Die Durchschlagfestigkeit (auch Durchschlagfeldstärke, elektrische Festigkeit, dielektrische Festigkeit, Durchbruchfeldstärke) eines (dielektrischen) Isolierstoffes mit definierter Dicke ist diejenige elektrische Feldstärke, welche in ihm höchstens herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag (Lichtbogen oder Funkenschlag) kommt.[1][2]

Ihr Wert ist von verschiedenen Faktoren abhängig und daher keine Materialkonstante.[3]

Definition und Einheit

Die Durchschlagfestigkeit eines (dielektrischen) Isolierstoffes ist diejenige elektrische Feldstärke , bei welcher sich aufgrund des Anstieges der elektrischen Leitfähigkeit im isolierenden Medium bzw. Werkstoff ein elektrisch leitender Pfad („Spannungsdurchschlag“) bildet. Sie berechnet sich aus der (experimentell beobachteten) Durchschlagspannung bezogen auf die Dicke der Isolation:

.

Speziell bei Gasen wird statt der Dicke auch der Elektrodenabstand bzw. die Schlagweite verwendet. Die Angabe der Durchschlagfestigkeit erfolgt oft in der Dimension .

Durchschlagfestigkeit in der Praxis

Die praktisch erzielbare Durchschlagfestigkeit wird wesentlich durch die Feldgestalt beeinflusst. Hierauf haben die Leitergeometrien und Inhomogenitäten im Isolierstoff den größten Einfluss. Darauf beruht auch der Effekt, dass dünne Folien eine wesentlich höhere Durchschlagfestigkeit aufweisen als dicke Barrieren. Auch eingeschlossene Lufträume haben bei Wechselspannung einen die Dauer-Durchschlagfestigkeit verringernden Effekt. Ursache sind sogenannte Vorentladungen, wodurch die Luft ionisiert wird und der umgebende Isolierstoff auf Dauer durch Ultraviolettstrahlung geschädigt wird.

Isolierstoffe weisen entlang ihrer Oberfläche häufig sogar geringere Isolationsfestigkeiten als die umgebende Luft auf (Kriechstromfestigkeit), was zu Kriech- oder Gleitentladungen führen kann. Eine nicht ausreichend große feste Isolationsbarriere kann daher auch durch ihre Luft- und Kriechstrecken charakterisiert sein, insbesondere wenn eine hohe Durchschlagfestigkeit des Isolierstoffes vorliegt. Es besteht kein Zusammenhang zwischen der Kriechstromfestigkeit und der Durchschlagfestigkeit. Erforderliche Kriechwege sind oft um den Faktor 100 länger als die zur Isolation erforderliche Materialdicke. Einfluss auf die Kriechstromfestigkeit und auch auf die Durchschlagfestigkeit hat das Wasseraufnahmevermögen des Werkstoffes.

Experimentelle Bestimmung und Einflüsse

Isolieröl im Durchschlagsversuch

Das Verfahren zur Bestimmung der Durchschlagfestigkeit ist in der Normenreihe IEC 60243 definiert. Es legt für die verschiedene Materialklassen und Anwendungsfälle (Teil 1: AC, Teil 2: DC, Teil 3: Impulsspannung) Versuchsbedingungen fest. Geprüft wird üblicherweise eine Serie gleichartiger Probekörper und dann der Median der Einzelwerte angegeben.

Solche Werte stellen dennoch nur Richtwerte dar, da die Durchschlagfestigkeit von weiteren Parametern, wie unter anderem der genauen Zusammensetzung und Reinheit der Werkstoffe, Art des elektrischen Stromes, der Zeit der Einwirkung der Spannung (Geschwindigkeit der Zunahme des elektrischen Feldes) sowie der Größe und Form der verwendeten Elektroden abhängt.[4] Wirkt auf den Isolator über längere Zeit eine hohe Feldstärke ein, steigt seine Leitfähigkeit durch Erwärmung und eine Abnahme der Durchschlagfestigkeit ist feststellbar.[5] Bei Gasen wie der Luft und anderen Werkstoffen hängt sie insbesondere von der Luftfeuchtigkeit und vom Luftdruck ab und variiert daher stark je nach Art der vorherrschenden Gase und bei nicht konstanten Bedingungen.[6] Zusätzlich sinkt die Durchschlagfestigkeit mit steigender Temperatur und steigender Frequenz.[7] Bei Luftisolation nennt man den Abstand Luftstrecke, die zur sicheren Isolation hinreichend groß gegenüber dem sich aus der Durchschlagfestigkeit ergebenden Wert sein muss. Siehe jedoch auch Funkenstrecke.

