Durchschlagfestigkeit

Begriff, Formel und Bedeutung

Die Durchschlagfestigkeit, auch Durchschlag- oder Durchbruchfeldstärke beziehungsweise (di)elektrische Festigkeit, beschreibt bei einem Isolierstoff definierter Dicke die höchste elektrische Feldstärke, die ohne Spannungsdurchschlag auftreten darf. Ein Spannungsdurchschlag entsteht, wenn die elektrische Leitfähigkeit steigt und sich ein leitender Pfad bildet; möglich sind Lichtbogen oder Funkenschlag.

Die Durchschlagfestigkeit E_d wird aus der experimentell beobachteten Durchschlagspannung U_d und der Dicke d der Isolation berechnet: E_d = U_d/d. Bei Gasen verwendet man anstelle der Dicke den Elektrodenabstand beziehungsweise die Schlagweite s. Eine häufige Einheit ist kV/mm. Der Wert ist keine Materialkonstante, weil er von zahlreichen Bedingungen abhängt.

Praktische Isolation und Einfluss der Dicke

In der Praxis bestimmen besonders die Feldgestalt, die Geometrie der Leiter und Inhomogenitäten im Isolierstoff die erreichbare Durchschlagfestigkeit. Deshalb besitzen dünne Folien meist eine deutlich höhere Durchschlagfestigkeit als dicke Barrieren.

Eingeschlossene Lufträume verringern bei Wechselspannung die Dauer-Durchschlagfestigkeit. Dabei ionisieren Vorentladungen die Luft; Ultraviolettstrahlung schädigt den umgebenden Isolierstoff langfristig. Entlang einer Isolierstoffoberfläche ist die Isolationsfestigkeit häufig sogar geringer als in der umgebenden Luft. Dann können Kriech- oder Gleitentladungen auftreten. Die Kriechstromfestigkeit beschreibt dieses Verhalten an der Oberfläche; sie steht in keinem Zusammenhang mit der Durchschlagfestigkeit. Erforderliche Kriechwege sind oft um den Faktor 100 länger als die zur Isolation nötige Materialdicke. Das Wasseraufnahmevermögen eines Werkstoffs beeinflusst sowohl Kriechstrom- als auch Durchschlagfestigkeit.

Insbesondere bei Gleichspannung kann die Feldverteilung inhomogen sein. Daher ist E_d meist von der Probendicke abhängig: E_d(d) ∼ 1/√d. Die Durchschlagspannung wächst folglich nicht proportional mit d, sondern nach U_d(d) ∼ √d. Bei einer 5 nm dicken Plasmamembran von Neuronen beträgt die Feldstärke im Ruhepotential 20 kV/mm; Elektroporation, also der Zusammenbruch der Doppellipidschicht, tritt erst bei 30 bis 70 kV/mm auf. Hochspannungs-Folienkondensatoren nutzen mehrere durch nicht kontaktierte Metallschichten getrennte Isolierstofflagen als innere Reihenschaltung, um die Feldverteilung zu homogenisieren.

Messung und weitere Einflussgrößen

Die Normenreihe IEC 60243 regelt die Bestimmung der Durchschlagfestigkeit. Sie legt Versuchsbedingungen für unterschiedliche Materialklassen und Anwendungsfälle fest: Teil 1 für Wechselspannung (AC), Teil 2 für Gleichspannung (DC) und Teil 3 für Impulsspannung. Üblicherweise wird eine Serie gleichartiger Probekörper geprüft und der Median der Einzelwerte angegeben. Für eine genauere statistische Auswertung kann die Weibull-Verteilung verwendet werden.

Die im Versuch bestimmten Werte sind Richtwerte. Sie hängen unter anderem von der genauen Zusammensetzung und Reinheit des Stoffes, der Stromart, der Anstiegsgeschwindigkeit und Dauer der angelegten Spannung oder Feldstärke sowie Größe und Form der Elektroden ab. Wirkt eine hohe Feldstärke lange auf einen Isolator ein, erhöht Erwärmung seine Leitfähigkeit und die Durchschlagfestigkeit sinkt. Sie nimmt außerdem mit steigender Wechselstromfrequenz ab. Bei Gasen wie Luft sind besonders Feuchtigkeit, Druck und die Art der vorhandenen Gase wichtig.

Ausgewählte Messwerte

Die angegebenen Werte gelten bei 20 °C und meist für eine Referenzdicke von 1 mm. Sie zeigen die große Spannweite zwischen Stoffen und die Abhängigkeit von den Prüfbedingungen. Für trockene Luft bei Normaldruck, Gleichspannung und gleichmäßigem Feldaufbau werden 1–3 kV/mm genannt; für Hochvakuum 20–40 kV/mm, abhängig von der Elektrodenform. Helium besitzt relativ zu Stickstoff den Wert 0,15, Schwefelhexafluorid mehr als 8 kV/mm.

Bei Flüssigkeiten liegen die Werte für destilliertes Wasser bei 0I65–70 kV/mm und für sorgfältig getrocknetes Transformatorenöl bei 05–30 kV/mm. Beispiele fester Stoffe sind Porzellan mit 20, Hartporzellan mit 30–35, Quarzglas mit 25–40, Polycarbonat mit 30, Polypropylen mit 45 und PVC mit 30 kV/mm. PTFE reicht von 18 bis 105 kV/mm, Polystyrol von 20 bis 55 kV/mm. Diamant erreicht mit 2000 kV/mm den höchsten in der Tabelle genannten Wert.

Durchschlag von Luft

Für Gleichspannung und Schlagweiten 1 mm < s < 1 m kann die Durchschlagspannung von Luft näherungsweise mit einer aus dem Paschen-Gesetz abgeleiteten Gleichung berechnet werden:

U_d,Luft ≈ 2422 kV · (s/1 m) · (p/1,013 bar) · (293 K/T) + 60,8 kV · √((s/1 m) · (p/1,013 bar) · (293 K/T)).

Dabei ist p der Luftdruck in Bar, T die Temperatur in Kelvin und s die Schlagweite in Meter. Die Gleichung setzt ein halbwegs homogenes Feld voraus, etwa bei Kugelelektroden, ohne Feldemission von Elektronen und mit Homogenitätsgrad > 0,2. Ionisierende Strahlung darf nicht vorhanden sein. Bei s = 0,01 m beziehungsweise 1 cm, Normaldruck und 293 K beziehungsweise 19,85 °C ergibt sich U_d,Luft = 30,3 kV; dies entspricht 3 kV/mm.

Bei 1,013 bar, 20 °C und homogenem Feld können für Schlagweiten von 1 bis 10 cm zusätzlich E_d,Luft ≈ C_1 + C_2/√s und U_d,Luft = E_d,Luft · s ≈ C_1 · s + C_2 · √s verwendet werden. Es gilt C_1 = 24,36 kV/cm und C_2 = 6,72 kV/√cm. Den Elektrodenabstand bei Luftisolation nennt man Luftstrecke; für sichere Isolation muss sie hinreichend größer als der aus der Durchschlagfestigkeit berechnete Wert sein.