CTI - Kriechstromfestigkeit

Isolationswerkstoffe mit gutem Widerstand gegenüber Kriechwegbildung. Warum der CTI-Wert in der elektrischen Zukunft der regenerativen Energien immer wichtiger wird.
2 Juni, 2021 durch
CTI - Kriechstromfestigkeit
CMC Klebetechnik GmbH, Friederici

Isolationswerkstoffe mit gutem Widerstand gegenüber Kriechwegbildung. Warum der CTI-Wert in der elektrischen Zukunft der regenerativen Energien immer wichtiger wird.

Elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und fließendem Strom. Umso größer die erforderliche Leistung, desto mehr Strom muss fließen. Das führt zu immer dickeren Kabelquerschnitten, denn auch das beste Kupfer kann nur eine bestimmte Menge Elektronen pro Querschnittsfläche transportieren. Ein Mehr an Leistung führt daher zu immer schwereren Kabeln.

Gewicht ist ein wertvolles Gut, wenn es um den Transport von Waren oder Menschen geht. Denn mehr Gewicht verbraucht mehr Antriebsenergie und reduziert die Nutzlastmenge. 

Um also nicht immer mehr schweres Kupfer mit transportieren zu müssen, ändert man den anderen Multiplikator in der Gleichung: die Spannung. Während man mit 48V allerhöchstens wenige KW Antriebsleistung erzeugen kann, ist es mit 350…400 V bereits so viel, dass ein PKW davon gut angetrieben werden kann. Dazu kommt, dass Elektromotoren gegenüber Verbrennermotoren einen extrem guten Wirkungsgrad aufweisen.

Bei noch größeren Leistungen, wie sie bei Lastkraftwagen, im Schienenverkehr, bei Schiffen oder zukünftig auch in der Luftfahrt benötigt werden, steigt die Spannung weiter an. Derzeit hat sich eine Spannungsebene bei 950 VDC etabliert, doch die Entwicklungen gehen deutlich weiter. Der Leitfaden IEC/TS 62993:2020 erweitert bereits die Isolationskoordination der IEC 60664 auf Betriebsspannungen von >1000 VAC bis 2000 VAC (>1500 VDC bis 3000 VDC).

So hohe Spannungen erfordern ganz andere Maßnahmen, wie sie bei Kleinspannungen notwendig sind. Sogar gegenüber der üblichen Netzspannung von 230 VAC ergeben sich erhebliche Unterschiede. Bei 950 VDC Betriebsspannung sind die benötigten Isolationsstrecken über die Oberfläche der Isolationswerkstoffe im ungünstigen Fall bis zu 4-fach größer.

Luft- und Kriechstrecke als Isolation

Neben der Isolation durch die Luft (Luftstrecke) und der Isolation durch umgebende Isolationswerkstoffe (z.B. Kabelisolation) gibt es weitere Konstellationen, die potentialführende Leiter zwecks Funktionsisolation, Basisisolation oder verstärkte Isolation voneinander trennen. 

Am Beispiel einer Leiterplatte kann man das recht gut verdeutlichen: bei einer doppelseitigen Leiterplatte werden die obere und untere Lage durch den Isolationswerkstoff (z.B. FR4 Glasgewebe-Epoxidharz) voneinander isoliert. Die Leiterbahnen selbst sind voneinander getrennt durch den Abstand zueinander. Dieser Abstand setzt sich zusammen aus der Luftstrecke und der Kriechstrecke. Diese Kriechstrecke beschreibt den kürzesten Weg, den ein elektrischer Strom über die Oberfläche des Isolationswerkstoff nehmen würde.

