Isolationskoordination
DKE
21.10.2016 Projekt

IsKoNeu

Isolationskoordination: Bemessung von Luft- und Kriechstrecken unter Umgebungsgesichtspunkten in neuen Anwendungen

Projekt abgeschlossen

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BMWi

Projektlaufzeit: 01.10.2014 – 30.09.2016

Projektträger:  DLR

Antragsteller (Koordinator):

VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V., Dr. Stefan Heusinger, Stresemannallee 15, 60596 Frankfurt am Main

Verbundpartner:

Bender GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Edmund Schneider, Londorfer Straße 65, 35305 Grünberg

Kontakt

DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE
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Ziele

Der verstärkte Einsatz elektrotechnischer und elektronischer Komponenten in neuen Anwendungen, wie der Elektromobilität oder der Photovoltaik, mit Gleichspannungen von einigen 100 V wirft neue Fragen der Isolationskoordination auf, insbesondere vor dem Hintergrund von dort besonders zu berücksichtigenden Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Verschmutzung, Betauung usw. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit, die bisherigen Erkenntnisse bei der Berechnung von Luft- und Kriechstrecken für solche Umgebungsbedingungen kritisch zu hinterfragen. Auf dieser Basis sollen Sicherheitsgrenzwerte bestätigt oder neu aufgestellt und entsprechende Schutzkonzepte und Prüfungen entwickelt werden. Es ist vorgesehen, die Öffentlichkeit und insbesondere die Fachöffentlichkeit über geeignete Informationskanäle zu unterrichten. Mit dem Projekt werden folgende konkrete Ziele verfolgt:

  • Erarbeiten neuer, Aktualisieren bestehender Berechnungsvorschriften
  • Verifizierung unverändert gültiger Normen und Spezifikationen
  • Herausarbeiten von Anpassungsbedarf bestehender bzw. Erstellungsbedarf neuer Normen und Spezifikationen
  • Wissenschaftliche und öffentlichkeitswirksame Publikationen
  • Erarbeiten von Schulungen und Seminaren

Lösungsweg

Zusammenstellen aller relevanten Informationen zum Themenfeld, wie z. B. Publikationen, Praxisberichte, Stand der Technik und Normung. Wissenschaftliche Untersuchungen auf Basis der Zusammenstellung der gefundenen Informationen mit starkem Anwendungsbezug. Zusammenstellen der erforderlichen Änderungen durch die Umgebungsbedingen im Anwendungsfeld. Verifizierung der in den Normen der Reihe DIN EN 60664 (VDE 0110) vorhandenen Festlegungen zu Luft- und Kriechstrecken. Vergleich zum Verhalten derselben Luft- und Kriechstrecken unter den Umgebungsbedingungen z. B. in Anwendungen der Elektromobilität.

Ergebnisse

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte Projekt "Isolationskoordination: Bemessung von Luft- und Kriechstrecken unter Umgebungsbedingungen in neuen Anwendungen" wurde abgeschlossen und in einem Ergebnisbericht zusammengefasst.

Zusammenfassung

Das Vorhaben hatte zum Ziel, die bestehenden Sicherheitsgrenzwerte der Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel im Niederspannungsbereich, die in der Normenreihe DIN EN 60664 (VDE 0110) festgelegt wurden, vor dem Hintergrund der zu erwartenden Umgebungseinflüsse in neuen Anwendungen wie beispielsweise der Elektromobilität kritisch zu untersuchen, das heißt zu bestätigen oder neu aufzustellen.

Aufbauend auf den bereits genannten normativen Festlegungen, der ihnen zugrunde liegenden Untersuchungen aus den 1980er Jahren der ZVEI-Forschungsgemeinschaft Kriechstrecken sowie weiteren Grundlagenuntersuchungen wurden zwei aufeinander aufbauende Laborversuche geplant und durchgeführt. Um in der zur Verfügung stehenden Projektlaufzeit die Beanspruchung der Prüflinge über ihre Lebensdauer simulieren zu können, wurden sie jeweils einer 100-tägigen Umweltprüfung nach DIN EN 60068-2-38 (VDE 0468-2-38) unterzogen. Das Prüflingsdesign wurde in Anlehnung an die bereits erwähnten Untersuchungen erstellt, sodass einerseits der Vergleich mit den bestehenden Festlegungen möglich war und andererseits auch die Reduzierbarkeit untersucht werden konnte. Um die Degeneration und den Ausfall einer Isolierstrecke protokollieren zu können, wurde in definierten Abständen und bei einheitlichen klimatischen Bedingungen der Isolationswiderstand gemessen. Die Konfidenz der Messergebnisse trotz der umfangreichen Parametervariation wurde mithilfe der statistischen Versuchsplanung erlangt. Das Vorhaben wurde von einer Arbeitsgruppe aus Mitgliedern des national für die Normung der Isolationskoordination im Niederspannungsbereich zuständigen Komitees DKE/K 123 begleitet sowie durch zwei Workshops, an denen zudem Experten aus den interessierten Gremien der Produktnormung teilnahmen, flankiert.

