Durchschlagfestigkeit

Die Durchschlagfestigkeit (auch Durchschlag- / Durchbruchfeldstärke, (di)elektrische Festigkeit) eines (dielektrischen) Isolierstoffes mit definierter Dicke ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in ihm höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt.<ref>Handbuch Faserverbundkunststoffe: Grundlagen Verarbeitung Anwendungen. Springer-Verlag, 2010, ISBN 978-3-8348-0881-3, S. 575 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]). </ref><ref>Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler: Werkstoffe in der Elektrotechnik: Grundlagen – Struktur – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung – Technologie. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43748-7, S. 223 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]). </ref>

Ihr Wert ist von verschiedenen Faktoren abhängig und daher keine Materialkonstante.<ref>Wilfried Plaßmann, Detlef Schulz: Handbuch Elektrotechnik: Grundlagen und Anwendungen für Elektrotechniker. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-07049-6, S. 295 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]). </ref>

Definition und Einheit

Die elektrische Feldstärke <math>E_\mathrm d</math>, bei welcher sich in einem (dielektrischen) Isolierstoff aufgrund des Anstieges der elektrischen Leitfähigkeit ein elektrisch leitender Pfad („Spannungsdurchschlag“) bildet, wird als Durchschlagfestigkeit bezeichnet.

Sie berechnet sich aus der (experimentell beobachteten) Durchschlagspannung <math>U_\mathrm d</math> bezogen auf die Dicke <math>d</math> der Isolation:

<math>E_\mathrm d = \frac{U_\mathrm d}{d}</math>.

Speziell bei Gasen wird statt der Dicke auch der Elektrodenabstand bzw. die Schlagweite <math>s</math> verwendet. Die Angabe der Durchschlagfestigkeit erfolgt oft in der Maßeinheit <math>\mathrm{{kV}/{mm}}</math>.

Durchschlagfestigkeit in der Praxis

Die praktisch erzielbare Durchschlagfestigkeit wird wesentlich durch die Feldgestalt beeinflusst. Hierauf haben die Leitergeometrien und Inhomogenitäten im Isolierstoff den größten Einfluss. Darauf beruht auch der Effekt, dass dünne Folien eine wesentlich höhere Durchschlagfestigkeit aufweisen als dicke Barrieren. Auch eingeschlossene Lufträume haben bei Wechselspannung einen die Dauer-Durchschlagfestigkeit verringernden Effekt. Ursache sind sogenannte Vorentladungen, wodurch die Luft ionisiert wird und der umgebende Isolierstoff auf Dauer durch Ultraviolettstrahlung geschädigt wird.

Isolierstoffe weisen entlang ihrer Oberfläche häufig sogar geringere Isolationsfestigkeiten als die umgebende Luft auf (Kriechstromfestigkeit), was zu Kriech- oder Gleitentladungen führen kann. Eine nicht ausreichend große feste Isolationsbarriere kann daher auch durch ihre Luft- und Kriechstrecken charakterisiert sein, insbesondere wenn eine hohe Durchschlagfestigkeit des Isolierstoffes vorliegt. Es besteht kein Zusammenhang zwischen der Kriechstromfestigkeit und der Durchschlagfestigkeit. Erforderliche Kriechwege sind oft um den Faktor 100 länger als die zur Isolation erforderliche Materialdicke. Einfluss auf die Kriechstromfestigkeit und auch auf die Durchschlagfestigkeit hat das Wasseraufnahmevermögen des Werkstoffes.

Experimentelle Bestimmung

Datei:Olie doorslagspanningstester.jpg

Isolieröl im Durchschlagversuch

Das Verfahren zur Bestimmung der Durchschlagfestigkeit ist in der Normenreihe IEC 60243 definiert. Es legt für die verschiedene Materialklassen und Anwendungsfälle (Teil 1: AC, Teil 2: DC, Teil 3: Impulsspannung) Versuchsbedingungen fest. Geprüft wird üblicherweise eine Serie gleichartiger Probekörper und dann der Median der Einzelwerte angegeben. Eine genauere statistische Auswertung kann auf Basis der Weibull-Verteilung erfolgen.