Üblicherweise ist diese Wegstrecke als Isolationsstrecke definiert. Doch es gibt Umstände, die diese Wegstrecke für den elektrischen Strom verkürzen können. Im simpelsten Fall sind es metallische Verschmutzungen z.B. vom Lötprozess, die zwischen den Leiterbahnen verbleiben. Aber auch Fette (z.B. Fingerabdruck) oder später auftretende Verschmutzungen durch Staub oder Abrieb können die Isolationsstrecke an der Oberfläche verkürzen. Insbesondere dann, wenn hohe Luftfeuchtigkeit und Kondensation einen leitfähigen Belag erzeugen. Der dann zu fließen beginnende Strom zerstört langsam aber sicher die Isolationsoberfläche. Bei den meisten organischen Isolatoren entsteht beim Abbau der Polymerketten Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff, zusammen mit z.B. dem Kohlenstoff aus Staubablagerungen erzeugt eine immer besser leitfähige Verbindung zwischen den unterschiedlichen elektrischen Potentialen. Diese Entwicklung erfolgt umso schneller, desto höher die Spannungen sind und die daraus resultierende Feldstärke. Im Extremfall erfolgt eine Teilentladung über die Oberfläche des Isolators. Im schlimmsten Fall kommt es zu einem Kurzschluss und damit dem Ausfall des elektronischen Bauteils oder der ganzen Baugruppe.

Die sogenannte Vergleichszahl zur Kriechwegbildung (Comparative Tracking Index) sagt et-was darüber aus, wie stark ein Werkstoff dazu neigt, unter anliegender Spannung und Einfluss von Feuchtigkeit und Verunreinigungen auf der Oberfläche einen leitfähigen Kriechweg auszubilden. 

Um diese Neigung eines Materials zur Ausbildung des Kriechwegs zu bestimmen, wird der Comparative Tracking Index (CTI) gemessen. Bei diesem standardisierten Prüfverfahren wird nach IEC 60112 zwischen zwei Elektroden (4 mm Abstand) auf einem Prüfplättchen eine genormte Prüflösung aufgetropft. Der dem Material zugestandene CTI-Wert entspricht der maximalen Spannung, bei der nach 50 Auftropfungen kein Stromfluss über 0,5 A für maximal 0,2 Sekunden auftritt. Der CTI-Wert entspricht dabei der Spannung, bis zu der die Ausfallkriterien nicht erreicht wurden. 

Rahmenbedingungen für die Bestimmung des passenden Isolierwerkstoffs

Der praktische Nutzen eines hohen CTI-Wertes ist vor allem die Verringerung der benötigten Isolationsstrecken. Während beispielsweise bei einem Polyesterklebeband (CTI-Wert >600V) bei 500 V Betriebsspannung nur eine Wegstrecke von 2,5 mm eingehalten werden muss, sind es bei einem Klebeband auf Kapton®HN-Basis bereits 5 mm (nach IEC 60664).

Doch der CTI-Wert ist nur eine der Werkstoff-Eigenschaften, die ein Isolationswerkstoff erfüllen muss. Daneben finden sich folgende weitere Werte, die beachtet werden müssen:

  • Wärmeklasse, in die der Werkstoff eingruppiert wird

  • Neigung zur Entzündung unter Flammeinwirkung (Brennbarkeitsklasse)

  • Beständigkeit gegenüber Lichtbögen (HAI)

  • Beständigkeit gegenüber dem Durchdringen von heißen Gegenständen (HWI)

  • Spannungsfestigkeit

  • Eventuell auch das Verhalten gegenüber UV-Belastung und Kälte

Auch die Umgebungsbedingungen sind wichtig und werden durch folgende Werte mitbestimmt:

  • Wie „schmutzig“ ist die Einsatzumgebung? (Verschmutzungsgrad)

  • Auf welcher maximalen Höhe erfolgt der Einsatz? (Höhenkorrekturfaktoren)

  • Welche transienten Spannungsspitzen sind möglich? (netznah, netzfern, Ausrüstungs-klasse)

  • Welche maximale Betriebsspannung ist möglich?

