Bewertung von Isoliersystemen nach IEC 60034-18-x

Die Qualifizierungs-Prüfverfahren zur Bewertung der elektrischen Lebensdauer von Isoliersystemen nach IEC 60034-18-x sind ein wesentlicher Bestandteil der Produktentwicklung für drehende elektrische Maschinen. Diese Normenreihe bietet für verschiedene Wicklungsformen einen Rahmen für die Prüfungverfahren von Hauptisolierung, Windungsisolierung und ggf. Glimmschutz, unter anderem auch bei Umrichterbetrieb.    

Bestandteile eines Isoliersystems

Als Bestandteile von Elektroisoliersystemen (EIS) gelten alle Komponenten, die zusammen die elektrische Isolation gewährleisten. Dazu gehören:

• Isolierlacke: Diese bilden eine Schutzschicht auf den Wicklungsdrähten und bieten elektrische Isolation.
• Isolierfolien und -bänder werden zur Lagenisolation und zur Verstärkung der Isolation verwendet.
• Tränkharze dienen zur Imprägnierung der Wicklungen und verbessern die mechanische und elektrische Festigkeit.
• Isolierstoffe für die Nutisolation werden verwendet, um die Wicklungen in den Nuten des Stators oder Rotors zu isolieren und mechanisch bei der Fertigung zu schützen.

Hinzu kommen können Materialien, die z.B. mechanische Stützfunktionen, aber keine elektrischen Aufgaben haben.    

Die IEC 60216 (Eigenschaften hinsichtlich des thermischen Langzeitverhaltens) ist die Grundlage zur Beurteilung einzelner Isolierwerkstoffe. In der IEC 60034-18-x Serie dagegen wird auf das Zusammenspiel mehrerer Komponenten abgehoben.  Das bedeutet, dass Produkte z.B. nach IEC 60216 in einer Wärmeklasse eingestuft sind, deren Zusammenspiel in einem mehrkomponentigen Isoliersystem (z.B. chemische Kompatibilität) jedoch nicht geprüft wurde.    

Die recht umfangreiche Normenreihe IEC 60034 ist in den Teilen -18-x in verschiedene Teile unterteilt, die sich auf spezifische Aspekte der Isolationsbewertung konzentrieren. Dazu gehören:

• IEC 60034-18-1: Allgemeine Richtlinien
• IEC 60034-18-21: Thermische Bewertung für Runddrahtwicklungen
• IEC 60034-18-32: Elektrische Lebensdauer-Qualifizierungsverfahren für Wicklungen mit vorgeformten Elementen
• IEC 60034-18-41 und 42: Elektrische Bewertung von Wicklungen, die durch Umrichterspeisung elektrisch beansprucht werden (Impulsspannungs-Isolationsklassen IVIC).
  

Belastungen und ihre Prüfung

Isoliersysteme in drehenden elektrischen Maschinen sind verschiedenen Belastungsarten ausgesetzt, die ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können. Dazu gehören:

• Thermische Belastung durch den Betrieb der Maschine (Stromwärme) plus Umgebungsbedingungen, was zu einer thermischen Alterung des Isoliersystems führt.
• Hohe Spannungen und schnelle Spannungsänderungen (Umrichterbetrieb) belasten die Isolation u.a. durch Teilentladungen und Überspannungen. In Verbindung mit Feuchtigkeit ggf. elektrochemische Prozesse. Geometrisch nebeneinander liegende erste und letzte Windung können bei hohen Frequenzen große Spannungsunterschiede aufweisen! (IEC 60034-18-41, Qualifizierung und Qualitätsprüfungen für teilentladungsfreie elektrische Isoliersysteme (Typ I) in drehenden elektrischen Maschinen, die von Spannungsumrichtern gespeist werden)
• Vibrationen, Zentrifugalkräfte und andere mechanische Belastungen können zu Schäden am Isoliersystem führen.
• Feuchtigkeit, Staub und chemische Substanzen (z.B. Betriebsstoffe, Gase) können die Isolationseigenschaften des Isoliersystems beeinträchtigen.