Im Ergebnis zeigt sich, dass die derzeit in der DIN EN 60664 (VDE 0110)-Reihe getroffenen Festlegungen für Leitplatten die sichere Nutzung von elektrischen Strom auch in neuen Anwendungen gewährleisten, jedoch nur unter bestimmten Parameterkombinationen, nicht also in der Generalität, wie sie in der Tabelle F.4 der DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1) für gedruckte Schaltungen ausgewiesen sind. Daher empfiehlt das Projekt die Erweiterung der Tabelle, sodass zwischen den verschiedenen Basismaterialien und möglichen Schutzbeschichtungen unterschieden sowie der Verschmutzungsgrad 3 berücksichtigt wird. In diesem Kontext regt das Projekt auch die Anpassung der Definitionen der Verschmutzungsgrade 2 und 3 an.

Des Weiteren identifizierten die Experten den Bedarf an normativen Festlegungen zur Isolationskoordination für Halbleiterbauelemente, für cemented joints – Klebeverbindungen zwischen zwei Feststoffen – und für Multilayer-Platinen und regten die Durchführung entsprechender Untersuchungen an. Vor dem Hintergrund, dass Anwendungen wie beispielweise die Photovoltaik die Grenze des Niederspannungsbereich von DC 1 500 V bereits erreichen, wird zudem die Ausweitung der Untersuchungen auf Spannungen bis DC 3 000 V angeregt.

Isolationskoordination im Wandel der Zeit

„Isolationskoordination umfasst die Auswahl der elektrischen Isolationseigenschaften eines Betriebsmittels hinsichtlich seiner Anwendung und in Bezug auf seine Umgebung. Isolationskoordination kann nur erreicht werden, wenn die Bemessung des Betriebsmittels auf den Beanspruchungen, denen es im Verlauf der zu erwartenden Lebensdauer voraussichtlich ausgesetzt ist, beruht.“ [1]

Mit dieser grundlegenden Definition beginnt die Normenreihe DIN EN 60664 (VDE 0110), die den anerkannten Stand der Technik auf dem Gebiet der Isolationskoordination darstellt. Teil 5 der Normenreihe weist dabei in den Literaturhinweisen auf zwei Forschungsberichte des Zentralverbands Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) von 1989 hin:

  • zur Kurzzeitspannungsfestigkeit kleiner Isolierstrecken unter dem Einfluss natürlicher Umgebungsbedingungen [2] sowie
  • zur kriechstromsicheren Bemessung von Isolierungen bei Niederspannung [3].

Im Hinblick auf den verstärkten Einsatz elektrotechnischer und elektronischer Komponenten in innovativen Technologien, wie beispielsweise der Elektromobilität oder der Photovoltaik, stellt sich mittlerweile die Frage, ob die oben genannten Untersuchungen noch ausreichend sind und als Basis für diese und zukünftige Anwendungen verwendet werden können.

Denn mit den neuen Anwendungen gehen Neuentwicklungen in der Batterie- und der Halbleitertechnologie sowie der verstärkte Einsatz dezentraler Energieversorgungseinheiten einher. Dabei spielt der Einsatz von Gleichspannung eine immer größere Rolle:

  • sie wird von elektrischen Energiespeichern zur Verfügung gestellt, z. B. von stationären Pufferspeichern und in Elektrofahrzeugen durch Batterien mit hoher Energiedichte,
  • sie entsteht primär bei der Erzeugung, z. B. in PV-Anlagen und Brennstoffzellen,
  • sie wird von Stromrichtern erzeugt, z.B. bei Windkraftanlagen,
  • zu versorgende elektronische Verbraucher arbeiten mit Gleichspannung und
  • sie ist für die Übertragung über größere Entfernungen besser geeignet als Wechselspannung.

Damit werden neue Fragen zur Isolationskoordination aufgeworfen, insbesondere vor dem Hintergrund von besonders zu berücksichtigenden Umgebungseinflüssen wie Verschmutzung und Betauung.

