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1500 VDC Technologie - Herausforderung für Isolationswerkstoffe der Niederspannung

Die zunehmende Verbreitung von DC-Anwendungen, insbesondere in Bereichen wie Elektromobilität, erneuerbare Energien und industrielle Automatisierung, stellt neue Anforderungen an die elektrische Isolation dar. Spannungen bis 1.500 V Gleichspannung erfordern Isolatoren, die nicht nur eine hohe Durchschlagfestigkeit aufweisen, sondern auch gegen verschiedene Belastungen beständig sind. Polymerwerkstoffe sind aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften bevorzugte Kandidaten, doch ihr Verhalten unter DC-Spannung erfordert eine detaillierte Betrachtung. Da Anwendungen in diesem Spanungsbereich eher auf sehr lange Laufzeiten ausgerichtet sind (PV-Kraftwerke, Schwerlastverkehr, Gleichstromversorgung ganzer Industrieanlagen), müssen Isolationswerkstoffe besonders sorgfältig ausgewählt werden und höchsten Ansprüchen gerecht werden.

Herausforderungen bei DC-Spannung

Im Gegensatz zu AC-Spannungen, bei denen sich die elektrische Feldverteilung periodisch ändert, erzeugt DC-Spannung ein statisches elektrisches Feld. Dies führt zu verschiedenen Phänomenen, die die Leistung von Polymer-Isolatoren beeinflussen können:

  • Raumladungsakkumulation: In Polymeren können sich Raumladungen ansammeln, insbesondere an Grenzflächen und in Bereichen mit hoher Feldstärke. Bei Gleichspannung erfolgt kein periodischer Abbau dieser Feldladungen. Diese Raumladungen können das elektrische Feld verzerren und zu lokalen Feldüberhöhungen führen, die das Risiko von Teilentladungen und Durchschlägen erhöhen. Die Raumladungsakkumulation ist stark von der Temperatur, der Feldstärke und der Materialzusammensetzung abhängig.
  • Elektrochemische Alterung: Die permanent gleiche Feldausrichtung kann elektrochemische Reaktionen in Polymeren auslösen, die zu einer Verschlechterung der Isolationseigenschaften führen. Diese Reaktionen können durch Feuchtigkeit, Verunreinigungen und hohe Temperaturen beschleunigt werden. Elektrochemische Alterung kann zu einer Veränderung der Materialstruktur, zur Bildung von Leitpfaden und damit zur Reduzierung der Durchschlagfestigkeit führen.
  • Oberflächenkriechströme: Unter DC-Spannung können leichter Oberflächenkriechströme auftreten, insbesondere bei Verschmutzung oder Feuchtigkeit. Die immer gleiche Polarität begünstigt die Ionenwanderung. Kriechströme führen zu einer lokalen Erwärmung und zur Bildung von leitfähigen Pfaden, die einen Durchschlag verursachen können. Die Kriechstromfestigkeit von Polymeren ist daher ein wichtiger Parameter für DC-Anwendungen.
  • Selten beachtet und dennoch wichtig bei den hohen Betriebsspannungen: Einflüsse durch energiereiche Strahlung (Höhenstrahlung), die Ladungslawinen initiieren können.

Polymerwerkstoffe für DC-Isolation (nicht vollständige Übersicht)

Die Langzeitstabilität von Polymerisolatoren unter DC-Belastung ist ein wichtiges Forschungsgebiet. Im Allgemeinen kann man sagen, dass Gleichspannung in vielen Bereichen weniger belastend für Isolationsmaterialien ist wie Wechselspannung. Studien wie ‚DC-Industries‘ haben allerdings gezeigt, dass die Alterung von Polymerisolatoren unter DC-Spannung komplexer ist als unter AC-Spannung. Dies liegt an der Kombination von elektrischen, thermischen und chemischen Alterungsprozessen, die gleichzeitig ablaufen können.

  • Epoxidharze: Epoxidharze zeichnen sich durch hohe Durchschlagfestigkeit, gute mechanische Eigenschaften und chemische Beständigkeit aus. Sie werden häufig für die Isolation von Leistungselektronik, Transformatoren und Kabelendverschlüssen verwendet.
  • Polyimide: Polyimide bieten eine hohe thermische Stabilität und eine gute elektrische Isolation bei hohen Temperaturen. Sie werden in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Temperaturen und hohe Spannungen auftreten, wie z. B. in Elektromotoren und Generatoren.
  • Silikone: Silikone sind flexibel, feuchtigkeitsbeständig und haben eine gute Kriechstromfestigkeit. Sie werden häufig für die Isolation von Kabeln, Steckverbindern und Isolatoren im Freien verwendet.
  • PPSU (Polyphenylsulfon): PPSU hat eine hohe Durchschlagsfestigkeit und eine gute Resistenz gegen thermische Alterung. PPSU hat eine sehr geringe Feuchtigkeitsaufnahme, eine hohe Hydrolyseresistenz und eine sehr gute chemische Beständigkeit.
  • PET und PEN (Polyethylentherephthalat und Polyethylennaphthalat): Polyester sind günstig Massenkunststoffe mit sehr guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften. PEN hat eine geringfügig höhere Dauergebrauchstemperatur. PET hat eine gute bis sehr gute Kriechstromfestigkeit.