Die IEC 60034-18-x beschreibt zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der Komponenten in einem Isoliersystemen verschiedene Prüfverfahren. Allgemein anerkannt ist die herausragende Bedeutung der thermischen Alterung und damit Verschlechterung der Isolationswirkung. Allerdings gibt es weitere Einflußgrößen, die je nach Anwendung ebenfalls eine beschleunigte Alterung bewirken können. Sie können entsprechend ihrer Bedeutung zusätzliche Prüfungsschwerpunkte darstellen:    

• Die thermische Alterung dienen zur Bewertung der thermischen Beständigkeit des Isoliersystems unter verschiedenen Temperaturen (IEC 60085, Wärmeklassen). Die niedrigste Alterungstemperatur sollte so gewählt werden, dass eine mittlere Ausfallzeit bei >5000 h erreicht wird. Die weiteren Alterungstemperaturen sollten in 20 K Schritten darüber liegen (10 K auch möglich, wenn mehr als 3 Alterungstemperaturen). Mehrheitlich wird die Ofenlagerung und als Prüfanordnung die Motorette (GPM) genutzt.
• Die mechanischen Prüfungen dienen zur Bewertung der mechanischen Festigkeit des Isoliersystems unter verschiedenen Belastungen (Aufspannen auf Rütteltisch mit 50 Hz)
• Umweltprüfungen: Diese Prüfungen dienen dazu, die Beständigkeit des Isoliersystems gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen, vor allem Feuchtigkeit, zu testen. Die Lagerung bei feuchter Atmosphäre nach Warmlagerung und Rütteltisch hat den Vorteil, dass Brüche in der Isolation bei der anschließenden elektrischen Prüfung leichter erkannt werden.
• Die elektrische Prüfungen bildet das Ausfallkriterium für die Testzyklen. Im Umrichterbetrieb kann das das Unterschreiteneiner vorher festgelegten Teilentladungs-Einsetzspannung sein.

Die vergleichende Prüfung - Basis für die Beurteilung eines Isoliersystems                              

Die IEC 60034-18-x setzt bei der Beurteilung der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Isoliersystemen in drehenden elektrischen Maschinen stark auf die Verwendung eines betriebsbewährten Referenzsystems.    

Die wesentlichen Aspekte des Prüfprinzips der IEC 60034 sind:

• Vergleichsbasis: Das Prüfprinzip basiert auf dem Vergleich der Leistung eines "Erprobungsisoliersystems" mit der Leistung eines "Referenzisoliersystems". Das Referenzisoliersystem dient als Vergleichsbasis, da es eine bekannte und akzeptable Leistung unter den entsprechenden Belastungsbedingungen aufweist. Es muss so gut charakterisiert sein, dass es zur Beurteilung der Leistung von neu entwickelten oder modifizierten Isoliersystemen herangezogen werden kann. Ein Erprobungsisoliersystem ist das Isoliersystem, dessen Leistung bewertet werden soll. Es kann sich um ein neu entwickeltes, modifiziertes oder ein im Betrieb befindliches Isoliersystem handeln. Die Leistung des Erprobungsisoliersystems wird mit der des Referenzisoliersystems verglichen, um seine Eignung für den vorgesehenen Einsatz zu bewerten.
• Belastungszyklen: Sowohl das Erprobungs- als auch das Referenzisoliersystem werden definierten Belastungszyklen unterzogen, die die Betriebsbedingungen der Maschine simulieren. Diese Zyklen können thermische, elektrische, mechanische und umweltbedingte Belastungen umfassen (s.o.).

Folgende weitere Normen werden im Rahmen der IEC 60034 u.a. referenziert:

IEC 60085 – thermische Bewertung von Isolierstoffen und Isoliersystemen, die in elektrischen Betriebsmitteln eingesetzt werden. Definition von Wärmeklassen (z.B. 130 (B) oder 155 (F)).

IEC 60505 – Prinzipien und Verfahren für die funktionelle Bewertung der Alterung von EIS (elektrische Isoliersysteme) unter elektrischer, thermischer, umweltbedingter und mechanischer Beanspruchung bzw. Multifaktor-Belastungen.

Das Prüfprinzip mit Referenz- und Erprobungsisoliersystemen ermöglicht eine objektive und vergleichbare Bewertung der Leistungsfähigkeit von Isoliersystemen. Durch den Vergleich mit einem bekannten Standard können Hersteller und Anwender zuverlässiger sicherstellen, dass die Isoliersysteme den Anforderungen an Zuverlässigkeit und Lebensdauer entsprechen.