Und genau hier setzt das durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderte Projekt „Isolationskoordination: Bemessung von Luft- und Kriechstrecken unter Umgebungsgesichtspunkten in neuen Anwendungen (IsKoNeu)“ an: gemeinsam mit der Bender GmbH & Co. KG, einem Geräte- und Systemhersteller auf dem Gebiet der Netzschutztechnik, erarbeitet die DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE basierend auf theoretischen Betrachtungen und Laborversuchen eine aktuelle Bewertung der Einflussfaktoren für die Auslegung von Luft- und Kriechstrecken.

Auf der Basis der Auswertung bisheriger Erkenntnisse zur Isolationskoordination, insbesondere im Zusammenhang mit zu erwartenden Umgebungseinflüssen und dadurch potenzieller Gefährdungen, sollen Sicherheitsgrenzwerte bestätigt oder neu aufgestellt und bei Bedarf entsprechende Schutzkonzepte neu entwickelt werden.

Der Bereich der Niederspannung (Wechselspannungen bis 1 000 V und Gleichspannungen bis 1 500 V) spielt deshalb dabei eine so große Rolle, weil die meisten Geräte, die von Laien bedient werden, in diesem Spanungsbereich betrieben werden. Die Hauptgefährdung besteht im elektrischen Schlag beim Berühren. Aber auch Ausfälle von wichtigen Komponenten können durch Isolationsfehler hervorgerufen werden, wenn die Isolierung den im realen Betrieb vorkommenden Anforderungen nicht gewachsen ist. Weiterhin besteht unter Umständen Brandgefahr, wenn nicht oder nur unzureichend berücksichtigte Fehlerströme fließen.

Im Rahmen des IsKoNeu-Projektes wird ein Gewinn neuer Erkenntnisse über die verschiedenen Wirkungsmechanismen im Zusammenhang mit der Isolationskoordination angestrebt. Das Projekt dient somit der Bestätigung bzw. Schaffung einer Basis für die sichere Nutzung elektrischer Energie in neuen Anwendungen. Dies erfolgt in mehreren Schritten:

  • einleitend wird eine Untersuchung der Einflussfaktoren auf die Isolationskoordination am Beispiel von Elektrofahrzeugen und der Photovoltaik durchgeführt,
  • parallel dazu wird analysiert, welche möglichen Gefährdungen durch unzureichende Isolationskoordination bestehen,
  • anschließend müssen daraus resultierende Sicherheitsanforderungen hinsichtlich der Isolationskoordination definiert und mit den bestehenden Anforderungen abgeglichen werden,
  • falls Änderungen der Anforderungen an die Isolationskoordination erforderlich sind, müssen abschließend geeignete Prüfungen zur Verifizierung der neuen Schutzkonzepte beschrieben werden.

 

[1]    DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1):2008-01, Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen – Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen (IEC 60664-1:2007); Deutsche Fassung EN 60664-1:2007

[2]   Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI), Mai 1989; Kurzzeitspannungsfestigkeit kleiner Isolierstrecken unter dem Einfluss natürlicher Umgebungsbedingungen. Abschlussbericht zum AIF-Forschungsvorhaben 6788

[3]   Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e.V. (ZVEI), Mai 1989; Kriechstromsichere Bemessung von Isolierungen bei Niederspannung. Abschlussbericht zum AIF-Forschungsvorhaben 6789

Isolationskoordination in neuen Anwendungen

ISKONEU-Zyklusprüfung
Bender GmbH & Co. KG/DKE

Abbildung 1: Zyklusprüfung mit einzelnen Messintervallen

Durch das Unterschreiten der Taupunkttemperatur der Luft wird das Phänomen der Kondensation an der Isolierstoffoberfläche hervorgerufen, die im Grenzgebiet zwischen Feststoffen und Gas zu einem lokal erhöhten Wasserdampfdruck führt. Dieser Wasserdampfdruck hat zur Folge, dass in Richtung des Temperaturgefälles eine Anlagerung der kondensierten Wassertropfen auf die Isolierstoffoberflächen stattfindet, was als Befeuchtung der Feststoffoberfläche durch Betauung bezeichnet wird. Als Folge der Betauung bilden sich dünne, leitfähige Fremdschichten auf der Isolierstoffoberfläche, durch die im Betrieb Kriechströme fließen, die die Bildung von Trockenzonen zur Folge haben.

Bei elektrischer Beanspruchung bilden sich über diesen Trockenzonen Teillichtbögen in Folge von Teilentladungen durch Feldverzerrung aus, die einen Fremdschichtüberschlag und somit das Versagen des Isolierstoffes auslösen können [3]. Bevor der Isolierstoff versagt, wird die Struktur der Oberfläche infolge der fortschreitenden Oberflächenentladungen zunehmend zerstört, was sich über die kontinuierliche Abnahme ihrer Widerstandsfähigkeit zeigt.

