Lebensdauer erhöhen - teilentladungsfeste Klebebänder

In der jüngeren Vergangenheit gab es vermehrt die Anforderung, Isolationsmaterialien zu verwenden, die ein gutes TE-Verhalten zeigen. Dies gilt besonders für Geräte im Solarenergie- oder E-Mobilityumfeld mit hohen Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranforderungen.

Teilentladung zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst nicht die gesamte Isolierstrecke durchschlägt, sondern nur ein Teil der Isolierstrecke. Diese Teilentladungen in einem Teil des Isoliersystems werden aber im Laufe der Zeit zu einer immer grösseren Schadensstelle führen. Nach Stunden, Tagen, Wochen, Monaten oder Jahren ist dann das Isoliersystem durch die dauernde Teilentladung so geschwächt, dass es zu einem Volldurchschlag kommt.

TE oder Teilentladungsfestigkeit beschreibt also prinzipiell die Beständigkeit des Isolationsstoffes gegenüber der Dauerstressbelastung durch hohe (Wechsel-) Spannungen. Sie ist zugleich auch ein (wenn auch vages) Maß für die Dauerzuverlässigkeit der Isolationsfolie.

Teilentladungsprüfungen (Partial Discarge Test) in der Gerätefertigung dienen dazu, die Güte eines kompletten Isolationssystems und des elektrischen Aufbaus zu überprüfen oder Qualitätsmängel an Wicklungen zu detektieren. Die Prüfung kann sowohl in Verbindung mit der Hochspannungsprüfung als auch mit der Stoßspannungsprüfung erfolgen.

Aus Erfahrungen bei Kunden und Messreihen haben sich Fluor-Polymerfolien als besonders geeignet herausgestellt. Sie haben eine nur geringe Abhängigkeit des εr von der Temperatur und eine sehr hohe chemische und elektrische Beständigkeit gegenüber Coronaentladungen. Auch haben sie ein gutes Verlustfaktorverhalten bei hohen Frequenzen, wie sie in Schaltnetzteilen vorkommen können.

Daneben gibt es im Lieferprogramm von CMC eine Variante der gut bekannten Kapton® HN Folie, die sich durch eine besonders gute Coronabeständigkeit (Glimmentladung, Teilentladung) auszeichnet: Kapton® CR.

Dabei nutzt man den Umstand aus, dass anorganische Substanzen bei weitem nicht so anfällig auf Coronaentladungen reagieren wie Polymere uä. (typisches Beispiel: Die keramischen Ständerisolatoren an Hochspannungs-Leitungsmasten).
Der Polyimid-Matrix des Kapton® CR ist daher ein anorganischer Füllstoff beigemischt. Das Kaptonmaterial behält dabei weitgehend seine hervorragenden physikalischen und chemischen Werte, die Spannungsfestigkeit geht allerdings etwas zurück. Dafür ist die Coronabeständigkeit drastisch verbessert.

Für Anwendungen, bei denen es auf eine besonders hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer ankommt (zum Beispiel Frequenzumrichter in Windkraft- und Solaranlagen), kann es also sein, dass günstige Isolierstoffe wie Polyester oder PEN nicht ausreichend sind. Insbesondere bei der Anwesenheit von Feuchtigkeit und Wärme (z.B. in einem Schaltschrank/-kasten im Außenbereich) kann es zu zusätzlichen Abbauprozessen im Isolationsstoff kommen (Hydrolyse). Schmutz, Betauung und aus fehlerhafter Montage stammende Verschmutzungen auf der Isolatoroberfläche verkürzen die Isolationsstrecke. Teilentladungen können so leichter entstehen und schneller zur Zerstörung des Isolators beitragen (Verkohlung, erhöhte Schmutzanfälligkeit durch raue Oberfläche).

 

Die vorstehenden Informationen sowie unsere anwendungstechnische Beratung in Wort, Schrift und durch Versuche erfolgen nach bestem Wissen, gelten jedoch nur als unverbindliche Hinweise. Die Beratung befreit Sie nicht von einer eigenen Prüfung unserer aktuellen Beratungshinweise - insbesondere unserer Datenblätter und technischen Informationen - sowie unserer Produkte im Hinblick auf ihre Eignung für die beabsichtigten Verfahren und Zwecke.

Insgesamt erreichen Klebeband-Produkte wie CMC 75730 (FEP-Folie), CMC 75738 (PTFE-Folie) oder CMC 77700 (ETFE-Folie, sehr geringe Kriechneigung) hervorragende Lebensdauerbewertungen, da diese Art der Polymere von sich aus eine sehr große Alterungsbeständigkeit besitzen sowie eine gute TE-Leistung (hohe TE-Aussetzspannung bzw. geringe Empfindlichkeit gegenüber Kriechwegbildung) mitbringen. Alle Varianten sind leicht dehnfähig, so dass sie bei sorgfältiger Auslegung der Wicklungen und des Spulenkerns eine sichere Trennung von Primär- zu Sekundärwicklung ermöglichen (alternativ zum Fiedern von z.B. Polyesterfolie).
Die Kapton® CR Folie von CMC wird seit langem im Hochspannungsmotoren- oder -generatorenbau eingesetzt. Ausgedehnte Versuche bei ABB und Siemens haben nachgewiesen, dass die Glimmentladungsbeständigkeit gegenüber "normalem" Kapton® HN oder Polyimid-Folie anderer Hersteller deutlich höher ist.

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Beständigkeit gegenüber Coronaentladung (IEC 60343)
(Lebensdauer normiert auf 1 x bei Kapton HN) 

Betrieb bei       750VAC, 1kHz        1000VAC, 360Hz
Kapton HN        1 x                           1 x
Kapton CR        600 x                        60 x
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Kapton® Folie hat anders wie die Fluorpolymerfolie nicht die Neigung, unter Druck nachzugeben. Dafür ist die Folie aber auch steifer, was in den Randbereichen "Wicklung zu Spulenträger" zu Problemen führen kann (Umschlagen).

Ähnliches gilt für Isolationsverbünde, in denen Nomex T418 verwendet wird (z.B. Nomex T418 - Kapton Cr - Nomex T418; Nm-Kc-Nm). In diesem Nomex Aramidpapier sind rund 50% Glimmer enthalten, der als anorganisches Produkt den Angriffen von Teilentladungen sehr gut standhält. Allerdings besitzt das Material alleine nur eine geringe Spannungsfestigkeit und wird üblicherweise im getränkten Zustand eingesetzt.

Wenn also mehrere Belastungsarten zusammen kommen - hohe Spannung und Umwelteinflüsse - sowie eine große Lebensdauer gefordert wird, kann der Einsatz dieser relativ teuren Isolierfolien Sinn machen.


Bei anderen, günstigeren Isolationsmaterialien, die bereits seit vielen Jahren mit guten Erfahrungen eingesetzt werden, ist meist die Lebensdauer des Gerätes, in denen der Transformator oder die Spule eingebaut wurde, geringer als die Lebensdauer der Isolation. Bei heutigen Langzeitanforderungen (15-25 Jahre) kann sich das ändern - aussagekräftige Erfahrungen bestehen nur bedingt.

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