NA 022

DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE

Norm [AKTUELL]

IEC 60112
Verfahren zur Bestimmung der Prüfzahl und der Vergleichszahl der Kriechwegbildung von festen, isolierenden Werkstoffen

Titel (englisch)

Method for the determination of the proof and the comparative tracking indices of solid insulating materials

Einführungsbeitrag

Physikalische Grundlagen
Auf ungekapselten festen Isolierungen lagern sich im Betrieb Fremdschichten ab, die - je nach Spannung und Leitfähigkeit - Kriechströme über die Oberflächen fließen lassen. In den meisten Fällen überwiegt dabei die Ionenleitung, sodass die Feuchtigkeit in der Fremdschicht eine entscheidende Rolle spielt. Meistens entstehen durch die unterschiedliche Fremdschichtbedeckung mehr oder weniger voneinander getrennte Strombahnen, auf die sich der gesamte Kriechstrom aufteilt. Befindet sich in einer solchen Strombahn eine Zone verminderter Leitfähigkeit, wird dort im Vergleich zur restlichen Fremdschicht mehr Leistung umgesetzt. Dadurch wird in dieser Zone verstärkt Wasser abgegeben, wodurch sich die Leitfähigkeit weiter vermindert. Die Fremdschicht trocknet dort schließlich aus und unterbricht den Strom, während die restliche Strombahn noch feucht und leitend sein kann.
Die Stromunterbrechung durch eine solche Trockenzone kann wie bei einem Schalter mit einer Abreißentladung verbunden sein [1], die den Isolierstoff mit Temperaturen um 2 500 Kelvin [2] punktuell hoch beansprucht. Dadurch können Kriechspuren in Form von lokalen Verkohlungen oder Erosionen entstehen. Die Aneinanderreihung leitender Kriechspuren, die man als Kriechweg bezeichnet, kann schließlich zur niederohmigen Verbindung über die Oberfläche führen.
Die Widerstandsfähigkeit von Isolierstoffen gegenüber derartigen thermischen Beanspruchungen wird als Kriechstromfestigkeit oder Beständigkeit gegen die Kriechwegbildung bezeichnet. Zur Beurteilung dieser Materialeigenschaft ist in Deutschland seit Jahrzehnten ein Verfahren in VDE 0303 Teil 1 und später auch in DIN IEC 112 (VDE 0303 Teil 1), entsprechend IEC 60112, 3. Ausgabe, 1979 [3], genormt.
Prüfverfahren nach IEC 60112
In dem Verfahren ist vorgeschrieben, auf dem Prüfling zwei messerförmige Platinelektroden im Abstand von 4 mm aufzusetzen und auf die Kriechstrecke unter Spannung im 30-Sekunden-Rhythmus stark verdünnte wässrige NH4Cl-Lösung aufzutropfen. Die Elektrolytlösung soll eine nasse Oberfläche geringer Ionenleitfähigkeit nachbilden. Mit dem Elektrodenmaterial Platin will man den Einfluss eventuell entstehender Metallsalze minimieren, der z. B. bei Kupferelektroden sehr ausgeprägt wäre [4, 5]. Als Maß für die Kriechstromfestigkeit wird die höchste Spannung ermittelt, bei der der Prüfling in fünf aufeinander folgenden Prüfungen 50 Auftropfungen standhält. Als Ausfall wird dabei angesehen, wenn der Kriechstrom länger als zwei Sekunden 0,5 A überschreitet oder der Prüfling sich entzündet. Diese 50-Tropfen-Spannung wird als "Vergleichszahl der Kriechwegbildung" bezeichnet und zusammen mit der englischen Abkürzung CTI (Comparative Tracking Index) ohne Einheit angegeben. Dadurch soll der Eindruck vermieden werden, dass mit dem Verfahren Isolierstoffe für den Einsatz bei bestimmten Spannungen qualifiziert werden.
Ein wesentlicher Nachteil des mehrfach optimierten Prüfverfahrens ist die erhebliche Streuung der Ergebnisse [6]. Sie ist überwiegend darauf zurückzuführen, dass Gasentladungen nur in annähernd ausgetrockneten Fremdschichten entstehen, was voraussetzt, dass erst alles überschüssige Wasser der wässrigen Lösung verdampfen muss, bevor die eigentliche Beanspruchung einsetzt. Durch die Blasenbildung bei der Verdampfung wird die Verteilung der Fremdschicht beim Einsatz der Gasentladungen zufällig bestimmt. Die damit verbundene Streuung von Ort und Intensität der thermischen Beanspruchung äußert sich zwangsläufig in einer Streuung der Prüfergebnisse.
