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Isolationskoordination in neuen Anwendungen

DKE-Projekt IsKoNeu im Detail
Isolationskoordination in neuen Anwendungen

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Wie bere­its in der Aus­gabe 8/2015 dieser Zeitschrift berichtet, unter­suchen die Ben­der GmbH (Geräte- und Sys­temher­steller auf dem Gebi­et der Net­zschutztech­nik) gemein­sam mit der DKE Deutsche Kom­mis­sion Elek­trotech­nik Elek­tron­ik Infor­ma­tion­stech­nik in DIN und VDE im Rah­men eines Förder­pro­jek­ts des Bun­desmin­is­teri­ums für Wirtschaft und Energie (BMWi), ob die in der Nor­men­rei­he DIN EN 60664 (VDE 0110) [1] fest­ge­hal­tene Ausle­gung von Luft- und­Kriech­streck­en auch für neue Anwen­dun­gen, beispiel­sweise Elek­tro­mo­bil­ität und Pho­to­voltaik, herange­zo­gen wer­den kann. Der Fokus des Pro­jek­tes liegt auf dem DC-Span­nungs­bere­ich von 400 V bis 1.500 V, in dem ein Großteil der neuen Anwen­dun­gen betrieben wird. Die Herange­hensweise ist eine Kom­bi­na­tion aus the­o­retis­chen Betra­ch­tun­gen und prak­tis­chen Laborver­suchen mit dem Ziel, eine fundierte Grund­lage zur Bew­er­tung der Ein­flussfak­toren für die Ausle­gung von Luft- und Kriech­streck­en zu erhal­ten sowie beste­hende Sicher­heits­gren­zw­erte zu über­prüfen.

