ISOLATIONS-KOORDINATION

Übersicht der verschiedenen Isolationsarten in der Isolationskoordination (IEC 60664), Gerätenormen können davon abweichen:

• Funktionsisolation
  Stellt gefahrlosen Betrieb des Geräts sicher, keine Anforderung an Luft- und Kriechstrecken, keine dti, aber Spannngsfestigkeit
  
  Ab hier: Anforderungen an Luft- und Kreichstrecke, keine an Dicke der festen Isolation (dti), aber Anforderungen an die Spannungsfestigkeit
  
  
• Basisisolation
  Grundlegender Schutz gegen Berührung von gefährlichen Körperströmen
• Zusätzliche Isolation
  Zusätzliche Isolierung zur Basisisolierung zum Schutz bei Versagten der Basisisolation, Anforderungen an Luft- und Kreichstrecke, keine dti, aber Spannungsfestigkeit
• Doppelte Isolation
  Besteht aus Basisisolation und zusätzlicher Isolation, Anforderungen an Luft- und Kreichstrecke, keine dti, aber Spannungsfestigkeit
• Verstärkte Isolation
  Einzige Isolation, die den Schutz vergleichbar verstärkter Isolation bietet (kann homogen oder mehrschichtig aufgebaut sein)

Kleinspannung PLEV = von Netz getrennter Stromkreis mit Kleinspannung (25VAC bzw. 60VDC), bei dem zwischen den Leitern oder Leiter und gemeinsamen Erdschutzleiter die Spannung nicht überschritten wird.

Kleinspannung SLEV = von Netz getrennter Stromkreis ohne gemeinsame Erde mit Kleinspannung, bei dem die Spannungen (25VAC bzw. 60VDC) zwischen den Leitern nicht überschritten wird.

Geräte, die an das Netz angeschlossen werden, müssen einer Bemessungsstoßspannung stand halten (z.B. transiente Überspannungsimplse durch Blitzeinschlag). Bei einphasiger Einspeisung bis 240VAC mind. 0,8 kV (Überspannungskategorie I), bei Dreiphasensystemen (230/400V) mind. 1,5 kV, bei (400/690V) 2,5 kV.
Prüfspannungen für Einphasige Systeme mit verstärkter oder doppelter Isolation bis 250V: 2,6 kV, bei Dreiphasigen Systemen mit Sternerdung bis 480V: 3 kV.

IEC 60664-4 (Niederspannungsanlagen, Einsatz von Arbeitsfrequenzen 30 kHz und mehr)

In der IEC 60664-4 werden die Besonderheiten der Luftstrecken und der festen Isolierstoffe in Bezug auf hohe Arbeitsfrequenzen beschrieben. Ein Minimum der Durchschlagfestigkeit von Luft liegt zum Beispiel bei 3 MHz (ca. -30% gegenüber 50 Hz). Auch polymere Werkstoffe neigen dazu, unter (insbesondere inhomogenen Feldverhälntnissen) hohen Frequenzen erheblich an Spannungsfestigkeit einzubüßen (grobe Daumenregel bei Polymeren: f>1 MHz Udurchbruch = 10% bei 50 Hz)

Daraus ergeben sich Luft- und Kriechstrecken, die bedeutend größer sind wie bei 50/60 Hz. Wichtig dabei: alle Einflussgrößen, die die Spannungsfestigkeit verschlechtern (Wärme, elektrisch, mechanisch, chemisch) wirken additiv!!

Luftstrecken im (üblicherweise) inhomogenen Feld werden mit folgenden Daten angegeben:

• Durchschlag der Isolationsstrecke bei Normatmosphäre:
  d = 0,2 mm bei 0,8 kVspitze
• Einsetzspannung für Teilentladung:
  d = 1 mm           1,2 kVspitze
  d = 3 mm           1,5 kVspitze
  d = 10 mm         3,0 kVspitze

Die Kriechstrecken (Verschmutzungsgrad 1) bei erhöhten Arbeitsfrequenzen liegt bei
0,8 kVspitze        0,45 mm (@<100 kHz)      ->      3,80 mm (@<700 kHz)
1,2 kVspitze        0,85 mm (@<100 kHz)      ->      8,20 mm (@<400 kHz)
1,5 kVspitze        2,30 mm (@<100 kHz)      ->      7,30 mm (@<200 kHz)
(Für Verschmutzungsgrad 2: x1.2, für Verschmutzungsgrad 3: x1,4)

Wichtig: Die Durchbruchspannungsfestigkeit ist bei dünneren Folien deutlich höher wie bei dickeren Folien bezogen auf einen gemeinsamen, normierten Wert (üblich kV/mm oder V/µm). Der Faktor kann durchaus x10 erreichen.
Da man es in realen Aufbauten häufig mit nicht-homogenen Feldern zu tun hat, werden bei höheren Frequenzen neben einer theoretischen Analyse Testaufbauten zwingend empfohlen.
Auch gelten die oben dargestellten Werte für Sinuswechselspannungen. Heute übliche z.B. PWM mit nahezu Rechteckimpulse müssen frequenzmäßig zerlegt werden und der Einfluß der Harmonischen Oberwellen mit in die Betrachtung einbezogen werden. Die Entstehung von Teilentladungen ist umso wahrscheinlicher, desto steiler die Anstiegsflanken sind und umso höher die Taktfrequenz ist (Anzahl von TE-Impulsen pro Zeiteinheit).