Ausgehend von der Spannung bei der gerade noch 50 Auftropfungen standgehalten wird, nimmt die Stehtropfenzahl mit abnehmender Spannung in der Regel stark zu. Schon bei einer Absenkung um 25 V wird meistens mehr als die doppelte Zahl von Auftropfungen gehalten. Als zusätzliches Beurteilungskriterium wurde deshalb eingeführt, auch die Spannung der Stehtropfenzahl 100 zu ermitteln und neben dem CTI-Wert in Klammern anzugeben, wenn sie um mehr als 25 V geringer als die 50-Tropfen-Spannung ist.
Die Durchführung der Prüfung ist vergleichsweise zeitaufwändig. Bei den vorgeschriebenen Zeitintervallen von 30 Sekunden zwischen den einzelnen Tropfen dauert eine vollständige Prüfung, die aus wenigstens fünf Einzelprüfungen mit 50 und fünf mit 100 Auftropfungen besteht, mindestens sechs bis sieben Stunden. Falls erforderlich, wird dieser Zeitbedarf durch den Parallelbetrieb mehrerer Prüfgeräte reduziert.
Problematisch ist das definierte Auftropfen der Prüflösung. Prüfgeräte mit elektromechanischem Tropfengeber, z. B. Nadelventile mit Hubmagnet, sind weit verbreitet. Sie sind zwar technisch weniger aufwändig, haben aber nicht nur den Nachteil, dass die Tropfengröße regelmäßig justiert werden muss, sie können zumeist auch nicht ausschließen, dass einzelne Tropfen zunächst am Ventil haften bleiben und erst beim nächsten Zyklus (zusätzlich) fallen. Hier ist die Aufmerksamkeit des Bedieners gefordert, der gegebenenfalls den Test als ungültig abbricht. Deshalb wird die Tropfenüberwachung z. B. mit einer Lichtschranke empfohlen. Bei der technisch aufwändigeren Alternative wird die Prüflösung so lange in eine zylinderförmige Kanüle gefördert, bis sich an ihrer Unterseite ein Tropfen löst. Die Tropfengröße ist durch den Nadeldurchmesser festgelegt; ihre Justierung entfällt. Mit der zur Steuerung der Prüflösungsförderung notwendigen Lichtschranke ist die korrekte Tropffrequenz sichergestellt.
Rundversuch der IEC-Arbeitsgruppe
Mit zunehmender Bedeutung der Kriechstromfestigkeit für die Bemessung elektrischer Isolierungen waren in Deutschland schon in den siebziger Jahren die Parameter des Prüfverfahrens in Rundversuchen so optimiert worden, dass sich eine minimale Streuung ergibt. Trotzdem setzte hier die mit der turnusmäßigen Revision der Norm betraute IEC-Arbeitsgruppe entgegen dem deutschen Rat nochmals an. Erforderlich wurde die Entwicklung eines Gerätes mit wesentlich verschärfter Genauigkeit der Prüfparameter; man erhoffte sich dadurch eine Verminderung der Streuung. So wurden z. B. eine Laseradjustierung des Elektrodenabstandes und eine elektronische Regelung der Eingangsspannung vorgesehen.
In einem Rundversuch wollte die Arbeitsgruppe dann den Vorteil des aufwändigeren Gerätes gegenüber den Geräten entsprechend der bislang gültigen Spezifikation quantifizieren. Das Ergebnis dieses Rundversuches ist in dem Technischen Fachbericht IEC/TR 62062:2002 [7] veröffentlicht. Trotz des erheblich höheren apparativen Aufwandes (der sich im Preisfaktor 4 zu handelsüblichen deutschen Geräten ausdrückt) ergab sich insgesamt keine messbare Verringerung der Streuung. Bei beiden Gerätevarianten wichen etwa 30 % der Prüfergebnisse von dem als Referenz angenommenen Durchschnittswert ab. Die Abweichungen mit dem modifizierten Verfahren waren zum Teil sogar größer als die der bislang normgerechten Ausführung.
Revision von IEC 60112:1979
Trotz der wenig ermutigenden Ergebnisse des Rundversuchs setzte die IEC-Arbeitsgruppe ihr Bestreben fort, die verschärften Anforderungen des beschriebenen Prüfgerätes in die Revision von IEC 60112 einzubringen. Wäre das gelungen, hätte kaum mehr eines der bestehenden Prüfgeräte der neuen Norm genügt. Darüber hinaus wollte man das Fehlerkriterium "Brennen" neu definieren und den Abbruch der Prüfung erst nach genau zwei Sekunden Brenndauer festlegen. Das hätte zur Konsequenz gehabt, dass alte CTI-Werte nicht mehr mit denen nach der neuen Norm vergleichbar gewesen wären.