Einflüsse

Die im Durchschlagversuch ermittelten Werte stellen nur Richtwerte dar, da die Durchschlagfestigkeit von weiteren Parametern, wie

• der genauen Zusammensetzung und Reinheit der geprüften Stoffe,
• der Art des elektrischen Stromes,
• der Zunahmegeschwindigkeit und der Dauer der angelegten Spannung bzw. des elektrischen Feldes sowie
• Größe und Form der verwendeten Elektroden

abhängt.<ref>Leo Gurwitsch: Wissenschaftliche Grundlagen der Erdölverarbeitung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-47512-2, S. 139 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]). </ref> Wirkt auf den Isolator über längere Zeit eine hohe Feldstärke, so steigt infolge der Erwärmung seine Leitfähigkeit und eine Abnahme der Durchschlagfestigkeit ist feststellbar.<ref>Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Werkstoffkunde. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-17717-0 (google.com [abgerufen am 22. Juni 2016]). </ref> Zusätzlich sinkt sie mit steigender Wechselstromfrequenz.<ref>H. Behnken, F. Breisig, A. Fraenckel, A. Güntherschulze, F. Kiebitz: Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50945-2 (google.com). </ref>

Bei Gasen wie z. B. Luft hängt die Durchschlagfestigkeit insbesondere von der Feuchtigkeit sowie dem Druck ab und variiert daher stark je nach Art der vorherrschenden Gase.<ref>Joachim Heintze: Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 3: Elektrizität und Magnetismus. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-48451-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 18. November 2016]). </ref>

Probendicke

Da es insbesondere bei Gleichspannung zu einer inhomogenen Feldverteilung kommen kann, ist die Durchschlagfestigkeit <math>E_\mathrm d</math> in der Regel dickenabhängig<ref name="10.1038/srep13487">Vorlage:Cite book/URLVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/MeldungVorlage:Cite book/Meldung2</ref>. Experimentell wurde folgender Zusammenhang beobachtet:

<math>E_\mathrm d(d) \sim \frac{1}{\sqrt{d}}</math>.

Folglich steigt die Durchschlagspannung <math>U_\mathrm d</math> auch nicht proportional mit der Dicke <math>d</math>, sondern folgt dem Verlauf einer Wurzelfunktion:

<math>U_\mathrm d(d) \sim \sqrt{d}</math>.

Dünne Folien besitzen somit höhere Durchschlagfestigkeiten als dicke Proben. Bei sehr geringen Dicken erzeugen schon geringe Spannungen, die zur Ionisation nicht ausreichen, höchste Feldstärken. So liegt bei der 5 nm dicken Plasmamembran von Neuronen im Ruhepotential eine Feldstärke von 20 kV/mm vor.<ref>Werner Müller, Stephan Frings, Frank Möhrlen: Tier- und Humanphysiologie: Eine Einführung. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-43942-5, S. 358 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]). </ref> Elektroporation (Zusammenbruch der Doppellipidschicht) tritt erst bei Feldstärken im Bereich von 30 bis 70 kV/mm auf.<ref>Paul Lynch, M. R. Davey: Electrical Manipulation of Cells. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4613-1159-1, S. 16 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]). </ref>

Bei Hochspannungs-Folienkondensatoren nutzt man dies aus, indem man eine sogenannte innere Reihenschaltung anwendet, bei der das Dielektrikum aus mehreren übereinander angeordneten Isolierstofflagen besteht, die durch nicht kontaktierte Metallschichten voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Feldverteilung homogenisiert.

Experimentelle Werte

Durchschlagfestigkeit ausgewählter Stoffe (20 °C)

