Kriechstromfestigkeit

Sprachauswahl/Language selection

This article is also available in english language Creep Current Resistance

Ein Service der
Polymer Service GmbH Merseburg
Tel.: +49 3461 30889-50 E-Mail: info@psm-merseburg.de Web: https://www.psm-merseburg.de
Unser Weiterbildungsangebot: https://www.psm-merseburg.de/weiterbildung
PSM bei Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Polymer Service Merseburg

Kriechstromfestigkeit

Definition

Die Kriechstromfestigkeit charakterisiert die Widerstandsfähigkeit eines Kunststoffes gegenüber Kriechströmen, die sich an der Oberfläche dieses Kunststoffes ausbilden.

Die Kriechstromfestigkeit eines Kunststoffes hängt neben der chemischen und physikalischen Struktur von der Höhe der angelegten Spannung, der Art der Elektroden und der Verschmutzung der Oberfläche ab.

Experimentelle Methoden

Für Werkstoffe mit isolierenden Eigenschaften existieren verschiedene Verfahren zur Charakterisierung der Kriechstromfestigkeit. DIN EN IEC 60112 [1] und ASTM D 3638 [2] beschreiben das Tropfverfahren mit Prüfspannungen bis 600 V. Der in DIN EN IEC 60587 [3] erläuterte Prüfaufbau hingegen verwendet eine kontinuierliche Zufuhr von Prüflösung und deckt den Spannungsbereich bis 4,5 kV ab. In beiden Fällen sollen Werkstoffkennwerte ermittelt werden, die den Einsatz von Prüfkörpern bedingen. In der Praxis besteht jedoch der Wunsch, Prüfungen auch an Bauteilen vorzunehmen, oft mit abweichenden Geometrien oder komplexen Oberflächenzuständen (z. B. bestückte Leiterplatten). Gleichwohl dies technisch unter Umständen möglich ist, ist eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Werkstoff in diesen Fällen kritisch zu hinterfragen.

Kriechstromprüfung nach DIN EN IEC 60112

Mit Hilfe einer definierten Versuchsanordnung können die Kennwerte „Vergleichszahl der Kriechwegbildung“ CTI (Comparative Tracking Index) und „Prüfzahl der Kriechwegbildung“ PTI (Proof Tracking Index) ermittelt werden.

Allgemeiner Prüfaufbau

Zwei schrägkantige bearbeitete Platinelektroden (5 mm breit, 2 mm dick) werden mit einem Öffnungswinkel von 60 ° und 4 mm Abstand zueinander auf der Oberfläche des Prüfkörpers platziert, siehe Bild 1. Aus (35 ± 5) mm Höhe gibt ein Tropfengeber alle 30 Sekunden eine definierte Menge (20 mg) einer Prüflösung frei, die zwischen die Elektroden tropft. Durch die angelegte Wechselspannung kommt es zum Stromfluss, welcher messtechnisch erfasst und ausgewertet wird. Als Kriterium für den Überstrom und damit der Kriechwegbildung gilt das Erreichen von mindestens 0,5 Ampere für 2 Sekunden.
Der Funktionsaufbau moderner Gerätesysteme gestattet es, durch feine Einstellmöglichkeiten von Prüfspannung, Prüfstrom, Abschaltzeit, Tropfengröße und Tropfenzahl genaueste Messungen vorzunehmen.

Bild:

Kriechstromprüfgerät zur Bestimmung der Kriechstromfestigkeit fester elektrischer Isolierstoffe nach DIN EN IEC 60112 [1]

Prüflösungen

Die chemische Zusammensetzung der Prüflösungen variiert je nach Ausgabestand der Prüfnormen. Die standardmäßig genutzte Prüflösung A auf Basis von Ammoniumchlorid (NH₄Cl) weist bei 23 °C laut DIN EN IEC 60112 [1] eine elektrische Leitfähigkeit von (253 ± 4) mS/m auf. In früheren Ausgabeständen [4] wurde die Lösung über den spezifischen Widerstand (entspricht dem Kehrwert der Leitfähigkeit) definiert, also (3,95 ± 0,05) Ωm. Im Vergleich dazu fordert die ASTM D 3638 eine Lösung mit einem spezifischen Widerstand von (3,85 ± 0,05) Ωm.

In noch älteren Ausgabeständen der DIN EN 60112 [5] wird eine Prüflösung B mit Zusatz von Natrium-di-butyl-Naphthalin-Sulfonat (SDNS) genannt. Aufgrund gesundheitlicher Risiken von Naphthalin basierten Stoffen wird seit 2022 [4] eine alternative Prüflösung C beschrieben, die neben NH₄Cl noch ein nichtionisches Tensid enthält (t-Octylphenoxylpolyethoxylethanol). Deren elektrische Leitfähigkeit soll (505 ± 15) mS/m betragen (entspricht (1,98 ± 0,05) Ωm). Durch das Tensid wird eine Oberflächenspannung < 40 mN/m erreicht.

