Durchschlagfestigkeit von Isolierstoffen

27/08/2008 - 23:50 von Roland Damm | Report spam
Moin,

Bei verschiedenen für Elektrokram vorgesehenen
Vergussmassen/Kapselmassen/Klebstoffen/... gibt es angaben über
die Durchschlagfestigkeit. Da findet man mal hier Epoxidharz mit
10kV/mm oder dort Silikon mit 15kV/mm.

Weiß jemand, wie diese angaben zu verstehen sind? Ich habe mit
mal ein kleinen Progràmmchen gebastelt, welches die Feldstàrken
nur in 2D ausrechnet und bin dabei auf das zu erwartende
Ergebnis gestoßen, dass eine Spitze die Feldstàrke drastisch
erhöht, Faktor 3 ist da kein Problem. In 3D geht wohl noch mehr.
Worauf beziehen sich dann diese Angabe der Durchschlagfestigkeit?
Auf den günstigsten Fall (flache Elektroden, mit unendlichen
Radien abgerundet) oder auf einen normalen Fall?
Beispiel: Ich habe folgende Dràhte

+
+

Der Abstand der Dràhte untereinander sei 1mm, die Spannung 10kV -
dann ergibt das nominell 10kV/mm. Allerdings ist dort, wo der
mittlere Draht endet, eine drastische Überhöhung der Feldstàrke
zu finden. Mit richtigen FEM-Programmen làsst sich sicher exakt
ausrechnen, welche Feldstàrke wo herrscht. Ist dieser exakte
Wert der, den ich mit der Herstellerangabe über die
Durchschlagfestigkeit vergleichen muss? Oder ist die
Herstellerangabe eher ein praktischer Wert? Kann ich obige
Anordnung mit einer Vergussmasse die laut Katalog 10kV/mm
vertràgt, isolieren?

CU Rollo
 

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#1 Ralf Kusmierz
28/08/2008 - 09:29 | Warnen spam
X-No-Archive: Yes

begin quoting, Roland Damm schrieb:

Bei verschiedenen für Elektrokram vorgesehenen
Vergussmassen/Kapselmassen/Klebstoffen/... gibt es angaben über
die Durchschlagfestigkeit. Da findet man mal hier Epoxidharz mit
10kV/mm oder dort Silikon mit 15kV/mm.
Weiß jemand, wie diese angaben zu verstehen sind?



Die Festigkeit bezieht sich auf die max. lokale Feldstàrke.

Ich habe mit
mal ein kleinen Progràmmchen gebastelt, welches die Feldstàrken
nur in 2D ausrechnet und bin dabei auf das zu erwartende
Ergebnis gestoßen, dass eine Spitze die Feldstàrke drastisch
erhöht, Faktor 3 ist da kein Problem. In 3D geht wohl noch mehr.
Worauf beziehen sich dann diese Angabe der Durchschlagfestigkeit?
Auf den günstigsten Fall (flache Elektroden, mit unendlichen
Radien abgerundet) oder auf einen normalen Fall?
Beispiel: Ich habe folgende Dràhte

+
+

Der Abstand der Dràhte untereinander sei 1mm, die Spannung 10kV -
dann ergibt das nominell 10kV/mm. Allerdings ist dort, wo der
mittlere Draht endet, eine drastische Überhöhung der Feldstàrke
zu finden. Mit richtigen FEM-Programmen làsst sich sicher exakt
ausrechnen, welche Feldstàrke wo herrscht. Ist dieser exakte
Wert der, den ich mit der Herstellerangabe über die
Durchschlagfestigkeit vergleichen muss? Oder ist die
Herstellerangabe eher ein praktischer Wert? Kann ich obige
Anordnung mit einer Vergussmasse die laut Katalog 10kV/mm
vertràgt, isolieren?



Nein. Der Durchschlagmechanismus làuft in der Weise ab, daß sich an
der Stelle der höchsten Feldstàrke Teilentladungen ausbilden, die von
dort ausgehend den Isolierstoff langsam oder schnell zerstören
(Stichwort "water tree" - es bilden sich z. B. durch elektrolytische
Zersetzung wassergefüllte Risse). Somit wird die verbeleibende
Isolierstoffdicke immer geringer, und die Feldstàrke steigt immer
weiter an, bis zum finalen Durchschlag.