Einfluss der Probendicke

Da es insbesondere bei Gleichspannung zu einer inhomogenen Feldverteilung kommen kann, ist die Durchschlagfestigkeit in der Regel nicht dickenunabhängig[8]. Experimentell wurde folgender Zusammenhang beobachtet:

.

Folglich steigt die Durchschlagspannung auch nicht proportional mit der Dicke , sondern folgt dem Verlauf einer Wurzelfunktion:

.

Dünne Folien besitzen somit höhere Durchschlagfestigkeiten als dicke Proben. Bei sehr geringen Dicken erzeugen schon geringe Spannungen, die zur Ionisation nicht ausreichen, höchste Feldstärken. So liegt bei der 5 nm dicken Plasmamembran von Neuronen im Ruhepotential eine Feldstärke von 200 kV/cm vor.[9] Elektroporation (Zusammenbruch der Doppellipidschicht) tritt erst bei Feldstärken im Bereich von 300 bis 700 kV/cm auf.[10]

Bei Hochspannungs-Folienkondensatoren nutzt man dies aus, indem man eine sogenannte innere Reihenschaltung anwendet, bei der das Dielektrikum aus mehreren übereinander angeordneten Isolierstofflagen besteht, die durch nicht kontaktierte Metallschichten voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Feldverteilung homogenisiert.

Materialwerte

Durchschlagfestigkeit ausgewählter Materialien (20 °C)
Material Referenzdicke
(mm)
Durchschlagfestigkeit
(kV/mm)
Aggregat-
zustand
trockene Luft (Normaldruck, DC)[11][12] 1 3 gasförmig
Luft (Annahme lange Schlagweiten)[13][14] 1 0,1 gasförmig
Luft effektiv (ohne Spitzenwert)[15] 1 0,35 gasförmig
Helium (relativ zu Stickstoff)[16] 1 0,15 gasförmig
Porzellan[17] 1 20 fest
Hartporzellan[18] 1 30…35 fest
Schwefelhexafluorid[19] 1 > 8 gasförmig
Glas (Textilglas)[20] 1 > 8 fest
Emaille[21] 1 20…30 fest
Quarzglas[22] 1 25…40 fest
Borosilikatglas[23] 1 30 fest
Destilliertes Wasser[16] 1 0I65…70[24] flüssig
Aluminiumoxid (rein)[25] 1 17 fest
Polycarbonat (PC)[26] 1 30 fest
Polyester (glasfaserverstärkt)[27] 1 12…50 fest
Polyethylenterephthalat (PET)[28][29] 1 20…25 fest
Polymethylmethacrylat (Acryl-/Plexiglas)[30] 1 30 fest
Polyoxymethylen (POM)[31] 1 40 fest
FR4 (glasfaserverstärkter Kunststoff)[32] 1 13 fest
Polypropylen (PP)[33] 1 52 fest
Polystyrol (PS)[34] 1 20…55 fest
FR2 (Hartpapier)[35][36] 1 > 5
kurzfristig: 19,7
fest
Transformatorenöl (sorgfältig getrocknet)[37] 1 05…30 flüssig
Polyvinylchlorid (PVC)[38] 1 30 fest
Polytetrafluorethylen (PTFE)[39] 1 18…105 fest
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS)[40] 1 24…40 fest
Polyoxymethylen[41] 1 > 20 fest
Neoprene[42] 1 15,7…26,7 fest
Glimmer[43] 1 ≤ 60 fest
Hochvakuum 1 20…40[44]
abhängig von Elektrodenform
Diamant[45] 1 2000 fest

Durchschlagfestigkeit von Luft

Die Durchschlagsspannung in der Einheit kV von Luft kann in vielen Fällen für Gleichspannung im Bereich mit folgender, aus dem Paschen-Gesetz abgeleiteter empirischer Gleichung angenähert werden:[46][12]

Mit dem Luftdruck in der Einheit Bar, der Temperatur in Kelvin und der Schlagweite in Meter. Für eine Schlagweite von beispielsweise 1 cm ergibt sich bei Normaldruck und 20 °C eine Durchschlagsspannung von 30,3 kV, also eine Durchschlagfestigkeit von 3 kV/mm.