In der IEC 60664-4 findet man zu vielen Fragen z.B. bezüglich Impulsform weitergehende Informationen, die zwar nicht normativen Charakter haben, aber zum Verständnis beitragen. In der IEC/TS 61934 findet man weitere hilfreiche Hinweise: "Elektrische Isolierstoffe und -systeme - Messung von Teilentladungen bei sich wiederholenden Spannungsimpulsen mit kruzer Anstiegszeit".

X- und Y-Kondensatoren (Entstörkondensatoren gegen Gleichtaktstörungen)

X- Kondensatoren liegen zwischen Phase und Phase und/oder Phase und Neutralleiter.

Y-Kondensatoren dürfen zusätzlich auch zwischen Phase/Neutralleiter und berührbarem, schutzgeerdeten Apparategehäuse eingebaut werden. Sie sind wegen der Gefahr bei Ausfall (Spannung auf berührbarem Gehäuse) zulassungspflichtig und haben eine erheblich höhere Mindestimpulsfestigkeit wie X-Kondensatoren.

48V-Technologie bei EV-Fahrzeugen (Full EV, Hybrid, Mild Hybrid)

Um den nicht unerheblichen Aufwand für die Anwendung von Hochspannungsbatterien und -Antrieben zu vermeiden, wird auch weiterhin die Kleinspannung 48AC/60VDC einsetzen. Damit vermeidet man, wegen der hohen Ströme bei den üblichen 12 V ein Kupferbergwerk herum zu fahren, auf der anderen Seite befindet man sich noch unterhalb der Niederspannungsregeln (Berührungsschutz, Erdung, speziell eingewiesenes Personal usw.).

Eingesetzt wird die 48V-Technologie als Antrieb (Elektrische Achse) vor allem bei Mild Hybrid Fahrzeugen, die damit einige 10 km weit fahren können, bevor der Verbrennermotor zugeschaltet werden muß.

• Elektrische Achse
 
• Torque Vectoring / Fahrdynamik
 
• Elektrische Lenkung
 
• Elektrische Kupplung
 
• Wankstabilisation
 
• Aktives Segeln
 
• Möglichkeit der Rekupation (Wirkungsgrad deutlich besser wie bei 12 V)
 
• Downspeeding (untertouriges Fahren)
 
• Nebenaggregate wie DC/DC Wandler, Kompressoren und Klimageräte
 
• thermoelektrische Wärmepumpe

Hochvolt-Technik E-Mobility (Schiff, Flugzeug, Bahn, Auto, Schwerlastverkehr) 

Begrifflichkeiten: 

• 6-pack module inverters
 
• Halb- und Vollbrücken
 
• Step-down, Boost und Buck-Inverter

Hochvoltbatterien in der Automobil-Industrie (Elektromobilität)

Bei Hybrid- und vor allem vollelektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden Hochvolt-Batteriesysteme eingesetzt. Die für den Antrieb genutzten Batterien sind recht groß und durch die enthaltene chemische Energie im Störfall gefährlich.

Zwei der wesentlichen Maßnahmen zur Verbesserung der Leistung und Sicherheit sind das Wärmemanagement (zusammen mit dem BMS) und die Elektrische Sicherheit.

Ziele des Wärmemanagement: 

- Lebensdauer der Batterie verlängern (Wärme-Alterung)

- Leistungsfähgkeit erhalten (auch bei hohen und tiefen Temperaturen)

- Verfügbarkeit der gespeicherten Leistung

- Schutz vor "Runaway", Durchgehen der Batterie (Schutz für Insassen vor zu schneller Brandprologation)

- Erhöhung der Reichweite (Leichter, Einhaltung des optimalen Betriebsbereichs)

- Verbesserung der Sicherheit 

- Reputation der Batteriehersteller und der Fahrzeughersteller

Ziele der Isolationskoordination bei HV-Batterien:

- Erhöhung der Zuverlässigkeit des elektrischen Systems

- Vermeidung von Feldausfällen durch schleichende Alterung

- Erhöhung der Lebensdauer durch ausreichend gute Werkstoffe und Luft- und Kriechstrecken

- Vermeidung der Gefahr von Brand oder Berührung von Hochspannung

- Reduktion des Überwachungsaufwandes der Batteriezellen

- Elektrische Sicherheit

- Kein Ausfall des Fahrzeuges durch Isolationsfehler

- Einheitliche, international gültige Standards

- Verlässliche Qualität unabhängig vom Herstellort

- Einheitliche Normen weltweit (z.B. IEC 60587 Kriechwegbestimmung, cti)