Die höchste Feldstàrke tritt üblicherweise an der Oberflàche der
Leiter auf und hàngt vom lokalen Krümmungsradius ab, weswegen der
immer ausreichend hoch zu wàhlen ist - Spitzen und Kanten sind
unbedingt zu vermeiden. "Tödlich" sind ferner Luftblàschen im
Isolierstoff - wenn es drauf ankommt, ist sorgfàltig darauf zu achten,
daß insbesondere die Leiteroberflàche vollstàndig mit Isolierstoff
benetzt ist. (Das liegt daran, daß bei hintereinandergeschalteten
Isolierstoffschichten die Flußdichten gleich sind, sich die
Feldstàrken aber umgekehrt zu den Permittivitàten verhalten und dann
die höhere Feldstàrke an der weniger durchschlagfesten Luft anliegt -
das führt unvermeidlich dazu, daß sich winzigste Lufteinschlüsse im
Laufe der Zeit aufgrund der chemischen Wirkungen der bei den
Teilentladungen darin entstehenden Zersetzungsprodukte vergrößern und
letztlich zur Zerstörung der Isolierung führen. Daher sollte man bei
der Ausnutzung der Durchschlagfestigkeit auch immer
Sicherheitsfaktoren einplanen.)

Das Problem der Blàschenempfindlichkeit ist übrigens ein Grund,
Isolieröle zu verwenden: Im Gegensatz zu Feststoffen sind die
selbstheilend, Blàschen gehen heraus.

FEM braucht man nicht, mit der erforderlichen Genauigkeit làßt sich
die Feldstàrke an der Oberflàche aus den Potentialen der Leiter und
deren Krümmungsradien abschàtzen:


Kugeln

Kapazitàt eines konzentrischen Kugelkondensators ist

C = 4*Pi*epsilon/(1/r1 - 1/r2)

Für r2 -> oo ist

C = 4*Pi*epsilon*r

und

Q = C*U = 4*Pi*epsilon*r*U

Feldstàrke ist

E(r) = Q / (4*Pi*epsilon*r^2) = U / r


Zylinder
Kapazitàt eines konzentrischen Zylinderkondensators ist

C/l = 2*Pi*epsilon/(ln(r2) - ln(r1))

Q/l = U*C/l = U*2*Pi*epsilon/(ln(r2) - ln(r1))

Feldstàrke ist

E(r1) = Q/l / (2*Pi*epsilon*r) = U / (r1*(ln(r2) - ln(r1)))

Der Kapazitàtsbelag C' = C/l eines unendlich langen Zylinders
gegenüber dem Unendlichen (r2 -> oo) verschwindet verblüffenderweise;
wegen C = Q/U bzw. Q = C*U verschwindet damit auch die Feldstàrke an
der Oberflàche für *jede* anliegende Spannung U. Die Rechnung ist
daher so nicht sinnvoll, man geht besser von der Kapazitàt einer
Doppelleitung aus zwei zylindrischen Leitern mit dem Radius r aus,
deren Achsen voneinander den Abstand a haben
(<http://www.grundlagen-elektrotechni...3.pdf>, Aufgabe 3.16).

Die Kapzitàt der Doppelleitung betràgt

C/l = Q/l / U = Pi*epsilon/(ln(a) - ln(r))

Feldstàrke ist

E(r) = Q/l / (Pi*epsilon*r)
= U*Pi*epsilon/(ln(a) - ln(r)) / (Pi*epsilon*r)
= U / (r * (ln(a) - ln(r)))

Hier kann man dann den Radius und den Abstand der Dràhte einsetzen.

(Evtl. ist mir irgendwo ein Faktor 2 durch die Lappen gegangen. Für
die Feldstàrke kommt es nàmlich *nicht* auf die Spannung, also die
Potential*differenz*, sondern tatsàchlich auf die absoluten Potentiale
der Leiter an. Insofern ist U immer als die Spannung gegen Erde zu
nehmen.)


(Achtung: Die Feldstàrkerechnung gilt /nur/ für eine homogene
Permittivitàt des Dielektrikums - wenn das geschichtet ist oder
Einschlüsse (Blàschen, Spàne) enthàlt, treten natürlich
Feldstàrkesprünge an den Grenzflàchen auf!)

Sorry, die Welt ist leider oft komplizierter als dem Praktiker lieb
ist.


Gruß aus Bremen
Ralf
R60: Substantive werden groß geschrieben. Grammatische Schreibweisen:
adressiert Appell asynchron Atmosphàre Autor bißchen Ellipse Emission
gesamt hàltst Immission interessiert korreliert korrigiert Laie
nàmlich offiziell parallel reell Satellit Standard Stegreif voraus

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