Frequenzabhängigkeit der Durchschlagspannung

oder: Warum Isolationen für die Elektro-Mobilität auch versagen können.

Neue Anforderungen erfordern neue Herangehensweisen an eine Aufgabe. Eine dieser Herausforderungen bei der Elektro-Mobilität ist, immer größere elektrische Leistung zur Verfügung zu stellen. Da die Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist, zwingen automobilspezifische Umstände Hersteller dazu, immer höhere Spannungen einzusetzen. Denn nur so lassen sich Leitungsquerschnitte klein halten.

Isolationen waren früher vorwiegen niedrigen Frequenzen von unter 1.000 Hz ausgesetzt bei (sinusförmigen) Spannungen bis wenige Hundert Volt. Darum sind auch viele Normen auf diese Frequenzen ausgelegt. Doch die Hochvolt-Technik im Automobil erzeugt heute nicht-sinusförmige Wechselspannungen mit Frequenzen, deren Oberwellen bis in den Bereich der „Radiofrequenzen“ hinein reichen. Hohe Spannungen bis über 1000V und hohe Flankensteilheit der Schaltvorgänge belasten Isolationen anders wie früher.

Aus dem Bereich des „Hochfrequenzschweissens“ kennt man diesen Effekt, bei dem man mit Wechselspannung Energie in das Material induziert. Besonders bei der Verarbeitung von PVC und Polyurethan (PU) können mit Hilfe dieser Technik hervorragende Schweißnähte erzeugt werden.
Der technisch-physikalische Hintergrund dazu: Durch ein hochfrequentes Wechselfeld werden die (polaren) Moleküle mancher Kunststoffe durch Ladungsverschiebungen zum Schwingen angeregt. Dieses Schwingen im ständig die Polarität wechselnden Feld erzeugt mechanische Arbeit im Material, das sich dadurch bis zum Erweichen erwärmt.

Was für die Herstellung von Klarsichthüllen oder LKW-Planen gut ist, wäre bei der Anwendung als elektrische Isolationsfolie ein Desaster. Denn eine Isolationsfolie, die sich im Wechselfeld erwärmt, hat eine schlechtere Spannungsfestigkeit und altert vor allem schneller.

Die allermeisten Datenblätter von Materialien zur Elektroisolation liefern keinen Anhaltspunkt dafür, wie stark die Durchschlagsspannung bei erhöhten Frequenzen sinkt.
Dennoch gibt es technische Angaben, die helfen, ein Isolationsmaterial in seinem Verhalten gegenüber hohen Frequenzen zu beurteilen. Ein wesentlicher Faktor ist dabei der dielektrische Verlustfaktor tan d. Umso kleiner dieser ist, desto weniger stark wird das Material durch ein schnelles Wechselfeld polarisiert und erwärmt.

Typische „unpolare“ Materialien sind PE, PP, PTFE und auch noch PI. So findet man häufig bei sehr hohen Frequenzen im GHz Bereich Isolationen aus PTFE, beispielsweise in den radarbasierten Abstandssensoren moderner Autos.

Wesentlich kritischer sind Kunststoffe mit einem tan d > 0,01. Produkte wie PVC, PU, PA, PET-G, PVDF und PVF sind zwar gut geeignet für das Hochfrequenz-Schweissen, doch bei solchen Folien ist der Einsatz über ca. 1 MHz kritisch. Ihre elektrischen Eigenschaften verändern sich bei so hohen Frequenzen gegenüber 50Hz-Angaben bereits deutlich. Die Durchschlagspannung und durch die zusätzliche Erwärmung auch die Alterungsbeständigkeit sinken erheblich.

Leider machen nur wenige Hersteller auf diesen Umstand aufmerksam. Der häufig dennoch mögliche Einsatz von solchen Isolationsfolien gelingt wegen der großen Sicherheitsreserven in den Material- und Gerätenormen. Besonders Kapton® eignet sich wegen seiner extrem hohen Reserve in Bezug auf Wärmestandfestigkeit. Ein Produkt mit einem hohen Wärmeindex (class c) hat bei geringerer Dauereinsatztemperatur eine wesentlich längere Lebensdauer bezogen auf die Wärme-Alterung. Kapton® kann daher auch im hochfrequenten Wechselfeld eingesetzt werden.

