In elektronischen Geräten und elektrischen Einrichtungen sind Isolationswerkstoffe von elementarer Bedeutung. Sie gewährleisten Betriebssicherheit und Schutz vor elektrischem Schock. Sie sind ein wesentlicher Teil des Sicherheitskonzeptes und ihr Ausfall hat meistens erhebliche Folgen. Es ist daher sinnvoll, sich der zahlreichen Schädigungsfaktoren bewusst zu sein, die eine elektrische Isolation in ihrer Funktion beeinträchtigen können.
Grob lassen sich die Faktoren in folgende Gruppen einteilen:
1. Thermische Beeinflussungen
2. Elektrische Belastungen
3. Mechanische Belastungen
4. Chemischer Einfluss
5. Bewitterung und Bestrahlung (UV, IR, Höhenstrahlung, etc.)
6. Elektrochemische Beeinflussung
7. Elektromagnetische und elektrostatische Einwirkung
Im Folgenden sind einige Punkte detaillierter aufgezählt, die bei der Entwicklung und bei dem Einsatz von elektrischen Isolationsmaterialien beachtet werden sollten. (Die Aufzählung ist jeweils beispielhaft und nicht vollständig):
1. Thermische Einflüsse können die elektrische Isolation beeinträchtigen
1. Überhitzung/Wärmeklasse: Wenn die Isolierung über einen längeren Zeitraum (zu) hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann sie beschädigt werden. Das Isolationsmaterial kann seine Struktur verändern, schmelzen oder verkohlen, was zu einer Verringerung der Isolationsfestigkeit führt. Daher setzt man abhängig von der Dauergebrauchstemperatur (und ggf. der maximal auftretenden Temperatur) Materialien ein, die in der richtigen Wärmeklasse eingeordnet sind (Polyimid z.B. Wärmeklasse C).
2. Wärmeausdehnung: Unterschiede in den Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Isolierung und den umgebenden Materialien können zu Spannungen führen. Bei wiederholten Temperaturänderungen können diese Spannungen Risse oder Lücken in der Isolierung verursachen, was zu einer Verschlechterung der Isolationsfähigkeit führt (z.B. bei Mehrschicht-Laminaten).
3. Kälteschock: Wenn die Isolierung plötzlich extremen Kältebedingungen ausgesetzt wird, kann sie spröde werden und Risse entwickeln. Auch diese Belastung führt zu einer Verringerung der Isolationsfestigkeit führen und zu einer geringeren Leistungsfähigkeit der Isolation führen.
4. Thermische Zyklisierung: Wiederholte Temperaturzyklen können die Isolierung erheblich belasten. Jeder Zyklus von Wärmeausdehnung und Abkühlung kann dazu führen, dass das Isolationsmaterial an Festigkeit verliert, Risse entwickelt oder sich lockert (z.B. Delaminierung bei Vergußmassen).
5. Wärmestau: Wenn sich Wärme in einem isolierten Bereich ansammelt und nicht effektiv abgeführt wird, kann dies zu einer Erhöhung der Umgebungstemperatur führen. Eine hohe Umgebungstemperatur beeinträchtigt die Isolation (beschleunigte Wärmealterung) und zu einem erhöhten Risiko von Durchschlägen oder Kurzschlüssen führen.
Es ist wichtig, dass die Isolierungen entsprechend den thermischen Anforderungen dimensioniert und aus Materialien hergestellt werden, die den erwarteten Temperaturen standhalten können. Eine angemessene Wärmeableitung und -ableitung sollte berücksichtigt werden, um eine Überhitzung der Isolation zu vermeiden. Wärme ist der wichtigste Grund für die Alterung von polymeren Isolationswerkstoffen wie Lacke, Tränkharze, Kunststoff-Folien, Mehrschichtlaminaten und Vergußmassen.
2. Elektrische Einflüsse, die die elektrische Isolation verschlechtern können
1. Hohe Spannung: Wenn eine Isolierung einer hohen Spannung ausgesetzt ist, kann es zu einem Durchschlag kommen. Das bedeutet, dass der elektrische Strom die Isolation überwindet und einen Kurzschluss verursacht. Dies bedeutet meistens einen dauerhaften Verlust der Isolationswirkung. Dieser Fehler tritt am ehesten durch eine Falschdimensionierung auf und ist normalerweise vermeidbar.
2. Überspannungen: Überspannungen, sei es durch Blitzschlag, Schaltvorgänge oder andere Faktoren, können zu einer Beschädigung der Isolierung führen. Hohe Spannungsspitzen können das Isolationsmaterial überlasten und zu einer Verringerung der Isolationsfestigkeit oder einem Durchschlag führen. Überspannungsspitzen sind meist der Grund zum Zünden von Teilentladungen. Tritt dieser Fall öfter aus, könne Isolationen schnell degradieren.
