Prüfspannung Ihrer Norm, die Isolierungsart und die Zeichnung, dann schlagen wir Werkstoff, Dicke und Lagenzahl vor. Die übrigen Kennwerte einer Isolierung ordnet der Beitrag zu den Isolationseigenschaften ein, den Überblick über die Werkstoffe gibt der Beitrag zum Isoliermaterial.

FAQ zur Spannungsfestigkeit

Wie prüft man die Spannungsfestigkeit eines Geräts?

Mit einer Hochspannungsprüfung: Alle aktiven Leiter werden kurzgeschlossen und gegen Schutzleiter und berührbare Teile geprüft, in der Stückprüfung nach EN 60335-1 mit 1.000 V für 1 s bei Basisisolierung und 2.500 V bei verstärkter Isolierung. Das Prüfgerät überwacht den Strom, bei mehr als 5 mA oder einem Durchschlag fällt das Gerät durch. Vorher wird der Isolationswiderstand mit 500 V DC gemessen.

Was ist der Unterschied zwischen Spannungsfestigkeit und Durchschlagsfestigkeit?

Die Spannungsfestigkeit beschreibt das fertige Bauteil und wird als Prüfspannung in Kilovolt mit Prüfdauer angegeben. Die Durchschlagsfestigkeit beschreibt den Werkstoff in kV/mm, gemessen nach IEC 60243. Beide lassen sich nicht linear umrechnen: Hostaphan RN hält bei 50 µm 12 kV, das sind 240 kV/mm, bei 350 µm 45 kV, nur noch rund 129 kV/mm.

Welche Spannungsfestigkeit hat Luft?

Trockene Luft hält unter Normbedingungen rund 3 kV je Millimeter bei 1 mm Abstand. Für die Konstruktion zählt die Mindestluftstrecke nach DIN EN 60664-1: am 230/400-V-Netz 1,5 mm für Haushaltsgeräte der Überspannungskategorie II und 3,0 mm für feste Installationen der Kategorie III im inhomogenen Feld. Die Kriechstrecke an einer Isolierstoffoberfläche ist länger, bei 250 V und Verschmutzungsgrad 2 je nach Werkstoff 1,25 bis 2,5 mm.

Welche Prüfspannung gilt für Kabel und Leitungen?

Leitungen werden beim Hersteller mit einem Vielfachen ihrer Nennspannung geprüft. Eine Steuerleitung mit 300/500 V Nennspannung trägt im Datenblatt 4.000 V Prüfspannung (Lapp ÖLFLEX CLASSIC 110). Mittelspannungskabel werden nach dem Verlegen mit 0,1-Hz-Wechselspannung bis zum Zweifachen der Leiter-Erde-Spannung U0 für 15 bis 60 min geprüft.

Was bedeutet Spannungsfestigkeit bei Kondensatoren?

Bei Kondensatoren ist die Nennspannung die Grenze für den Dauerbetrieb, die Prüfspannung liegt darüber und darf nur kurz anliegen. Folienkondensatoren werden nach IEC 60384 mit dem 1,6-fachen (MKS, MKP) oder 2-fachen (FKP) der Nennspannung für 2 s geprüft (WIMA). Je nach Technologie liegt die Prüfspannung beim 1,2- bis 2,5-fachen der Nennspannung (Elektronikpraxis).

Mit Wechselspannung oder Gleichspannung prüfen?

Wechselspannung ist der Standard, weil sie die Isolierung wie im Betrieb beansprucht. Gleichspannung ist erlaubt, wenn die Norm es zulässt, dann mit dem 1,5-fachen Wert, bei Haushaltsgeräten mit dem Faktor 1,414 und bei Maschinen ab 6 kV mit dem Faktor 1,7. Sie braucht kleinere Prüfgeräte und bleibt unter der 12-mA-Grenze der EN 50191, der Prüfling muss danach aber entladen werden.