Liegt bei einem Luftdruck von 1,013 bar sowie einer Temperatur von 20 °C ein homogenes elektrisches Feld vor, so können für Schlagweiten zwischen 1 und 10 cm überdies folgende Näherungsgleichungen verwendet werden[47]:

  bzw.   ,
mit     und   .

Einzelnachweise

  1. Handbuch Faserverbundkunststoffe: Grundlagen Verarbeitung Anwendungen. Springer-Verlag, 2010, ISBN 978-3-8348-0881-3, S. 575 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  2. Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler: Werkstoffe in der Elektrotechnik: Grundlagen – Struktur – Eigenschaften – Prüfung – Anwendung – Technologie. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2013, ISBN 978-3-446-43748-7, S. 223 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  3. Wilfried Plaßmann, Detlef Schulz: Handbuch Elektrotechnik: Grundlagen und Anwendungen für Elektrotechniker. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-658-07049-6, S. 295 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  4. Leo Gurwitsch: Wissenschaftliche Grundlagen der Erdölverarbeitung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-47512-2, S. 139 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  5. Hans-Jürgen Bargel, Günter Schulze: Werkstoffkunde. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-17717-0 (google.com [abgerufen am 22. Juni 2016]).
  6. Joachim Heintze: Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 3: Elektrizität und Magnetismus. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-48451-7 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 18. November 2016]).
  7. H. Behnken, F. Breisig, A. Fraenckel, A. Güntherschulze, F. Kiebitz: Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50945-2 (google.com).
  8. Claudia Neusel, Gerold A. Schneider: Size-dependence of the dielectric breakdown strength from nano- to millimeter scale. In: Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 63, Februar 2014, S. 201–213. doi:10.1016/j.jmps.2013.09.009.
  9. Werner Müller, Stephan Frings, Frank Möhrlen: Tier- und Humanphysiologie: Eine Einführung. Springer-Verlag, 2015, ISBN 978-3-662-43942-5, S. 358 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  10. Paul Lynch, M. R. Davey: Electrical Manipulation of Cells. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-1-4613-1159-1, S. 16 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  11. The Physis Factbook – An encyclopedia of scientific essays. Abgerufen am 14. September 2017 (englisch).
  12. a b Jane Lehr, Pralhad Ron: Electrical Breakdown in Gases. In: Foundations of Pulsed Power Technology. John Wiley & Sons, Inc., 2017, ISBN 978-1-118-88650-2, S. 369–438, doi:10.1002/9781118886502.ch8.
  13. H. Vogel: Probleme Aus Der Physik: Aufgaben und Lösungen zur 17. Auflage von Gerthsen · Vogel PHYSIK. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-78189-6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  14. Marcus Lehnhardt, Bernd Hartmann, Bert Reichert: Verbrennungschirurgie. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-642-54444-6 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  15. Kögler/Cimolino: Standard-Einsatz-Regeln: Elektrischer Strom im Einsatz. ecomed-Storck GmbH, 2014, ISBN 978-3-609-69719-2 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 5. April 2017]).
  16. a b William M. Haynes, David R., Lide, Thomas J. Bruno: CRC handbook of chemistry and physics: a ready-reference book of chemical and physical data. 2016-2017, 97th edition Auflage. Boca Raton FL, ISBN 1-4987-5428-7.
  17. Produktinformation Porzellan C 110. (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017.
