Quelltext der Seite Elektrische Durchschlagfestigkeit

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<span style="font-size:1.2em;font-weight:bold;">Elektrische Festigkeit oder Durchschlagfestigkeit</span>
__FORCETOC__
==Allgemeine Grundlagen und Definition==

Die Durchschlagfestigkeit ist jene elektrische Feldstärke, bei der die Leitfähigkeit eines Isolators um mehrere Größenordnungen ansteigt.

Ein [[polymer]]es 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 [[Kunststoffe]]s 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 U<sub>d</sub>''' bezeichnet. Die Leitfähigkeit erhöht sich um viele Größenordnungen und der [[Kunststoffe|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, 2].

==Grundlagen des elektrischen Durchschlages==

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)

==Ermittlung der Durchschlagfestigkeit==

Zur Prüfung wird der Isolationswerkstoff zwischen zwei Elektroden geklemmt, an die eine elektrische Spannung angelegt wird. Während des Versuches wird die angelegte Spannung kontinuierlich erhöht, bis die Durchschlagfestigkeit erreicht ist [5, 6]. Dabei erwärmt sich der Prüfkörper zwischen den Elektroden aufgrund der Kürze der Prüfzeit nur geringfügig. Die schnell ansteigende elektrische Feldstärke verändert den Isolator kurz vor dem Durchschlag durch die Ausbildung eines mehr oder weniger verästelten Durchschlagkanalsystems in seiner Struktur, woraus eine irreversible Schädigung des Werkstoffes folgt, welche den Durchschlag ermöglicht.

Die elektrische Durchschlagfestigkeit ist eine materialspezifische Eigenschaft. Neben der chemischen Struktur des [[Kunststoffe]]s ist sie stark von der Dicke des [[Prüfkörper]]s, der Art der Spannungsbeanspruchung und den Umgebungsbedingungen abhängig.

==Werkstoffkenngröße Durchschlagfestigkeit==

Die [[Werkstoffkenngröße]], die das Verhalten eines polymeren Isolierstoffes hinsichtlich elektrischer Spannungsbeanspruchungen charakterisiert, ist die elektrische
'''Durchschlagfestigkeit E<sub>d</sub>'''
{|
|-
|width="20px"|
|width="500px" | <math>E_d\,=\,\frac{U_d}{d}</math>,
|}

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 und Weise der Spannungsbeanspruchung und den Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Feuchte abhängig. Sie stellt die elektrische Feldstärke dar, bei der die Leitfähigkeit eines Isoliermaterials um mehrere Größenordnungen ansteigt.

==Kennwerte der Durchschlagfestigkeit für Kunststoffe==

Als Beispiel sind in der Tabelle Kurzzeitwerte der Durchschlagfestigkeit für ausgewählte [[Kunststoffe]] zusammengestellt.

{| border="1px" style="border-collapse:collapse"
|+ '''Tabelle 1''': Kurzzeitwerte der Durchschlagfestigkeit für ausgewählte Kunststoffe [2, 7, 8] bei T = 23 °C
!! style="width:200px; background:#DCDCDC" | Kunststoff Folien
!! style="width:133px; background:#DCDCDC" | Dicke d (&mu;m)
!! style="width:133px; background:#DCDCDC" | E<sub>d</sub> (kV mm<sup>-1</sup>)
!! style="width:134px; background:#DCDCDC" | Literaturhinweise
|-
|Polypropylen (PP)
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|200
|style="text-align:center"|[2]
|-
|Polyester
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|160
|style="text-align:center"|[2]
|-
|Polyvinylchlorid (PVC)
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|150
|style="text-align:center"|[2]
|-
|Cellulose – Acetobutyrat
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|130
|style="text-align:center"|[2]
|-
|Cellulose – Triacetat
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|120
|style="text-align:center"|[2]
|-
|PE
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|110
|style="text-align:center"|[2]
|-
|PE
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|[7]
|-
|PET teilkristallin
|style="text-align:center"|
|style="text-align:center"|30
|style="text-align:center"|[7]
|-
|PET amorph
|style="text-align:center"|
|style="text-align:center"|250
|style="text-align:center"|[7]
|-
|PA 6
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|15
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PBT
|style="text-align:center"|1600
|style="text-align:center"|13
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PVDF
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PEEK
|style="text-align:center"|1600
|style="text-align:center"|25
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PS
|style="text-align:center"|1600
|style="text-align:center"|43
|style="text-align:center"|[8]
|-
|ABS
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|41
|style="text-align:center"|[8]
|-
|SAN
|style="text-align:center"|1600
|style="text-align:center"|32
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PSU
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|30
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PES
|style="text-align:center"|1000
|style="text-align:center"|35
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PEI
|style="text-align:center"|800
|style="text-align:center"|33
|style="text-align:center"|[8]
|-
|PVC-U
|style="text-align:center"|600
|style="text-align:center"|40
|style="text-align:center"|[8]
|}

