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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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