Möglichkeiten der Fehlinterpretation von Messergebnissen bei Hochspannungsprüfungen an DC-Hochvolt-Geräten

Mit der Elektromobilität hat sich sukzessive der Spannungsbereich von 12/24 VDC über 48 VDC auf eine Kreisspannung von heute >350 VDC erhöht. Für große Elektro-Fahrzeugen (Busse, LKW`s, Premium-Fahrzeuge) werden sogar Spitzenspannungen bis zu ~1000 VDC eingesetzt. Diese Hochvolt-Netze sind elektrotechnisch gesehen ungeerdete IT-Netze.

In diesen Netzwerken ist selbst bei einem satten Erdschluss durch einen Isolationsfehler noch keine sofortige Abschaltung notwendig – jedoch eine zuverlässige Erkennung, um weitere Verschlechterung zu vermeiden (Keine ungewollte Betriebsunterbrechung, Elektro-Fahrzeug kann noch weiter fahren, muß aber umgehend repariert werden).
Die Überwachung der elektrischen Betriebssicherheit ist bei einem solchen E-Mobil integraler und elementarer Bestandteil des Sicherheitskonzepts. Dazu gehört auch das permanente Monitoring des Zustandes der Isolation im Hochvolt-Bereich.
System- und kostenbedingt wird eine Überwachung der Hochvoltisolation nicht auf alle einzelnen Komponenten des HV-Stromkreises herunter gebrochen. Der Ladebetrieb unterscheidet sich erheblich vom Fahrbetrieb, das Zuschalten der Klimaanlage oder des Zuheizers verändern die Verhältnisse im Stromkreislauf merklich. Daher muss die Isolationsüberwachung eine gewisse Toleranzgrenze zulassen, bevor sie einen Schaden in der Isolation (1. Fehler) meldet.

Klassisch wird bei der Entwicklung und Zulassung eines elektrotechnischen Gerätes die Qualität der eingesetzten Isolationsmaterialien mittels Prüfspannung überprüfen. Diese Prüfspannung liegt deutlich über der erwarteten höchsten Betriebsspannung und soll sicherstellen, dass keine Mängel in der Konzeption oder nach der Montage vorliegen. Typische Angaben aus verschiedenen Normen sind zum Beispiel Unenn x 2 plus 1.000V.

Prinzipiell ist ein Isolationsfehler ein Bereich, in dem die anliegende Feldstärke (durch die Prüfspannung) einen nennenswerten Stromfluß bewirken kann. Jedoch deutet nicht jeder kleine Stromfluß bereits auf einen Isolationsfehler hin. Der für die Prüfung verwendete Hochspannungstransformator muß daher die Möglichkeit bieten, die Auslöseempfindlichkeit der „Kurzschluß“-Detektion einzustellen. Üblich ist, dass ein Stromfluß unter 3 mA bei Prüfspannung (einige Hundert bis einige Tausend Volt) nicht zu einer Auslösung führen darf. Erst darüber hinausgehende Ströme deuten einen Fehler in der Isolation selbst an.

Ein wichtiger Aspekt bei der Beurteilung der Messergebnisse ist der Umstand, dass in sehr vielen Fällen mit Wechselspannung (AC) geprüft wird. Für rein Ohmsche Widerständen ist es prinzipiell egal, ob mit AC oder DC gemessen wird. Jedoch beinhalten viele elektrotechnische Geräte mehr oder weniger auch unbeabsichtigt Induktivitäten und Kapazitäten (Beispiel: große gemeinsame spannungstragende Fläche in einer Platine gegenüber geerdetem Metallgehäuse, wobei sich diese Flächen auch aus einzelnen, kleineren Flächen durch Parallelschaltung aufsummieren können). Und diese kapazitiven oder induktiven Kopplungen können bei der klassischen Hochspannungsprüfung zu Fehlinterpretationen führen.

Anhand eines Beispiels erkennt man, dass in ungünstigen Fällen Koppelkapazitäten den Stromfluß beim Hochspannungstest erheblich beeinflussen können. In Folge kann es zu Fehlinterpretation kommen:

Annahme: Bauteil enthält eine unter Spannung stehende Fläche A von 330 cm² (DIN A5 Seite). Diese Fläche ist gegenüber dem geerdeten Metallgehäuse isoliert mit einer Kapton® MT Folie mit Dicke (d) 50µm. Die Prüfspannung beträgt 2300 VAC (50Hz).
Der fliessende Strom kann nach dem Ohmschen Gesetz ermittelt werden, wobei man für „R“ den kapazitiven Blindwiderstand Xc einsetzt.

I = Uprüf / Xc
dabei errechnet sich Xc aus
Xc = 1 / (2*π*f*C), wobei C= (ε0*εr*A)/d

Die volle Formel für den durch kapazitive Kopplung verursachten Strom lautet also:

I = (Uprüf * 2* π*f* ε0*εr*A)/d

Für das konkrete Beispiel bedeutet das:

I = (2300VAC *314*ε0*3*o,033m²)/ 50*10e-6 m = 12 mA (!)
C= 8,854*10e-12 * 3 * 0,033m²/50*10e-6 = 17 nF

In dieser Konstellation fließt also bei der Hochspannungsprüfung mit Wechselspannung ein Prüfstrom von 12 mA, ohne dass die Isolation einen Schaden ausweist. Es handelt sich ausschließlich um den Strom, der durch den sich bildenden Plattenkondensator fließt. Sollte der Auslösestrom des Hochspannungs-Prüftransformators auf 10 mA eingestellt sein (häufig verwendeter Wert), würde also die Prüfung als nicht bestanden beendet werden.

Der „Fehlerstrom“ ist jedoch nicht nur abhängig von der Fläche des sich bildenden Plattenkondensators. Variationen in der Stärke des Isolationsmaterials beeinflussen den Stromfluss erheblich. Dagegen macht es wenig Sinn, andere Werkstoffe wegen des „besseren“ Epsilon einzusetzen. Dahingegen sollte man sich bewusst sein, dass die übliche  Prüffrequenz von 50 Hz im realen Betrieb z.B. an einem  Umrichter unrealistische Ergebnisse zur Folge hat.