Grundlagen der Materialeignung für elektrische Isolationen nach IEC 60664

Für Isolationsmaterialien in Niederspannungsanwendungen gelten bestimmte Regeln. Diese sind in Normen festgelegt. Die maßgebende Grundnorm ist die IEC 60664, in der für Spannungen bis 1000VAC/1500VDC und Nennfrequenzen bis 30 kHz Mindestanforderungen festgelegt sind.

In der folgenden Aufzählung werden einige wenige Begriffe erläutert, die zu beachten sind, wenn man ein Gerät aus Sicht des Isolationsmaterials konzipiert. Sie sind allesamt in der IEC 60664 erwähnt und ergeben in ihrer Gesamtheit einen spezifischen Anforderungssatz je nach Anwendung und Aufstellungsort des elektrischen Geräts.

Verschmutzungsgrad

Jede Verunreinigung mit Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, die dazu führen kann, dass der elektrische Widerstand bzw. die Isolationsfähigkeit einer Trennstrecke reduziert wird, bezeichnet die Norm als Verschmutzung. Es werden insgesamt vier Verschmutzungsgrade unterschieden. Der Verschmutzungsgrad 4 ist jedoch nicht mehr akzeptabel für Isolierungen, die eine Schutzmaßnahme darstellen. 

Funktionsisolation

reine galvanische Trennung zum ordnungsgemäßen Funktionieren des Geräts, kein Berührungsschutz 

Basisisolierung

Isolierung zum Schutz vor elektrischem Schlag, erste Schutzbarriere für Personenschäden  

Doppelte Isolierung

Isolierung, die aus einer Basisisolierung und einer zusätzlicher Isolierung besteht  

Zusätzliche Isolierung

Isolierung zusätzlich zur und unabhängig von der Basisisolierung als weitere Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag (Prinzip der Redundanz bei einem Fehler)  

Verstärkte Isolierung

Eine einzige Isoliermaßnahme, die aber dem Schutz einer doppelten Isolierung entspricht, meist erzielt durch eine deutlich stärkere Materialdicke  

Vergleichszahl der Kriechwegbildung CTI

engl. comparative tracking index – Der CTI-Wert ist ein Maß für die Empfindlichkeit einer Isolationsoberfläche zu einer Kreichwegbildung. Durch Verschmutzung und Feuchtigkeit kann sich an der Oberflächliche ein elektrisch leitender Kriechweg bilden, der langfristig den Isolationswerkstoff zerstört.

Luftstrecke

Die kürzeste Strecke zwischen zwei leitfähigen Teilen durch Luft hindurch, maßgeblich hierfür ist die Bemessungsstoßspannung (ergibt sich u.a. aus der Überspannungskategorie) 

Kriechstrecke

Die kürzeste Strecke zwischen zwei leitfähigen Teilen entlang eines Feststoffes. Die Länge dieser Strecke ist in der Norm IEC 60663abhängig von dem Verschmutzungsgrad, dem verwendeten Material (cti) und der Überspannungskategorie.  

Überspannungskategorie

Es gibt 4 Überspannungskategorien, in denen die höchstmögliche Spitzenspannung im Stromkreis definiert wird. Wesentliches Merkmal auf der Primärseite ist die Nähe zum Versorgungsnetz (Überspannungskategorie II beschreibt Geräte, die an die Hausinstallation angeschlossen werden wie tragbare Werkzeuge u.ä.)  

Bemessungsstoßspannung

Die Bemessungsstoßspannung ergibt sich aus Überspannungskategorie und Nennspannungsbereich. Für die gängige Überspannungskategorie II beträgt die Bemessungsstoßspannung 2,5 kV.

Frequenz der Spannung

Die Spannungsfestigkeit von Isolationsmaterialien ist zum Teil sehr stark abhängig von der Frequenz, mit der Wechselspannung (AC) oder Gleichstrom überlagernde Wechselspannungen betrieben wird. Bei Frequenzen über 100 kHz kann der Einfluss schon mehr als 50% betragen. 

Relativer Temperaturindex RTI

Dieser Wert gibt an, bis zu welcher maximalen Dauertemperatur der Werkstoff als Isolation eingesetzt werden darf. Die Normangabe bezieht sich auf eine Betriebsdauer von 20.000 Stunden, die in vielen Fällen jedoch überschritten wird. Materialien mit einem höheren RTI sichern eine längere Lebensdauer zu (Faustformel: 10°C mehr Temperaturbelastbarkeit verdoppelt Lebensdauer) 


Prinzipielles Vorgehen bei der Ermittlung der Luft- und Kriechstrecken:

1.) Nennspannungsbereich

2.) Überspannungsklasse

3.) Bemessungs-Stoßspannung

4.) Verschmutzungsgrad

5.) -> Mindestluftstrecken

a.) Überspannungsklasse

b.) Verschmutzungsgrad

c.) CTI-Wert

d.) -> Mindestkriechstrecken

Wichtig bei der Geräte-Entwicklung ist, dass es eine ganze Reihe gerätespezifischer Normen gibt, die strengere Vorgaben machen können (z.B. Medizingerätenorm nach EN 60601)! 

Diese Aufzählung der Normforderungen aus der Grundnorm IEC 60664 ist nicht abschließend, gibt aber einen Überblick darüber, wie viele Faktoren bei der Auswahl eines geeigneten Werkstoffs zu berücksichtigen sind. CMC Klebetechnik bietet für nahezu jede Kombination aus RTI, CTI, HAI, HWI und Brennbarkeitsklasse eine Lösung.