3. Hohe Frequenzen: Die Isolationsfestigkeit der meisten polymeren Isolationswerkstoffe verringert sich bei höheren Frequenzen (Polarisation, Eigenerwärmung, Raumladungsbildung). Bei stark polaren Werkstoffen tritt dieser Faktor bereits im MHz deutlich hervor.
Es ist wichtig, dass die Isolierungen den spezifischen elektrischen Anforderungen gerecht werden und vor den genannten elektrischen Einflüssen geschützt werden, um eine sichere und zuverlässige Isolation aufrechtzuerhalten. Regelmäßige Inspektionen und Wartungen können dazu beitragen, potenzielle Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben.
3. Mechanische Einflüsse, die die elektrische Isolation verschlechtern können
1. Scherkräfte: Starke Scherkräfte, die auf die Isolierung einwirken, können zu Beschädigungen oder Rissen führen, die die Isolation beeinträchtigen (z.B. Delamination).
2. Druck: Hoher Druck auf die Isolierung kann zu Verformungen oder sogar zum Zusammenpressen des Isoliermaterials führen, wodurch die Isolationseigenschaften beeinträchtigt werden (z.B. die Durchbruchspannung).
3. Biegen oder Knicken: Wenn eine Isolierung stark gebogen oder geknickt wird, kann sie beschädigt werden. Dies kann dazu führen, dass Risse oder Lücken entstehen, die die elektrische Isolation verringern.
4. Schläge oder Stöße: Wenn die Isolierung starken Stößen oder Schlägen ausgesetzt ist, kann sie beschädigt werden oder sich lösen. Dies kann zu einer Verschlechterung der Isolierung führen.
5. Vibrationen: Kontinuierliche Vibrationen können dazu führen, dass sich die Isolierung lockert oder abnutzt. Dadurch können Lücken oder Risse entstehen, die die elektrische Isolation beeinträchtigen. Besonders häufig kommen solche Belastungen im Verkehrsbereich oder der Anlagentechnik vor.
Es ist also wichtig, dass elektrische Isolierungen richtig dimensioniert, aus hochwertigen Materialien hergestellt und vor den oben genannten mechanischen Einflüssen geschützt werden, um ihre Integrität und Wirksamkeit aufrechtzuerhalten.
4. Chemische Einflüsse, die die elektrische Isolation verschlechtern können
In den meisten Fällen beginnt die Verschlechterung eines Isolationswerkstoffes an seiner Oberfläche. Neben der thermischen Alterung ist Feuchtigkeit (Kondenswasser, hohe Luftfeuchtigkeit, Wasseraufnahme) der wichtigste Grund für das Versagen von Isolationswerkstoffen.
1. Feuchtigkeit: Feuchtigkeit kann bei vielen Isoliermaterialien in den Werkstoff eindringen (Wasseraufnahme) und ihre elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Es kann zu einem Leckstrom kommen, der die Isolation verringert. Meistens ist jedoch die Kombination aus Verschmutzung (Staub, Produktionsreste…) und Kondensation der Grund für eine Verschlechterung (Bildung von Leitpfade auf der Oberfläche; Tracking Index cti).
2. Säuren und Basen: Aggressive Säuren oder Basen können die Isolationsmaterialien chemisch angreifen und zerstören. Dies führt zu einer Abnahme der Isolationsfestigkeit. Typischerweise sind Sensoren und Steuerungen in der chemischen Industrie solchen Belastungen ausgesetzt, weswegen eine zuverlässige Abdichtung von Gehäuse hier besonders wichtig ist.
3. Lösungsmittel: Bestimmte Lösungsmittel können die Isolationsmaterialien auflösen oder aufweichen, was zu einer Verringerung der Isolationseigenschaften führt. Lösungsmittel treten nach wie vor auch in flüssigen Tränkharzen und Schutzlacken auf, können jedoch auch z.B. bei der Reinigung von Oberflächen auftreten.
4. Öle und Fette: Öle und Fette können die Isolation kontaminieren und die Oberflächeneigenschaften des Isoliermaterials verändern, was zu einer Abnahme der Isolationsfestigkeit führt. Prinzipiell sind die meisten Öle oder Fette in ihrer Wirkung vergleichbar denen von Lösemitteln. Typische Anwendungen mit diesen Belastungen sind Kraftfahrzeuge und die Antriebstechnik.
5. Oxidation: Oxidationsprozesse können die Isolationsmaterialien chemisch verändern und ihre Eigenschaften verschlechtern. Dies kann zu einer Verringerung der Isolation führen. Insbesondere in Verbindung mit erhöhten Temperaturen verändern sich die Oberflächen von Isolationswerkstoffen und verschmutzen beispielsweise leichter.