==Gerätesystem zur Messung von Kennwerten==

Die elektrischen Kennwerte Durchschlagfestigkeit sowie der Durchgangswiderstand werden mit einem Durchschlagtester bzw. mit einem hochohmigen Widerstandsmessgerät mit angeschlossenem Messkondensator bestimmt ('''Bild 1''').

[[Datei:Elek_Durchschlagfestigkeit-1.jpg|450px]]
{| 
|- valign="top"
|width="50px"|'''Bild 1''':
|width="600px"|Hochspannungsprüfgerät RMG 15 AC mit Elektrodenanordnung und Prüfkäfig der Fa. Cooper Bussmann, Wuppertal
|}

==Siehe auch==
*[[Elektrische Leitfähigkeit]]
*[[Elektrische Festigkeit]]
*[[Kriechwegbildung]]
*[[Durchgangswiderstand]]
*[[Kriechstromfestigkeit]]
*[[Isolationswiderstand]]


'''Literaturhinweise'''

{|
|-valign="top"
|[1]
|Schönhals, A.: Elektrische und Dielektrische Eigenschaften. In: [[Grellmann,_Wolfgang|Grellmann, W.]], [[Seidler,_Sabine|Seidler, S.]] (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2025) 4. Auflage, S. 343 ff  (ISBN 978-3-446-44718-9; E-Book: ISBN 978-3-446-48105-3; siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter A 23)
|-valign="top"
|[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)
|-valign="top"
|[3]
|Ku, C. C., Liepins, R.: Electrical Properties of Polymers. Carl Hanser Verlag, München Wien (1987) (ISBN 978-0-521-55219-6)
|-valign="top"
|[4]
|Whitehead, S.: Dielectric Breakdown of Solids. Clarendon Press, Oxford (1953)
|-valign="top"
|[5]
|DIN EN 60243-1 (2014-01): Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen – Prüfverfahren – Teil 1: Prüfungen bei technischen Frequenzen (IEC 60243-1:2013)
|-valign="top"
|[6]
|DIN EN 60243-2 (2014-08): Elektrische Durchschlagfestigkeit von isolierenden Werkstoffen – Prüfverfahren – Teil 2: Zusätzliche Anforderungen für Prüfung mit Gleichspannung (IEC 60243-2:2013)
|-valign="top"
|[7]
|Bonten, C.: Kunststofftechnik: Einführung und Grundlagen. Carl Hanser Verlag, München Wien, 2. aktualisierte Auflage (2016) (ISBN 978-3-446-44674-8) (siehe [[AMK-Büchersammlung]] unter H 52]
|}

==Weblink==
*[https://www.kern.de/de/richtwerttabelle Kern GmbH Kunststoffwerke, Großmeinscheid – Richtwerttabelle] 
[[Kategorie:Elektrische und dielektrische Prüfung]]
[[Kategorie:Folienprüfung]]