Elektrische Festigkeit

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Elektrische Festigkeit

Ein polymeres Isolationsmaterial kann dem Einfluss einer hohen Spannung nicht unbegrenzt widerstehen. Bei einer bestimmten Spannung oder nach einer gewissen Zeit nach dem Anlegen einer hohen Spannung verliert es seine isolierenden Eigenschaften irreversibel. Dies ist mit einer strukturellen Schädigung des Kunststoffes verbunden. Wird die an einem Prüfkörper anliegende Spannung kontinuierlich erhöht, steigt der Stromfluss zunächst proportional, dann nichtlinear, um schließlich beim Erreichen einer bestimmten Spannung extrem stark anzusteigen. Diese Spannung wird als Durchschlagspannung Ud bezeichnet. Die Leitfähigkeit erhöht sich um viele Größenordnungen und der Kunststoff verliert unter Funken- und Lichtbogenbildung seine isolierenden Eigenschaften. Dieses Verhalten wird als elektrischer Durchschlag bezeichnet. Ein analoges Phänomen wird beobachtet, wenn eine genügend hohe Spannnung eine hinreichend lange Zeit am Prüfkörper anliegt [1].

Die Kenngröße, die das Verhalten eines polymeren Isolierstoffes hinsichtlich elektrischer Spannungsbeanspruchungen charakterisiert, ist die elektrische Durchschlagfestigkeit Ed

E_d\,=\,\frac{U_d}{d},

wobei d der kleinste Abstand zwischen den Elektroden ist und auch als Schlagweite bezeichnet wird. Die elektrische Durchschlagfestigkeit ist keine Materialkonstante. Neben der chemischen Struktur des Kunststoffes ist sie stark von der Dicke des Prüfkörpers, der Art der Spannungsbeanspruchung und den Umgebungsbedingungen abhängig. Als Beispiel sind in der Tabelle Kurzzeitwerte der Durchschlagfestigkeit für ausgewählte Kunststoffe zusammen gestellt.

Tabelle: Kurzzeitwerte der Durchschlagfestigkeit für ausgewählte Kunststoffe [2] bei T = 23 °C
Kunststoff Folien, Dicke 40 μm Ed (kV mm-1)
PP ≈ 200
Polyester ≈ 160
PC ≈ 150
Cellulose – Acetobutyrat ≈ 130
Cellulose – Triacetat ≈ 120
PE ≈ 110
PE, Dicke 1 mm ≈ 40

Der Mechanismus des elektrischen Durchschlages in festen Dielektrika ist bis heute theoretisch nur schlecht verstanden. Generell werden zwei Stadien des elektrischen Durchschlages unterschieden. Das durchschlagvorbereitete Stadium, in dem der Kunststoff seine elektrische Festigkeit verliert, und das Stadium, in dem der Kunststoff zerstört und der Durchschlag vollendet wird [3, 4]. Weiter können je nach Mechanismus drei Grundformen des elektrischen Durchschlages unterschieden werden:

  • der rein elektrische Durchschlag (Felddurchschlag, innerer Durchschlag),
  • der Wärme- oder thermische Durchschlag und
  • der Langzeitdurchschlag (teilladungsinduzierter Durchschlag, elektrische Alterung)


Literaturhinweise

[1] Schönhals, A.: Elektrische und Dielektrische Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 357ff (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)
[2] Carlowitz, B.: Tabellarische Übersicht über die Prüfung von Kunststoffen. Giesel Verlag für Publizität, Isernhagen (1992) (ISBN 978-3-980-29420-1; siehe AMK-Büchersammlung unter C 9)
[3] Ku, C.C., Liepins, R.: Electrical Properties of Polymers. Carl Hanser Verlag, München Wien (1987) (ISBN 978-0-521-55219-6)
[4] Whitehead, S.: Dielectric Breakdown of Solids. Clarendon Press, Oxford (1953)
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