6. Korrosion: Korrosive Substanzen können die metallischen Komponenten in der Nähe der Isolierung angreifen und zu deren Versagen führen. Dadurch kann auch die Isolation beeinträchtigt werden.
Es ist wichtig, dass die Isolationsmaterialien für die spezifische Anwendung geeignet sind und gegenüber den chemischen Einflüssen, denen sie ausgesetzt sind, beständig sind. Bei der Auswahl von Isolationsmaterialien müssen die chemischen Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden, um eine ausreichende elektrische Isolation aufrechtzuerhalten.
5. Klimatische Einflüsse können die elektrische Isolation beeinträchtigen
1. Feuchtigkeit: Hohe Luftfeuchtigkeit oder direkter Kontakt mit Wasser beeinträchtigt die Isolationsmaterialien und verringert ihre Isolationseigenschaften. Feuchtigkeit kann zu Leckströmen führen und die Isolation beeinträchtigen.
2. Temperatur: Extrem hohe oder niedrige Temperaturen können die Isolationseigenschaften beeinflussen. Bei hohen Temperaturen können Isolationsmaterialien ihre Struktur verändern und ihre Isolationseigenschaften reduzieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen können Materialien spröde werden und Risse entwickeln, was ebenfalls zu einer Verschlechterung der Isolation führt.
3. Sonneneinstrahlung: Langfristige Sonneneinstrahlung kann die Isolationsmaterialien schädigen. UV-Strahlung kann dazu führen, dass das Isolationsmaterial spröde wird, reißt oder sich zersetzt. Hauptsächlich die UV-Strahlung führt bei vielen Kunststoffen zu einer Zerstörung der Polymerketten. UV-Inhibitoren können diesen Prozess hinauszögern.
(nur der Vollständigkeit: Energiereiche Strahlung, wie sie in Kernkraftwerken und z.B. Ringbeschleunigern auftreten, können Isolationswerkstoffe stark schädigen. Es gibt jedoch einige Polymerarten, die sehr resistent gegen radioaktive Strahlung sind).
4. Salzluft: In Küstengebieten kann die salzhaltige Luft die Isolation angreifen. Das Salz kann Korrosion verursachen und das Isolationsmaterial beeinträchtigen. Manche Werkstoffe (bestimmte Silikonharze) reagieren besonders sensibel auf die Salz-Belastung. Sich niederschlagender Salznebel macht bei Vorhandensein von Feuchtigkeit Oberflächen von Isolationen elektrisch leitfähig und führt zu Leckströme und der Zerstörung der Isolator-Oberfläche.
5. Staub und Schmutz: Eine staubige Umgebung oder das Vorhandensein von Schmutzpartikeln auf der Oberfläche der Isolation kann zu Leckströmen führen und die Isolationseigenschaften verringern. Typische Orte für das Auftreten von Staub sind besonders trockene Landschaften wie Wüsten oder regenarme Hochebenen.
6. Kondensation: Kondensation, insbesondere wenn sie sich auf der Oberfläche der Isolierung bildet, kann zu einer Verschlechterung der Isolation führen (Tracking, Erosion). Kondensation entsteht insbesondere bei großen Temperaturwechseln (Tag-Nacht-Unterschied, Wechsel von Ausseneinsatz zu Innenräumen und umgekehrt)
Die Auswahl von Isolationsmaterialien, die für die jeweiligen Umgebungsbedingungen geeignet sind, und der Schutz der Isolation vor den genannten klimatischen Einflüssen sind entscheidend, um die Integrität der Isolierung zu gewährleisten. Zusätzliche Maßnahmen wie gekapselte Gehäuse, Beheizung von Gehäusen zur Vermeidung von Kondensation oder der UV-geschützte Einsatz sind flankierende Maßnahmen neben der korrekten Materialauswahl.
6. Elektrochemische Einflüsse können die elektrische Isolation beeinträchtigen.
1. Korrosion: Elektrochemische Reaktionen können zu Korrosion führen, insbesondere wenn metallische Komponenten in der Nähe der Isolation vorhanden sind. Abbauprodukte der Korrosion können das Isolationsmaterial angreifen und schädigen, was zu einer Verschlechterung der Isolationsfähigkeit führt.
2. Elektrolytische Lösungen: Wenn die Isolation mit elektrolytischen Lösungen in Kontakt kommt, kann es zu Ionenmigration kommen. Ionen können durch das Isolationsmaterial wandern und Leckströme verursachen, was die Isolation schwächt und die Durchschlagfestigkeit verringert.