Prüfkörper

Im Gegensatz zu vielen Normen der mechanischen Prüfung (siehe zum Beispiel: Zugversuch, Biegeversuch oder Schlagbiegeversuch) beinhaltet die DIN EN IEC 60112 keine zwingenden Festlegungen zur Herstellung der Prüfkörper. Die Entnahme von Prüfkörpern aus Bauteilen ist die präferierte Methode, um sicherzustellen, dass Oberflächeneigenschaften (siehe auch: Oberflächenprüftechnik und Werkstoffstruktur dem Einsatzzweck der Bauteile entsprechen. In diesem Fall sind die ermittelten Kennwerte immer durch die Bauteilherstellung und Prüfkörperentnahme beeinflusst. Wenn eine Positionsabhängigkeit der Kennwerte zu erwarten ist, sollten klare Festlegungen zu den Entnahmepositionen getroffen werden (siehe auch: Biegeversuch_Prüfkörperentnahme#Biegeprüfkörper_aus_Kunststoffbauteilen). Wenn es nicht möglich ist, aus Bauteilen geeignete Prüfkörper zu entnehmen, können Prüfkörper auch direkt hergestellt werden. Die Oberflächeneigenschaften sollten jedoch mit denen des Bauteils übereinstimmen. Fehlen Informationen zum Herstellungsprozess, kann auf standardisierte Prüfkörper zurückgegriffen werden.

Besteht eine Anisotropie oder wird eine vermutet, sind Prüfkörper in Eigenschaftsrichtung und senkrecht dazu zu entnehmen und separat zu prüfen. Standardmäßig wird das niedrigere Ergebnis als Kennwert verwendet.

Als weitere Bedingung für den Prüfkörper ist formuliert, dass die Oberfläche hinreichend eben sein muss, damit die aufgetropfte Prüflösung nicht von den Elektroden wegfließt. Die Empfehlung lautet, Platten mit einer Grundfläche von mindestens 20 mm x 20 mm zu verwenden. Dazu können beispielsweise auch die Schulterbereiche der Vielzweckprüfkörper genutzt werden.

Die Prüfung belastet den Werkstoff thermisch, außerdem kann es zu Erosion kommen. Deshalb wird eine Mindestdicke vom 3 mm gefordert. Dünnere Platten können gestapelt werden, wenn ein vollflächiger Kontakt sichergestellt ist. Die dabei zwangsweise vorhandenen Grenzflächen können das Prüfergebnis beeinflussen.

Da die Prüfung aus mehreren Einzelmessungen besteht, müssen entsprechend viele Prüfkörper bereitgestellt werden. Bei ausreichender Größe des Prüfkörpers kann auch an mehreren Stellen gemessen werden, wenn eine gegenseitige Beeinflussung der Messstellen ausgeschlossen werden kann. Im Zweifelsfall sollten die Messungen immer an gleichdimensionierten Prüfkörpern stattfinden. Für eine Prüfung nach DIN EN IEC 60112 (mit gültigem Ergebnis) werden mindestens 19 Prüfkörper benötigt.
Die Beschaffenheit der Oberfläche kann maßgeblichen Einfluss auf das Prüfergebnis haben. Entsprechend ist es immer in Relation zur Oberflächenbeschaffenheit zu sehen. Die Forderung nach einer glatten, nicht texturierten Oberfläche, die frei von Fehlern und Verunreinigungen sein muss, ist in der Prüfnorm formuliert. Gerade die Texturfreiheit steht unter Umständen jedoch im Widerspruch zum Wunsch, Prüfkörper primär aus Bauteilen zu entnehmen. Konkrete Anforderungen zur Rauheit und wie die Oberflächen vor der Prüfung gegebenenfalls zu reinigen sind, existieren nicht.

CTI-Prüfung

Der CTI (Comparative Tracking Index, Vergleichszahl der Kriechwegbildung) ist die gängigste Kenngröße zur Charakterisierung der Kriechstromfestigkeit von isolierenden Werkstoffen (eine Eigenschaft der meisten Kunststoffe). Für die CTI-Prüfung kommt ein Stufenverfahren zum Einsatz, bei dem, ausgehend von einer Startspannung (typischerweise 300 V), die höchste Spannung ermittelt wird, die nicht zu einem Versagen durch Kriechwegbildung oder eine andauernde Flamme führt. Der aktuelle Ausgabestand der Prüfnorm [1] begrenzt die Prüfung auf maximal 600 V, auch wenn Prüfgeräte existieren, die Messungen mit 1000 V ermöglichen. Als untere Grenze der Prüfung werden 100 V angegeben.