Stoff	Referenzdicke (mm)	Durchschlagfestigkeit (kV/mm)	Aggregat- zustand
Luft (trocken, Normaldruck, DC, gleichmäßiger Feldaufbau)<ref>The Physis Factbook – An encyclopedia of scientific essays. Abgerufen am 14. September 2017 (). </ref><ref name=":0" />	1	1 – 3	gasförmig
Hochvakuum	1	20 – 40<ref>S. Giere, M. Kurrat, U. Schumann: HV dielectric strength of shielding electrodes in vacuum circuit-breakers (Memento vom 1. März 2012 im Internet Archive) (PDF)</ref> abhängig von Elektrodenform	gasförmig
Helium (relativ zu Stickstoff)<ref name=":1">William M. Haynes, David R., Lide, Thomas J. Bruno: CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 2016-2017, 97th edition Auflage. Boca Raton FL, ISBN 1-4987-5428-7. </ref>	1	0,15	gasförmig
Schwefelhexafluorid<ref>O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50981-0 (google.at). </ref>	1	> 8	gasförmig
Destilliertes Wasser<ref name=":1" />	1	0I65 – 70<ref name="CRC">William M. Haynes: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Taylor & Francis, ISBN 978-1-4398-2077-3.</ref>	flüssig
Transformatorenöl (sorgfältig getrocknet)<ref>Egon Döring: Werkstoffkunde der Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-13879-2 (google.at). </ref>	1	05 – 30	flüssig
Porzellan<ref>Produktinformation Porzellan C 110. (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	20	fest
Hartporzellan<ref>Liviu Constantinescu-Simon: Handbuch Elektrische Energietechnik: Grundlagen · Anwendungen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-85061-4, S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]). </ref>	1	30 – 35	fest
Glas (Textilglas)<ref>AVK-Industrievereinigung Verstärkte Ku: Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-02755-1 (google.at). </ref>	1	> 8	fest
Emaille<ref>physikalische Eigenschaften des Emails. (PDF) S. 3, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 9. April 2017; abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	20 – 30	fest
Quarzglas<ref>Materialspezifikation Quarzglas ilmasil PI. (PDF) S. 3, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	25 – 40	fest
Borosilikatglas<ref>Borosilicat-Floatglas von Schott. (PDF) S. 27, archiviert vom Vorlage:IconExternal (nicht mehr online verfügbar) am 9. April 2017; abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	30	fest
Aluminiumoxid (rein)<ref>Al2O3 Aluminiumoxid, technische Hochleistungskeramik. Abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	17	fest
Polycarbonat (PC)<ref>PC Polycarbonat – Technisches Datenblatt. (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	30	fest
Polyester (glasfaserverstärkt)<ref>Glasfaserverstärkte GFK-Profile aus Polyester. (PDF) S. 2, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	12 – 50	fest
Polyethylenterephthalat (PET)<ref>Werkstoffkennwerte PET (Polyethylenterephthalat). (PDF) Grünberg Kunststoffe GmbH, S. 1, abgerufen am 9. April 2017. </ref><ref>PET – Polyethylenterephthalat (Mylar®). Reichelt Chemietechnik, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	20 – 25	fest
Polymethylmethacrylat (Acryl-/Plexiglas)<ref>Platten aus PMMA – Acrylglas – Plexiglas. (PDF) S. 2, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 20. August 2016; abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	30	fest
Polyoxymethylen (POM, in Trafoöl)<ref>Werkstoffdatenblatt POM. (PDF) Liedtke Kunststofftechnik, abgerufen am 20. März 2018. </ref>	1	40	fest
FR4 (glasfaserverstärkter Kunststoff)<ref>Glasfaser-Hartgewebe HGW2372.1 (FR4-HF). (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	13	fest
Polypropylen (PP)<ref>Polypropylen. In: Material Archiv. Abgerufen am 9. Januar 2025. </ref>	1	45	fest
Polystyrol (PS)<ref>Helmut Ohlinger: Polystyrol: Erster Teil: Herstellungsverfahren und Eigenschaften der Produkte. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-87890-9 (google.at). </ref>	1	20 – 55	fest
FR2 (Hartpapier)<ref>Rotek Hartpapier HP 2061 (Pertinax). (PDF) Abgerufen am 9. April 2017. </ref><ref>Datenblatt RTP PP FR2. In: Material Data Center. M-Base Engineering + Software GmbH, abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	> 5 kurzfristig: 19,7	fest
Polyvinylchlorid (PVC)<ref>senodur® PVC Glas – technische Eigenschaften. Abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	30	fest
Polytetrafluorethylen (PTFE)<ref>(PTFE) Polytetrafluoroethylene Datenblatt. (PDF) Abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	18 – 105	fest
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS)<ref>Acrylnitril-Butadien-Styrol – Copolymerisate (ABS) Datenblatt. (PDF) Archiviert vom Vorlage:IconExternal am 10. April 2017; abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	24 – 40	fest
Polyoxymethylen<ref>Elektr. Durchschlagfestigkeit von Materialien. (PDF) Archiviert vom Vorlage:IconExternal am 9. April 2017; abgerufen am 9. April 2017. </ref>	1	> 20	fest
Neoprene<ref name="CRC2">CRC Handbook of Chemistry and Physics</ref>	1	15,7 – 26,7	fest
Glimmer<ref>Willy Pockrandt: Mechanische Technologie für Maschinentechniker: Spanlose Formung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-99131-8 (google.at). </ref>	1	≤ 60	fest
Diamant<ref>Electronic properties of diamond. el.angstrom.uu.se, abgerufen am 10. August 2013. </ref>	1	2000	fest