Dipl.-Ing. (FH), M.Sc. Robert Schmieder, M.Eng. Den­nis Haub

Grund­sät­zlich gilt, dass unter­schiedliche Ein­flussfak­toren (z.B. elek­trisch­er Druck, mech­a­nis­ch­er Druck, ther­mis­ch­er Druck, chemis­ch­er Angriff etc.) eine allmäh­liche Abnahme der Lebens­dauer ein­er Isolier­strecke verur­sachen. Die Isolierung wird als fehler­haft erachtet, sobald sie den Strom­fluss in ungewün­schte Bah­nen zulässt und nicht angemessen ver­hin­dert. Das schließt Strom­fluss über die inneren Struk­turen und die äußeren Ober­flächen der Iso­la­tion mit ein, der im Fol­gen­den als Kriech­strom beze­ich­net wird. Sobald die Iso­la­tionsver­schlechterung ein­mal begonnen hat, tritt häu­fig eine Wech­sel­wirkung zwis­chen den unter­schiedlichen Ein­flussfak­toren ein, die den Zer­störung­sprozess beschle­u­nigt, was sich durch eine kon­tinuier­liche Abnahme des Wider­standes und somit ein­er Erhöhung des Kriech­stromes zeigt.
Da Prob­leme in der Regel erst nach ein­er bes­timmten Beanspruchungs­dauer auftreten, wurde für die Ver­such­srei­he eine zeitraf­fende Maß­nahme gesucht, die auch in kurz­er Zeit eine zuver­läs­sige Aus­sage zur Entwick­lung des Iso­la­tion­sniveaus zulässt. Die Wahl fiel auf ein Ver­fahren nach DIN EN 60068–2–38, bei dem durch Feuchte- und Kälte-Zyklen (siehe Abb. 1) eine Beschle­u­ni­gung der Iso­la­tionsverän­derung unter Laborbe­din­gun­gen (in einem Kli­maschrank) erre­icht wer­den soll. An jeden Einzelzyk­lus von 240 h, der mehrfach wieder­holt wird, schließen sich die Mes­sun­gen des Iso­la­tion­swider­standes an. [2]
Durch das Unter­schre­it­en der Taupunk­t­tem­per­atur der Luft wird das Phänomen der Kon­den­sa­tion an der Isolier­stof­fober­fläche her­vorgerufen, die im Gren­zge­bi­et zwis­chen Fest­stof­fen und Gas zu einem lokal erhöht­en Wasser­dampf­druck führt. Dieser Wasser­dampf­druck hat zur Folge, dass in Rich­tung des Tem­per­aturge­fälles eine Anlagerung der kon­den­sierten Wassertropfen auf die Isolier­stof­fober­flächen stat­tfind­et, was als Befeuch­tung der Fest­stof­fober­fläche durch Betau­ung beze­ich­net wird. Als Folge der Betau­ung bilden sich dünne, leit­fähige Fremd­schicht­en auf der Isolier­stof­fober­fläche, durch die im Betrieb Kriech­ströme fließen, die die Bil­dung von Trocken­zo­nen zur Folge haben.
Bei elek­trisch­er Beanspruchung bilden sich über diesen Trocken­zo­nen Teil­licht­bö­gen in Folge von Teilent­ladun­gen durch Feld­verz­er­rung aus, die einen Fremd­schichtüber­schlag und somit das Ver­sagen des Isolier­stoffes aus­lösen kön­nen. [3] Bevor der Isolier­stoff ver­sagt, wird die Struk­tur der Ober­fläche infolge der fortschre­i­t­en­den Ober­fläch­enent­ladun­gen zunehmend zer­stört, was sich über die kon­tinuier­liche Abnahme ihrer Wider­stands­fähigkeit zeigt.
Die Wider­stands­fähigkeit des Isolier­stoffes wird mit der elek­trischen Größe des Iso­la­tion­swider­standes beschrieben, dessen Wert fol­glich mehr als eine „Gut-Schlecht-Aus­sage“ über den aktuellen Zus­tand ermöglicht.
Die Basis für eine qual­i­ta­tive Bew­er­tung der Ergeb­nisse der Iso­la­tion­swider­standsmes-sung zeigt das in Abbil­dung 2 dargestellte Mod­ell zum Auf­bau eines Iso­la­tors.
All­ge­mein erfol­gt die Iso­la­tion­swider­standsmes­sung immer in Form ein­er Strommes­sung nach dem Auf­schal­ten ein­er im Mess­gerät erzeugten Gle­ichspan­nung, deren Ergeb­nis im Inneren des Iso­la­tion­swider­standsmess­gerätes über das Ohm­sche Gesetz in die Ein­heit Ohm kon­vertiert wird. Neben dem Wider­standswert kön­nen unter Beach­tung der dargestell­ten Anord­nung sowie der Eigen-schaften der gezeigten Stromkom­po­nen-ten unter­schiedliche Kenn­zahlen ermit­telt wer­den, die in Summe ein gutes Gesamt­bild auf den Zus­tand des Iso­la­tors zulassen.
Neben der Fes­tle­gung der Methodik ist zum Prüfkonzept weit­er-hin festzuhal­ten, dass durch die Ver­wen-dung mehrerer Demon­stra­toren nach Abbil­dung 3 ein möglichst bre­it­er Bere­ich von Ein­flussfak­toren analysiert wer­den soll.
Des Weit­eren wer­den unter­schiedliche Gehäu­se­vari­anten zur Berück­sich­ti­gung unter­schiedlich­er Ver­schmutzungs­grade (VG 1 und VG 2) ver­wen­det. In diesen Gehäu­se­vari­anten kom­men ver­schiedene Demon­stra­toren mit unter­schiedlichen Leit­er­bahn­ab­stän­den und unter­schiedlichen Beschich­tun­gen zum Ein­satz, an die unter­schiedlich hohe DC-Span­nun­gen zwis­chen 400 V und 1.500 V angelegt wer­den. Derzeit wer­den die Ergeb­nisse der Ver­such­srei­he aus­gew­ertet, mit Experten des für die Nor­mung der Iso­la­tion­sko­or­di­na­tion im Nieder­span­nungs­be-reich zuständi­gen Gremi­ums besprochen und Schlüsse für eine weit­ere Ver­such­srei­he gezo­gen.
Die abschließen­den Ergeb­nisse und Erken­nt­nisse des Pro­jek­ts sollen in einem weit­eren Work­shop im 3. Quar­tal 2016 mit Experten aus Indus­trie, Handw­erk, Ver­bän­den und Nor­mung disku­tiert sowie ein­er bre­it­en Fachöf­fentlichkeit über Pub­lika­tio­nen vorgestellt wer­den. Weit­ere Infor­ma­tio­nen zum Pro­jekt sind unter wwwww.dke.de/de/std/seiten/iskoneu.aspxu find­en.
Par­al­lel zum Pro­jekt erar­beit­et die DKE die Nor­mungs-Roadmap „Gle­ich­strom im Nieder­span­nungs­bere­ich“, die in ihrer ersten Ver­sion Ende Feb­ru­ar 2016 veröf-fentlicht wird. Gemein­sam mit diversen Stake­hold­ern aus den Bere­ichen Infor­ma­tion­stech­nik, Elek­trotech­nik und Gebäu-dein­stal­la­tio­nen wird ein Doku­ment ver­fasst, das sowohl den Stand der Tech­nik als auch Hand­lungsempfehlun­gen und einen Nor­mungs­be­darf bün­delt und zusam­men­fasst. Bear­beit­et wird die Nor­mungs-Roadmap in vier Haupt­grup­pen:
  • Schutzkonzepte und Sicher­heit,
  • Voraus­set­zun­gen, geset­zliche Rah­menbe­din­gun­gen und Fes­tle­gun­gen,
  • Anla­gen­topolo­gie,
  • Betrieb­smit­tel und Kom­po­nen­ten.
Inner­halb dieser Grup­pen wer­den auch Aspek­te der Iso­la­tion­sko­or­di­na­tion betra­chtet. Die Nor­mungs-Roadmap wird nach ihrer Veröf­fentlichung auf der DKE-Home­page kosten­frei zur Ver­fü­gung gestellt.
Lit­er­atur
  • DIN EN 60664–1 (VDE 0110–1):2008–01, Iso­la­tion­sko­or­di­na­tion für elek­trische Betrieb­smit­tel in Nieder­span­nungsan­la­gen – Teil 1: Grund­sätze, Anforderun­gen und Prü­fun­gen (IEC 60664–1:2007); Deutsche Fas­sung EN 60664–1:2007
  • DIN EN 60068–2–38 (VDE 0468–2–38):2010–06, Umge­bung­se­in­flüsse – Teil 2–38: Prüfver­fahren Z/AD: Zusam­menge­set­zte Prü­fung, Temperatur/Feuchte, zyk­lisch (IEC 60068–2–38:2009); Deutsche Fas­sung EN 60068–2–38:2009
  • S. Krisch­er, U. Grigull, Mikroskopis­che Unter­suchung der Tropfenkon­den­sa­tion, Wärme- und Stof­füber­tra­gung, Band 4, S. 48–59, 1971
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