Die Widerstandsfähigkeit des Isolierstoffes wird mit der elektrischen Größe des Isolationswiderstandes beschrieben, dessen Wert folglich mehr als eine „Gut-Schlecht-Aussage“ über den aktuellen Zustand ermöglicht. Die Basis für eine qualitative Bewertung der Ergebnisse der Isolationswiderstandsmessung zeigt das in Abbildung 2 dargestellte Modell zum Aufbau eines Isolators.

Allgemein erfolgt die Isolationswiderstandmessung immer in Form einer Strommessung nach dem Aufschalten einer im Messgerät erzeugten Gleichspannung, deren Ergebnis im Inneren des Isolationswiderstandsmessgerätes über das Ohmsche Gesetz in die Einheit Ohm konvertiert wird. Neben dem Widerstandswert können unter Beachtung der dargestellten Anordnung sowie der Eigenschaften der gezeigten Stromkomponenten unterschiedliche Kennzahlen ermittelt werden, die in Summe ein gutes Gesamtbild auf den Zustand des Isolators zulassen.

ISKONEU-Aufbau Isolator
DKE, Bender GmbH & Co. KG

U = angelegte Testspannung
R und R = Oberflächenwiderstände
R = Widerstand des Materials
C = Kapazität des Materials
R = Polarisations-Widerstand
C = Polarisations-Kapazität
I = Gesamtstrom
I = Oberflächenleckstrom
I = Durchgangsleckstrom
 I= Leckstrom des Materials
 I= Polarisations-/ dielektrischer 
 Absorptionsstrom
 I= Ladungsstrom der Kapazität des Materials

Abbildung 2: Modell zum Aufbau eines Isolators

Neben der Festlegung der Methodik ist zum Prüfkonzept weiterhin festzuhalten, dass durch die Verwendung mehrerer Demonstratoren nach Abbildung 3 ein möglichst breiter Bereich von Einflussfaktoren analysiert werden soll.

Des Weiteren werden unterschiedliche Gehäusevarianten zur Berücksichtigung unterschiedlicher Verschmutzungsgrade (VG1 und VG2) verwendet. In diesen Gehäusevarianten kommen verschiedene Demonstratoren mit unterschiedlichen Leiterbahnabständen und unterschiedlichen Beschichtungen zum Einsatz, an die unterschiedlich hohe DC-Spannungen zwischen 400 V und 1.500 V angelegt werden.

 

ISKONEU-Aufbau Demonstrator 500x366
DKE, Bender GmbH & Co. KG

Abbildung 3: Aufbau Demonstrator

Die Ergebnisse der Versuchsreihe werden wie bisher im Rahmen von Workshops mit Experten aus Industrie und Normung diskutiert sowie einer breiten Fachöffentlichkeit über Publikationen vorgestellt.

Parallel zum Projekt erarbeitet die DKE die Normungs-Roadmap „Gleichstrom im Niederspannungsbereich“, die in ihrer ersten Version zum Ende dieses Jahres veröffentlicht werden soll. Gemeinsam mit diversen Stakeholdern aus den Bereichen Informationstechnik, Elektrotechnik und Gebäudeinstallationen wird in enger Zusammenarbeit ein Dokument verfasst, das sowohl den Stand der Technik, als auch Handlungsempfehlungen und einen Normungsbedarf bündelt und zusammenfasst. Bearbeitet werden in der Normungs-Roadmap vier Hauptgruppen:

  • Schutzkonzepte und Sicherheit
  • Voraussetzungen, gesetzliche Rahmenbedingungen und Festlegungen
  • Anlagentopologie
  • Betriebsmittel und Komponenten.

Innerhalb dieser Gruppen werden auch Aspekte der Isolationskoordination betrachtet. Die Normungs-Roadmap wird nach ihrer Veröffentlichung auf der DKE-Homepage kostenfrei zur Verfügung gestellt.

 

[1]   DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1):2008-01, Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen – Teil 1: Grundsätze, Anforderungen und Prüfungen (IEC 60664-1:2007); Deutsche Fassung EN 60664-1:2007

[2]   DIN EN 60068-2-38 (VDE 0468-2-38):2010-06, Umgebungseinflüsse – Teil 2-38: Prüfverfahren Z/AD: Zusammengesetzte Prüfung, Temperatur/Feuchte, zyklisch (IEC 60068-2-38:2009); Deutsche Fassung EN 60068-2-38:2009

[3]   S. Krischer, U. Grigull, Mikroskopische Untersuchung der Tropfenkondensation, Wärme- und Stoffübertragung, Band 4, S-48-59, 1971
 

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Coloures-Pic / stock.adobe.com

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