Manchmal ergeben sich aus der Kombination von Produktnormen und der Basisnorm für die Isolationskoordination IEC 60664 Anforderungen an die verwendeten Isolationswerkstoffe, die nur schwer zu erfüllen sind. Insbesondere dann, wenn man minimale Baugrößen erreichen will. Mit zunehmender Spannungshöhe wird dieser Aspekt immer relevanter. Folien aus dem an sich sehr guten Hochleistungswerkstoff PEEK erfordern bei 1050 V (Spannungsebene für LKW-Antriebe) bereits 10 mm Wegstrecke (Verschmutzungsgrad 2). Im eng begrenzten Bauraum von Umrichtern, Hochspannungsmaschinen und Busbars ist das durchaus ein Problem. Denn viele elektrische Verbindungen werden wegen der dennoch hohen Strombelastung als massive metallische Stanz- oder Biegeteile ausgeführt. Dafür gibt es keine „genormte Isolation“, wie es bei den Rundkabelisolationen der Fall ist. In vielen Fällen werden dann Stanzteile aus Isolationsfolien oder Klebebänder eingesetzt.

Die folgende Auswahl an hochwertigen Isolations-Folien mit guten CTI-Werten hilft eventuell, die Platzproblematik der Kriechstrecken bereits bei der Auslegung von elektrischen Anlagen zu berücksichtigen:

Kapton® 200FN919
Kapton® 300FN929
Kapton® 300FN111
Kapton® 200XP919
Kapton® 500FN131
Einige PET-Klebebänder
Mylar A
Formex® PP-Folie

Isolierstoffgruppe II
Isolierstoffgruppe I
Isolierstoffgruppe II
Isolierstoffgruppe II
Isolierstoffgruppe I
Isolierstoffgruppe I
Isolierstoffgruppe II
Isolierstoffgruppe I

Wärmeklasse H
Wärmeklasse H
Wärmeklasse H
Wärmeklasse H
Wärmeklasse H
Wärmeklasse B
Wärmeklasse B
Wärmeklasse A (max. 115°C)

(Quelle: https://iq.ulprospector.com; Verfügbarkeit der Materialien stark unterschiedlich)

Etliche Hersteller von Isolationsfolien (und Isolationsmaterialien allgemein) haben den CTI-Wert nicht bestimmen lassen, da er bislang eine untergeordnete Rolle für die üblichen Anwendungen spielte. Es steht jedoch jedem Anbieter und Anwender frei, die CTI-Zahl bestimmen zu lassen. Ein akkreditiertes Prüflabor wie z.B. das des VDE (Offenbach) oder UL (Krefeld) kann den Wert messen, so dass man einen zuverlässigen Nachweis hat. Dann steht ggf. auch einer Anwendung in der modernen Hochvolttechnik nichts mehr im Wege.

Einige Werkstoffe wie Fluorpolymere (z.B. PTFE, FEP) und Silikone erreichen durchaus cti-Werte von >1000 V. Mit diesen hohen Werten können sich nochmals verkürzte Isolations-strecken für den Kriechweg ergeben. Allerdings ist die Prüfnorm IEC 60112 bislang auf eine Messung bis 600 V beschränkt. Doch daran wird genauso wie in Amerika an der UL746 gearbeitet.

Fazit:

Regenerativ gewonnene Energie aus Solarstrom und Windenergie ist vor allem erst einmal elektrische Energie. Elektrizität wird in Zukunft noch viel stärker als heute als Energieträger eingesetzt werden. Der Transportsektor ist dafür nur ein Beispiel.

Mit zunehmender Elektrifizierung wird an vielen Stellen die Betriebsspannung steigen, um dem Leistungsbedarf gerecht zu werden. Dadurch wird für Isolationswerkstoffe neben Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit und Spannungsfestigkeit auch die Beständigkeit gegenüber Kriechweg-Bildung immer wichtiger. Werkstoffe mit einer hohen Beständigkeit gegenüber dieser Form der Oberflächenerosion (CTI) erlauben signifikant kleinere Abstände zwischen stromführenden Leitern und tragen damit zu einer Miniaturisierung bei.

Teilen