Die von der etablierten Elektrotechnik anerkannten Normen sind nicht auf die speziellen Anforderungen der Automobil-Industrie zugeschnitten. Häufig genug werden von den Automobilherstellern oder den großen Automobilzulieferern daher individuelle Liefervorschriften formuliert. Diese nehmen zu Normen wie IEC, ASTM, UL oder ISO Normen Bezug, wo sie nützlich sind. Jedoch da, wo die Anforderungen in der Elektro-Mobilität zum Teil bislang mangels Bedarf nicht in Standards behandelt werden, wird fehlende Normierung durch eigene Vorgaben ersetzt. Bei diesem Prozess wird verständlicherweise versucht, automobiltypische Anforderungen zu berücksichtigen: Wenig Bauraum, möglichst wenig Gewicht, möglichst günstige Bauteile und einfacher Einbau. Die Folge davon sind unter anderem geringere Abstände elektrischer Leiter, dünnere Isolationsschichten und Isolationsaufbauten, die ihre ausreichende Spannungsfestigkeit ggf. nicht über die volle Laufzeit eines Fahrzeuges behalten.

Zudem ist die bislang übliche Betrachtung der „Gesamtbetriebsdauer“ eines Verbrennermotors von ca. 7.500 Stunden bei Elektroantrieben nicht zulässig. Bestimmte Bereiche des Hochvolt-Powertrains stehen permanent unter Spannung (Batteriebereich) bzw. sind wesentlich häufiger (z.B. Onboard-Ladegerät) in Betrieb.

Elektrische Isolationsmaterialien verlieren durch viele Faktoren einen Teil ihrer Eigenschaften, die sie am Anfang haben. Neben der Spannungsfestigkeit kann das auch eine Versprödung sein oder die Erosion der Oberfläche durch Teilentladungen. Vibrationen, Warm-Kalt-Wechsel, chemische Substanzen, UV-Licht und Bewitterung/Verschmutzung sind klassische automobile Materialbelastungen. Hinzu kommt nun eine immer höher werdende Spannungsebene. Ab etwa 450 VAC kann an der Oberfläche von Isolierwerkstoffen durch Teilentladungen (Partial Discharge) eine Corona entstehen. Zu dieser Belastung an der Grenze zwischen Luft und Isolierwerkstoff kommt mit steigenden Schaltfrequenzen in den HV-Baugruppen nun die im Werkstoff selbst induzierte Wechselfrequenz-Belastung. Das betrifft vor allem Geräte wie den Onboard-Lader, den Frequenzumrichter für die Antriebsmotoren, die EMV-Filter und die Wicklungsanfängen der Motorenwicklungen.

Fazit:

Neuwertige Isolierstoffe halten sehr viel aus und sind sehr gute Isolatoren. Der kombinierte Angriff durch verschiedene Alterungsmechanismen führt jedoch dazu, dass Ausgangsprüfungen bei der Produktion nicht vor Spätfolgen schützen. Der Entwickler von elektronischen Baugruppen sollte also sich beim Diktat aus „größere Leistung, weniger Gewicht, weniger Bauraum“ durchaus bewusst machen, dass sporadische Feldausfälle durch zu enge Auslegung der Isolationssysteme wahrscheinlicher werden. Eine der weniger bekannten Alterungsmechanismen ist die durchaus auch bei beliebten Isolierwerkstoffen vorhandene Frequenzabhängigkeit der Durchschlagspannung und der zu Grunde liegenden physikalischen Ursache.

Weitergehende Informationen erhält der interessierte Leser über den ZVEI, Fachverband Stromversorgungen oder im DKE (Deutsche Kommision Elektrotechnik) das Kommitee K323 sowie z.B. über das SC 22E des IEC (IEC 61204).

CMC Klebetechnik bietet Isolierklebebänder an aus folgenden Werkstoffen:

  • Polyesterfolien
  • PEN-Folien
  • Kapton®-Folien (Polyimid)
  • PTFE-Folien
  • Glasgewebe, Acetatgewebe, Elektro-Krepppapier, Polyestervlies
  • Nomex®-Aramidpapier
  • ETFE-Folien
  • bei Bedarf auch PPS, PEEK, THC, PVDF, PC und vielen anderen Isolierwerkstoffen.

Einige typische tan d Werte (Angaben bei über 1 MHz sind sehr selten zu finden):

Material              Dielektr. Verlustfaktor

  •                             50 Hz                     1 MHz
  • PTFE                      0,0005                   0,0007
  • PS                          0,0009                   0,0005
  • PP                          0,0025                   0,0035
  • PE                          0,002                     0,002
  • PI                           0,003                     0,011
  • PEEK                       -                            0,03
  • PET                        0,02                       0,21
  • PVC                       0,12                       0,3
  • PVDF                     0,49                       1,7
  • PA (luftfeucht)        3,9                         1,3