Durchschlagfestigkeit von Luft

Die Durchschlagspannung <math>U_\mathrm {d,Luft}</math> in der Einheit kV von Luft kann in vielen Fällen für Gleichspannung im Bereich <math display="inline">1\,\mathrm{mm} < s < 1\,\mathrm{m}</math> mit folgender, aus dem Paschen-Gesetz abgeleiteter empirischer Gleichung angenähert werden:<ref name=":0">Jane Lehr, Pralhad Ron: Electrical Breakdown in Gases. In: Foundations of Pulsed Power Technology. John Wiley & Sons, Inc., 2017, ISBN 978-1-118-88650-2, S. 369–438, doi:10.1002/9781118886502.ch8. </ref><ref>F.M. Bruce: Calibration of uniform-field spark-gaps for high-voltage measurement at power frequencies. In: Journal of the Institution of Electrical Engineers – Part II: Power Engineering. Band 94, Nr. 38, S. 138–149, doi:10.1049/ji-2.1947.0052 (crossref.org [abgerufen am 14. September 2017]). </ref>

<math>U_\mathrm {d,Luft} \approx 2422\;\mathrm{kV} \cdot \frac{s}{1\,\mathrm{m}}\frac{p}{1{,}013\,\mathrm{bar}}\frac{293\,\mathrm{K}}{T} + 60{,}8\,\mathrm{kV} \cdot \sqrt{\frac{s}{1\,\mathrm{m}}\frac{p}{1{,}013\,\mathrm{bar}}\frac{293\,\mathrm{K}}{T}}</math>

Mit dem Luftdruck <math>p</math> in der Einheit Bar, der Temperatur <math>T</math> in Kelvin und der Schlagweite <math>s</math> in Meter.

Voraussetzung ist ein halbwegs homogenes Feld (Kugelelektroden, also keine Feldemission von Elektronen, Homogenitätsgrad > 0,2) sowie die Abwesenheit von ionisierender Strahlung.

Für eine Schlagweite von beispielsweise 0,01 m bzw. 1 cm ergibt sich bei Normaldruck und 293 K bzw. 19,85 °C eine Durchschlagspannung von 30,3 kV, also eine Durchschlagfestigkeit von 3 kV/mm.

Liegt bei einem Luftdruck von 1,013 bar sowie einer Temperatur von 20 °C ein homogenes elektrisches Feld vor, so können für Schlagweiten zwischen 1 und 10 cm überdies folgende Näherungsgleichungen verwendet werden<ref>Volker Hinrichsen: Vorlesungsreihe Hochspannungstechnik (TU Darmstadt 2009/10). (PDF) Abgerufen am 27. Mai 2021. </ref>:

<math>E_\mathrm {d,Luft} \approx C_1 + \frac{C_2}{\sqrt{s}}</math>   bzw.   <math>U_\mathrm {d,Luft} = E_\mathrm {d,Luft} \cdot s \approx C_1 \cdot s + C_2 \cdot \sqrt{s}</math>,

mit   <math>C_1 = 24,36 \, \tfrac{kV}{cm}</math>   und   <math>C_2 = 6,72 \, \tfrac{kV}{\sqrt{cm}}</math>.

Bei Luftisolation nennt man den Elektrodenabstand Luftstrecke. Zur sicheren Isolation muss diese hinreichend groß gegenüber dem sich aus der Durchschlagfestigkeit ergebenden Wert sein. Siehe hierzu auch Funkenstrecke.

Einzelnachweise

<references />