3. Galvanische Korrosion: Wenn verschiedene metallische Komponenten in einer elektrolytischen Umgebung miteinander verbunden sind, kann es zu galvanischer Korrosion kommen. Dies kann auch das Isolationsmaterial beeinflussen und zu einer Verringerung der Isolationseigenschaften führen (Metallionen-Intrusion).
4. Elektrochemische Oxidation: Bestimmte chemische Substanzen oder Umgebungen können eine elektrochemische Oxidation des Isolationsmaterials verursachen. Dies kann zu einer Abnahme der Isolationsfestigkeit führen.
5. Fremdstromkorrosion: Wenn ein Fremdstrom in das Isolationssystem eingeführt wird, kann er elektrochemische Reaktionen hervorrufen und die Isolation schädigen. Dies kann durch unerwünschte elektrische Verbindungen oder fehlerhafte Erdung verursacht werden. In der Antriebs- und Generatorentechnik kennt man z.B. den Wellenstrom, der als vagabundierender Strom Lager und Isolationen beschädigt.
6. Der Vollständigkeit halber sei hier auch noch die mikrobielle und fungizide Korrosion erwähnt: In einigen Umgebungen, insbesondere in feuchten oder abwasserbelasteten Bereichen, können Mikroorganismen und Pilze das Isolationsmaterial angreifen und zu einer Verringerung der Isolationsfestigkeit führen.
Es ist wichtig, die elektrochemischen Einflüsse auf die Isolation zu berücksichtigen und geeignete Schutzmaßnahmen zu treffen. Dazu gehören die Verwendung von korrosionsbeständigen Materialien, der Schutz der Isolation vor feuchten oder aggressiven Umgebungen und eine ordnungsgemäße Erdung und Abschirmung des elektrischen Systems gewährleisten. Durch eine sorgfältige Planung und Wartung können elektrochemische Einflüsse minimiert und die Integrität der elektrischen Isolation verbessert werden.
7. Elektromagnetische und ähnliche Einflüsse, die elektrische Isolation beeinträchtigen
1. Elektromagnetische Interferenz (EMI): Starke elektromagnetische Felder, die von elektrischen oder elektronischen Geräten erzeugt werden, können den Isolationswerkstoff beeinflussen und Leckströme verursachen. Dies kann die Isolation schwächen und zu Fehlfunktionen oder Störungen führen.
2. Hochfrequenz (HF) und Radiofrequenz (RF) Interferenz: HF- und RF-Signale können die Spannungsfestigkeit verringern und Isolationswerkstoffe schneller altern bzw. anfällig machen für Leckströme.
3. Induktion: Wenn ein Strom durch einen leitenden Draht fließt, erzeugt er ein magnetisches Feld um den Draht. Dieses magnetische Feld kann in nahegelegene Leiter einkoppeln und Leckströme erzeugen. Wenn die Isolation nicht ausreichend ist, kann durch die Induktion der Isolator ggf. überlastet werden.
4. Elektrostatische Entladung (ESD): ESD-Ereignisse, wie beispielsweise statische Aufladung oder statische Entladungen, können hohe Spannungen erzeugen. Diese Spannungen können die Isolierung durchbrechen und zu einem Durchschlag oder Kurzschluss führen. Die Schädigung kann zunächst noch so gering sein, dass das Gerät weiter funktioniert. Allerdings ist jede ESD eine Vorschädigung, die die Lebensdauer reduziert.
5. Lichtbogen: Ein Lichtbogen, der bei einem Kurzschluss oder einem Durchschlag auftritt, kann die Isolierung schädigen. Der hohe Stromfluss und die Hitze des Lichtbogens führen dazu, dass das Isolationsmaterial schmilzt oder verkohlt. Das hat den Ausfall der Isolation zur Folge. In der Niederspannung treten Lichtbögen besonders gerne beim Trennen von Gleichspannungskreisen auf, da hier kein Nulldurchgang der Spannung auftritt.
6. Mikrowellenstrahlung: Mikrowellenstrahlung kann die Isolation beeinflussen, insbesondere wenn sie in der Nähe von HF- oder Mikrowellengeräten verwendet wird. Die Strahlung kann ionisierend wirken und die Isolationsfestigkeit beeinträchtigen oder schädigen (Ähnliches gilt für Anwendungen mit Höhenstrahlungseinfluß oder anderen energiereichen Strahlungsquellen).
Es ist wichtig, die elektrische Isolation vor elektromagnetischen Einflüssen zu schützen. Dies kann durch die Verwendung von abgeschirmten Kabeln, geeigneten Abschirmmaterialien, Erdung und EMV-Designpraktiken erreicht werden. Durch eine ordnungsgemäße Abschirmung und den Einsatz von geeigneten Isolationsmaterialien kann die Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Einflüssen reduziert und die Isolationseigenschaften verbessert werden.
@ Gerald Friederici