Belastungen und Prüfverfahren

Um die Leistung von Polymer-Isolatoren in DC-Anwendungen zu bewerten, werden verschiedene Prüfverfahren eingesetzt. Dazu gehören die Durchschlagfestigkeitsprüfung und die Teilentladungsprüfung:

  • Die Durchschlagsfestigkeit gibt eine Indikation, bis zu welcher Spannungsbelastung eine Isolation der Feldstärkeerhöhung standhält. Insbesondere die Form der Prüfkörper bestimmen dabei das Messergebnis (scharfe Kanten und Spitzen erhöhen die Feldstärke). Unter Gleichspannung wird üblicherweise eine höhere Spannungsfestigkeit gegenüber AC ermittelt.
  • DC-Teilentladungsprüfung: Messung der Teilentladungsaktivität unter DC-Belastung. Durch den fehlenden Nulldurchgang erlöschen einmal gezündete Teilentladungen (z.B. durch Überspannungsimpuls bei gealterter Isolation) nicht mehr.
  • Die Kriechstromfestigkeitsprüfung misst die Fähigkeit eines Isolators, der Ausbildung von Kriechströmen bei Anwesenheit von leitfähiger Verschmutzung und Feuchtigkeit zu widerstehen (gemessen als CTI oder PLC Wert. Zahlreiche bekannte Hochleitungs-Polymere haben eine eher schlechte Kriechstrombeständigkeit. Achtung: CTI-Messung erfolgt bei Wechselspannung). Die Messmethode selbst hat eine nur begrenzte Aussagekraft gegenüber der Verwendbarkeit von Isolatorwerkstoffen, ist aber ein entscheidender Faktor bei der Produktauswahl nach z.B. IEC 60664.

  • Thermische Alterungsprüfung: Ganz allgemein und üblicherweise der stärkste Alterungsfaktor ist die Wärmealterung. DC-Anwendungen sind hier ähnlich belastet wie AC-Anwendungen.
  • Umweltbelastung: UV-Strahlung, Verschmutzung und Feuchtigkeit können die Oberfläche von Polymerisolatoren schädigen und ihre Isolationsfestigkeit verringern. Bei einem statischen E-Feld können Kriechstrecken und elektrochemische Migration erheblich schneller ausgebildet werden als bei AC.
  • Bewertung der Langzeitstabilität unter simulierten Betriebs- und Umweltbedingungen. Ein üblicher Test ist zum Beispiel für Kabel das Eintauchen in eine niedrigprozentige Salzlösung bei maximal zulässiger Betriebsspannung.

Die Entwicklung von Polymer-Isolatoren für DC-Anwendungen ist ein aktiv betriebenes Forschungsgebiet. Laufende Entwicklungen konzentrieren sich auf:

  • Die Entwicklung neuer Polymermaterialien mit verbesserter Durchschlagfestigkeit, Kriechstromfestigkeit und thermischer Stabilität für hohe Spannungen bis zu 3000 VDC.
  • Nanokomposite: Die Verwendung von Nanopartikel in Polymer, um die Eigenschaften zu verbessern, z.B. thermische Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Teilentladungen.
  • Modellierung und Simulation: Die Entwicklung von Modellen und Simulationswerkzeugen, um das Verhalten von Polymer-Isolatoren unter DC-Spannung besser zu verstehen.
  • Isolationsmaterialien, die für Gleichspannungsanwendungen geeignet sind. Das bedeutet z.B., dass sie auch nicht durch Zuschlagstoffe wie Flammschutzmittel ein verschlechtertes Alterungsverhalten bei Gleichspannung aufweisen.

Insgesamt gibt es zwar bereits umfangreiche Erfahrungen mit Isolationsprodukten im Spannungsbereich bis zu 1.500VDC, zum Beispiel bei Solarfelder, Windkraftanlagen (AC-DC-AC), E-Mobilität und in der z.B. Bahntechnik (750 VDC). Durch eine immer höhere Packungsdichte (Leistungsdichte) versucht man jedoch in der Industrie an die unteren Grenzen des Machbaren zu gehen – sei es bei der Isolationsdicke oder dem Abstand (Kriechstrecke). Bislang existieren noch relativ wenige Forschungsergebnisse in diesen Extrembereichen – insbesondere, wenn man auch noch Gleichspannungen mit überlagerter hochfrequenter Wechselspannung (Umrichter-Rückwirkung) in Betracht zieht.

Eine der Organisationen, die sich mit diesem Thema beschäftigt ist die #ODBC (Open DC Allianz). Bei den 70 Mitgliedsfirmen existiert viel Know-How bezüglich der Kunststoffverarbeitung und dessen Einsatz als Isolationsmaterial. Hier sind zahlreiche Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten angesiedelt, Isolationen unter DC-Belastung bis 1.500 V zu charakterisieren und zu verbessern.

Darüber hinaus werden auch neue Prüfverfahren entwickelt, um die Zuverlässigkeit von Polymerisolatoren unter extremen Betriebsbedingungen zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Forschungen und Entwicklungen werden dazu beitragen, die Zuverlässigkeit von DC-Anwendungen zu verbessern und die Verbreitung dieser Technologie zu fördern.

Polymerwerkstoffe sind nicht wegzudenken für die elektrische Isolation in DC-Anwendungen bis 1.500 VDC. Um ihre Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, ist es jedoch wichtig, die Herausforderungen im Zusammenhang mit Raumladungsakkumulation, elektrochemischer Alterung und Oberflächenkriechströmen bei Gleichspannung zu berücksichtigen. Durch die Auswahl geeigneter Materialien, die Anwendung geeigneter Prüfverfahren und die kontinuierliche Forschung und Entwicklung tragen Polymer-Isolatoren erheblich dazu beitragen, die Sicherheit und Effizienz von DC-Systemen zu verbessern.