Partial Discharge - auch ein Problem in Niederspannungsanwendungen

Jedes elektrisch betriebene Gerät enthält neben den Stromleitern auch Isolationsmaterial. So besteht ein Elektromotor nicht nur aus „Eisen“ und Kupfer, sondern auch aus Isolationslack auf den Drähten und Isolationsmaterial in den Nuten, an den Wickelköpfen und so weiter.

Lange Zeit galt grob die Trennung zwischen „Niederspannungsmaschinen und Geräten“ bis 400VAC und den Hochspannungsanlagen über 15 kV. Doch sie verliert zunehmend ihre Geltung. Photovoltaik-Felder, Traktionsantriebe in Fahrzeugen und zum Beispiel elektrische Pufferspeicher im Megawatt-Bereich tragen die Problematik der Teilentladungen auch in die Niederspannung hinein.

Teilentladungen sind elektrische Entladungen an Fehlstellen, Inhomogenitäten und ungewollten Feldkonzentrationen. Sie werden in Coulomb (C) gemessen, wobei für Teilentladungen 1….10.000 pC üblich sind. Sie entstehen ab etwa 400 VAC (häufig angewendete Norm für die Messung ist die IEC 60700).

Diese Teilentladungen schädigen mittelfristig übliche Isolationsmaterialien der Niederspannungstechnik aus Polymerwerkstoffen. Wobei die aus Erfahrung gewonnene Regel gilt, dass Entladungen unter 10pC den Isolierstoff nicht schädigen.

Da die Teilentladungsmessung (sei es über Impulseinspeisung oder elektromagnetische Messung per Antenne) zerstörungsfrei ist, wird sie gerne für die Serienprüfung eingesetzt.

Prinzip dabei: Man erstellt einen möglichst fehlerfreien, TE-freien Prototypen. In der Serie wird dann die Teilentladung der produzierten Geräte mit den Messergebnissen bei dem Prototyp verglichen. Fertigungsschwankungen können so erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden.

Schwierig ist die Interpretation einzelner Messungen, wenn Teilentladung auftritt. Die Ursachen sind recht vielfältig und von vielen Parametern abhängig.

In Feststoffen können sich Kanäle ausbilden (Treeing), Gleitentladungen auf der Oberfläche entstehen, Entladungen innerhalb von mehrschichtigen Isolierstoffen auftreten oder Coronaentladungen an Kanten und Spitzen zu TE führen. Auch Hohlraumentladungen in Lunkern und Lufteinschlüssen führen zu Teilentladungen.

Die Frequenz, die Lage des TE-Impulse (in der positiven oder negativen Halbwelle, im Scheitel oder eher zum Nulldurchgang hin) und die Länge können Hinweise darauf geben, welche Ursache die Teilentladung hat. Reinformen können per Elektrodenanordnung nachgestellt werden und dienen als Grundlage der Fehleranalyse (z.B. Spitze-Platte für Coronaentladungen, Platte-Dieelektrikum-Platte für TE in Mehrschichtmaterialien wie NMN).

Aufgrund der sehr kurzen Anstiegszeit ist die Spannungshöhe in einem weiten Bereich linear. Man nutzt zum Messen der Scheinbaren Ladung (TE) daher einen schmalen Frequenzbereich, in dem keine Störer (z.B. Rundfunksender) vorhanden sind. Bei kleineren Prüflingen kann man das Frequenzband für die Messung bis in eine Höhe von einige Hundert Megahertz wählen. Bei großen Verteiltrafos ist dagegen schon nach einigen Hundert Kiloherz die Dämpfung des TE-Impulses zu hoch. Bei schmalbandigen Messgeräten entspricht 1 pC einer Spannung von nur ca. 0,7µV, was den hohen Aufwand bei der Ermittlung korrekter Werte verdeutlicht.

Man kann Teilentladung vor allem dadurch vermeiden, dass man eine entsprechende Konstruktion wählt. Wie aus der Hochspannungstechnik bekannt vermeidet man Konstruktionselemente, die eine Feldkonzentration bewirken (Spitzen, Kanten). Ein größerer Abstand (Spannungsgefälle pro Maßeinheit) reduziert auch die Gefahr von TE genauso wie das möglichst vollständige Vergießen. Der Einsatz von „Glimmerband“ (anorganische Materialien widerstehen TE erheblich besser, zum Beispiel Nomex® 418) oder anorganisch verstärkter Kunststoffe (z.B. Glasfasern) erhöhen die Lebensdauer der Isolationsmaterialen, wenn Teilentladung nicht vollständig vermieden werden kann.

Wichtig bei der Betrachtung der Isolation ist auch, dass alle Materialien einer betriebsbedingten Alterung unterliegen. Vor allem erhöhte Temperatur, aber auch Spannungsrisse, Vibration oder Unsauberkeiten bei der Produktion erhöhen mit der Zeit die Gefahr, die TE-Einsetzspannung zu erreichen (also der Zeitpunkt, zu dem das Isolationsmaterial soweit geschwächt ist, dass es der Felsstärke nicht mehr stand hält). Unter anderem enthält auch die IEC 62068 enthält ergänzende Informationen.

Frequenzumrichter, Motoransteuerungen, Wechselrichter und andere Einrichtungen mit nichtsinusförmiger Spannung geraten mit steigender Leistung und Leistungsdichte immer mehr in den Bereich, in dem Teilentladung sehr leicht auftreten kann. Ein Radnabenmotor mit 20 kW kann einfach nicht mehr mit Spannungen unter 360V betrieben werden - er würde aufgrund des benötigten Kupferquerschnitts zu schwer werden. Daher müssen sich heutige Entwicklungsingenieure mehr denn je damit beschäftigen, auf welche Art und Weise die Isolationsmaterialien in ihren Konstruktionen belastet werden.

Fragen Sie uns, wenn auch Sie Probleme mit TE haben.

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