Vorprüfung

Während es vor 2022 [5] zulässig war, selbst eine Startspannung festzulegen, mit der der Messzyklus begonnen wird, wurde mit dem Ausgabestand von 2022 [4] festgelegt, dass bei unbekanntem Werkstoffverhalten eine Vorprüfung durchzuführen ist. In der seit 2026 gültigen Fassung [1] wurde dieser Passus nun komplett gestrichen, sodass in jedem Fall eine Vorprüfung durchzuführen ist. Damit soll sichergestellt werden, dass ein mögliches Versagen bei niedrigen Spannungen erkannt wird.

Ausgehend von der Startspannung wird geprüft, ob es bei drei aufeinanderfolgenden Messungen mit je maximal 50 Tropfen zu einem Versagen durch Kriechwegbildung kommt oder eine eine bestimmte Zeit andauernde Flamme entsteht. Ist dies bei keinem der drei Prüfkörper der Fall, wird dieser Test mit einer um 100 V erhöhten Spannung wiederholt. Versagt dagegen mindestens einer der drei Prüfkörper, wird die Spannung um 100 V verringert und der Test ebenfalls wiederholt. Je nach Ergebnis der Wiederholungen werden die Spannungen weiter erhöht oder verringert, wobei die Abstufungen im letzten Schritt auf 50 V bzw. 25 V verringert werden, bis die Vorprüfung abgeschlossen ist.

Hauptprüfung

Basierend auf dem Ergebnis der Vorprüfung ist eine Prüfspannung auszuwählen, bei der insgesamt fünf Prüfkörper den 50-Tropfen-Test bestehen müssen. Die in der Vorprüfung ermittelten Ergebnisse können dabei berücksichtigt werden. Die Norm beschreibt verschiedene Szenarien, wenn es zum Versagen kommt. Während zum Beispiel ein Lichtbogen über dem Prüfkörper nur zur Ungültigkeit dieser einen Messung führt, würde ein Ansprechen des Überstromauslösers durch Stromfluss auf der Oberfläche dazu führen, dass die gesamte Prüfserie mit der gewählten Spannung als nicht bestanden gilt. Prinzipiell zulässig ist hingegen eine Lochbildung während des Versuchs. Dies muss lediglich dokumentiert werden.
Besteht nur ein einzelner Prüfkörper den Test bei der gewählten Spannung nicht, darf der Versuch mit fünf neuen Prüfkörpern wiederholt werden. Versagen hier ein oder mehrere Prüfkörper, gilt die Spannung als nicht bestanden.
Der Versuch wird mit angepassten Spannungen wiederholt, bis ein positives Prüfergebnis erzielt wurde.

Im Anschluss an den erfolgreich durchgeführten 50-Tropfen-Test wird die Spannung ermittelt, bei der fünf Prüfkörper den 100-Tropfen-Test bestehen. Dazu wird, ausgehend vom 50-Tropfen-Ergebnis, eine um 25 V niedrigere Spannung gewählt. Versagen Prüfkörper, greifen die gleichen Szenarien wie beim 50-Tropfen-Test. Gilt eine Spannung als final nicht bestanden, wird der Test bis zum Bestehen wiederholt, mit jeweils um 25 V niedrigeren Spannungen.

Ergebnisangabe

Als CTI-Wert wird die Spannung angegeben, die im 50-Tropfen-Test ermittelt wurde. Aufgrund der 25 V-Abstufung ist das Ergebnis mit eben dieser Ungenauigkeit behaftet. Liegt die 100-Tropfen-Spannung mehr als 25 V unterhalb des CTI-Wertes, wird diese Spannung ebenfalls mit angegeben.

PTI-Prüfung

Der PTI ((Proof Tracking Index, Prüfzahl der Kriechwegbildung) wird mit demselben Prüfaufbau wie der CTI ermittelt. Bei der PTI-Prüfung wird jedoch lediglich festgestellt, ob bei einer einzelnen Spannung ein Versagen durch Kriechwegbildung auftritt. Prüfkörperbedarf und Messaufwand fallen damit deutlich geringer aus.

Die Prüfung wird als 50-Tropfen-Test bei einer festgelegten Prüfspannung durchgeführt. Wie beim CTI ist die Spannung als Vielfaches von 25 V zu wählen.