  18. Liviu Constantinescu-Simon: Handbuch Elektrische Energietechnik: Grundlagen · Anwendungen. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-322-85061-4, S. 113 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche [abgerufen am 9. April 2017]).
  19. O. Zinke, H. Seither: Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-50981-0 (google.at).
  20. AVK-Industrievereinigung Verstärkte Ku: Handbuch Faserverbundkunststoffe/Composites: Grundlagen, Verarbeitung, Anwendungen. Springer-Verlag, 2014, ISBN 978-3-658-02755-1 (google.at).
  21. physikalische Eigenschaften des Emails. (PDF) S. 3, abgerufen am 9. April 2017.
  22. Materialspezifikation Quarzglas ilmasil PI. (PDF) S. 3, abgerufen am 9. April 2017.
  23. Borosilicat-Floatglas von Schott. (PDF) (Nicht mehr online verfügbar.) S. 27, archiviert vom Original am 9. April 2017; abgerufen am 9. April 2017.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.@1@2
  24. William M. Haynes: CRC Handbook of Chemistry and Physics. Taylor & Francis, ISBN 978-1-4398-2077-3.
  25. Al2O3 Aluminiumoxid, technische Hochleistungskeramik. Abgerufen am 9. April 2017.
  26. PC Polycarbonat – Technisches Datenblatt. (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017.
  27. Glasfaserverstärkte GFK-Profile aus Polyester. (PDF) S. 2, abgerufen am 9. April 2017.
  28. Werkstoffkennwerte PET (Polyethylenterephthalat). (PDF) Grünberg Kunststoffe GmbH, S. 1, abgerufen am 9. April 2017.
  29. PET – Polyethylenterephthalat (Mylar®). Reichelt Chemietechnik, abgerufen am 9. April 2017.
  30. Platten aus PMMA – Acrylglas – Plexiglas. (PDF) S. 2, abgerufen am 9. April 2017.
  31. Werkstoffdatenblatt POM. (PDF) Liedtke Kunststofftechnik, abgerufen am 20. März 2018.
  32. Glasfaser-Hartgewebe HGW2372.1 (FR4-HF). (PDF) S. 1, abgerufen am 9. April 2017.
  33. Polypropylen. In: Material Archiv. Abgerufen am 9. April 2017.
  34. Helmut Ohlinger: Polystyrol: Erster Teil: Herstellungsverfahren und Eigenschaften der Produkte. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-87890-9 (google.at).
  35. Rotek Hartpapier HP 2061 (Pertinax). (PDF) Abgerufen am 9. April 2017.
  36. Datenblatt RTP PP FR2. In: Material Data Center. M-Base Engineering + Software GmbH, abgerufen am 9. April 2017.
  37. Egon Döring: Werkstoffkunde der Elektrotechnik. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-663-13879-2 (google.at).
  38. senodur® PVC Glas – technische Eigenschaften. Abgerufen am 9. April 2017.
  39. (PTFE) Polytetrafluoroethylene Datenblatt. (PDF) Abgerufen am 9. April 2017.
  40. Acrylnitril-Butadien-Styrol – Copolymerisate (ABS) Datenblatt. (PDF) Abgerufen am 9. April 2017.
  41. Elektr. Durchschlagfestigkeit von Materialien. (PDF) Abgerufen am 9. April 2017.
  42. CRC Handbook of Chemistry and Physics
  43. Willy Pockrandt: Mechanische Technologie für Maschinentechniker: Spanlose Formung. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-99131-8 (google.at).
  44. S. Giere, M. Kurrat, U. Schumann: HV dielectric strength of shielding electrodes in vacuum circuit-breakers (Memento vom 1. März 2012 im Internet Archive) (PDF)
  45. Electronic properties of diamond. el.angstrom.uu.se, abgerufen am 10. August 2013.
  46. F.M. Bruce: Calibration of uniform-field spark-gaps for high-voltage measurement at power frequencies. In: Journal of the Institution of Electrical Engineers – Part II: Power Engineering. Band 94, Nr. 38, S. 138–149, doi:10.1049/ji-2.1947.0052 (crossref.org [abgerufen am 14. September 2017]).
  47. Prof. Dr.-Ing. Volker Hinrichsen: Vorlesungsreihe Hochspannungstechnik (TU Darmstadt 2009/10). (PDF) Abgerufen am 27. Mai 2021.