Besteht eine Reihe von fünf Prüfkörpern den Test, gilt die Prüfung als bestanden. Versagt einer der fünf Prüfkörper, darf die Prüfung mit einer neuen Reihe von wieder fünf Prüfkörpern wiederholt werden. Diese müssen alle den Test bestehen.

Die PTI-Prüfung ist damit primär für Qualitätsprüfungen geeignet, die keine grundlegende Werkstoffcharakterisierung verlangen, da die Aussagekraft auf die geprüfte Spannung beschränkt ist.

CTI-Prüfung nach ASTM D 3638

Die ASTM D 3638 [2] beschreibt ein Verfahren, welches der Prüfung nach DIN EN IEC 60112 [1] sehr ähnlich ist. Jedoch gibt es Detailunterschiede, die zu anderen Kennwerten führen können.

Der prinzipielle Versuchsaufbau entspricht dem in Bild 1 gezeigten nach DIN EN IEC 60112.

Die eingesetzte Prüflösung auf Basis von Ammoniumchlorid (NH₄Cl) weist bei 23 °C einen spezifischen Widerstand von (3,85 ± 0,05) Ωm auf. Im Vergleich dazu fordert die DIN EN IEC 60112 eine Lösung mit einem spezifischen Widerstand von (3,95 ± 0,05) Ωm (bzw. einer Leitfähigkeit von (253 ± 4) mS/m).

Für die Prüfkörper wird ebenfalls eine Grundfläche von 20 mm x 20 mm empfohlen. Die Mindestdicke ist allerdings mit nur 2,5 mm angegeben (DIN EN IEC 60112: 3,0 mm). Ein Stapeln dünner Platten ist zulässig, die Norm gibt hier jedoch an, dass diese „fest zusammengepresst“ werden sollen, wobei die technische Umsetzung nicht erläutert wird.

Als Kriterium für die Kriechwegbildung gilt der sprunghafte Anstieg des Stromflusses von 0 A auf fast 1 A, bei gleichzeitigem Spannungsabfall.

Eine Vorprüfung zur Eingrenzung der CTI-Spannung (siehe Abschnitt CTI-Prüfung nach DIN EN IEC 60112) ist bei diesem Verfahren nicht vorgesehen. Stattdessen sollen jeweils Serien von fünf Prüfkörpern in der Art getestet werden, dass bei zwei Serien die Kriechwegbildung bei weniger als 50 Tropfen einsetzt und bei zwei Serien mehr als 50 Tropfen benötigt werden. Das einzige Abbruchkriterium ist die durch den Stromfluss identifizierte Kriechwegbildung. Eine Flammenbildung soll beobachtet und dokumentiert werden, stellt aber kein Abbruchkriterium dar.

Zur Ermittlung des CTI-Wertes werden die gezählten Tropfen in einem Diagramm über der Prüfspannung aufgetragen. Über eine nicht näher definierte Regressionsfunktion werden Datenpunkte interpoliert. Aus der erhaltenen Kurve wird die Spannung bei 50 Tropfen abgelesen und als CTI-Wert angegeben.

Siehe auch

• Elektrische Durchschlagfestigkeit
• Elektrische Leitfähigkeit
• Isolationswiderstand
• Kriechwegbildung

Literaturhinweise

[1]	DIN EN IEC 60112 (2026-03); VDE 0303-11:2026-03: Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen (IEC 60112:2025)
[2]	ASTM D 3638 (2021): Standard Test Method for Comparative Tracking Index of Electrical Insulating Materials
[3]	DIN EN IEC 60587 (2022-12); VDE 0303-10: 2022-12: Elektroisolierstoffe, die unter erschwerten Bedingungen eingesetzt werden – Prüfverfahren zur Bestimmung der Beständigkeit gegen Kriechwegbildung und Abnutzung (IEC 60587:2022)
[4]	DIN EN IEC 60112 (2022-11); VDE 0303-11: 2022-11: Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierten Werkstoffen (IEC 60112:2020) (zurückgezogen)
[5]	DIN EN 60112 (2010-05); VDE 0303-11:2010-05: Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen (IEC 60112:2003 + A1:2009 (zurückgezogen)
[6]	Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2025) 4. Auflage (ISBN 978-3-446-44718-9; E-Book: ISBN 978-3-446-48105-3; siehe AMK-Büchersammlung unter A 23)
[7]	Hellerich, W., Harsch, G., Haenle, S.: Werkstoffführer Kunststoffe: Eigenschaften, Prüfungen, Kennwerte. Carl Hanser Verlag, München Wien (2004) (ISBN 978-3-446-17617-1; siehe AMK-Büchersammlung unter G 1)