Deutschland opponierte deshalb auf allen Ebenen der IEC gegen das Vorhaben der Arbeitsgruppe. Das zuständige Technische Komitee IEC/SC 15E "Prüfverfahren" verpflichtete schließlich den Obmann, zu einem Kompromiss zu kommen. Die Erläuterung der deutschen Bedenken bei der dazu einberufenen Sitzung fand breite Unterstützung. Im Ergebnis wurde eine Neuausgabe der Norm durchgesetzt, deren technischer Inhalt der dritten Ausgabe, 1979  [3], im Wesentlichen entspricht.
IEC 60112:2003
Die vierte Ausgabe von IEC 60112 wurde im Januar 2003 mit erheblich erweitertem Umfang veröffentlicht. Mit dem zusätzlichen Text wurde der Versuch unternommen, das im wesentlichen ungeänderte Verfahren besser zu beschreiben.
Im Vorwort wird ein vermeintliches Problem bei der Definition des Brennens in der vorangegangenen Ausgabe angesprochen. Der frühere Begriff "Brennen" wurde allerdings lediglich ersetzt durch den Begriff "Auftreten einer beständigen Flamme". Für Schiedsverfahren (und nur dann) ist die "beständige Flamme" definiert als solche, die mehr als zwei Sekunden lang brennt. Für Reihenmessungen hat Deutschland eine exakte Definition der Brenndauer verhindern können. Die Praktiker werden ermessen können, welcher Aufwand den Prüflaboratorien für das Messen der Brenndauer und das spätere Reinigen der Prüfkammer bei rußenden Prüflingen erspart worden ist.
Es war entsprechend den Regeln für Prüfnormen unvermeidbar, dass sämtliche quantitativen Festlegungen mit Toleranzen versehen wurden. Im Hinblick auf die zuvor erwähnte geringe Auswirkung auf das Prüfergebnis wurden allerdings größtmögliche Toleranzen angestrebt. Unvermeidbar war auch, eine Konditionierung der Prüflinge für wenigstens 24 Stunden beim Klima 23/50 vorzugeben. Diese Festlegung ist jedoch mit der Öffnungsklausel "wenn nicht anders festgelegt ..." versehen.
Es ist bekannt, dass eine starke Luftströmung während der Prüfung das Ergebnis signifikant beeinflussen kann. Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Strömungsgeschwindigkeit der Luft zu messen. Auf Vorschlag Deutschlands einigte man sich auf die wenig aufwändige Festlegung, dass sich der Prüfling und die unmittelbar anliegenden Teile der Elektroden in einem vollständig zugfreien Raum befinden müssen. Das schließt nicht aus, dass die übrige Prüfkammer - wie bisher - belüftet wird.
In der dritten Ausgabe, 1979, von IEC 60112 war noch vorgeschrieben, dass nach Ermittlung der 50-Tropfen-Spannung und einer Reduktion um 25 V zu überprüfen ist, ob bei der verminderten Spannung 100 Auftropfungen stand gehalten wird. Das erforderte in jedem Fall wenigstens fünf zusätzliche Versuche mit je 100 Auftropfungen. Bei vielen Proben ist die Minderung um 25 V aber gar nicht notwendig; sie halten bei der 50-Tropfen-Spannung auch 100 Auftropfungen stand. Das gilt überwiegend für Werkstoffe mit CTI 600. In einem solchen Fall kann man 25 Minuten je Prüfung einsparen, wenn nach der fünfzigsten Auftropfung bis zur hundertsten weitergeprüft wird und damit in einem 100-Tropfen-Test gleichzeitig die 50- und die 100-Tropfen-Spannung bestimmt werden. Diese Möglichkeit wird in der vierten Ausgabe, 2003, von IEC 60112 auf deutschen Vorschlag hin eröffnet. Im Prüfablauf wird sogar empfohlen, mit der 100-Tropfen-Prüfung zu beginnen. Die Erosionstiefe darf nach 100 Tropfen gemessen werden; die Bestimmung nach 50 Auftropfungen kann (muss aber nicht) vom Auftraggeber der Prüfung gefordert werden. Gleichwohl entspricht die allgemeine Beschreibung des Prüfablaufs noch der bisher üblichen, sodass auch der Fortsetzung der bisherigen Prüfpraxis nichts im Wege steht.
Bei der chemischen Bezeichnung des Netzmittels für die Prüflösung B muss noch ein offensichtlicher Irrtum korrigiert werden. Es war nach Angabe des Obmanns der IEC-Arbeitsgruppe beabsichtigt gewesen, zwar an der bisherigen Prüfpraxis festzuhalten, das Netzmittel aber präziser zu definieren als bisher. Leider wurde von einem Hersteller erst nach Drucklegung darauf hingewiesen, dass das verwendete Netzmittel nicht mit "sodium-di-iso-butyl naphthalene sulfonate", sondern mit "sodium-di-butyl naphthalene sulfonate" zu bezeichnen ist. Ein entsprechender Änderungsantrag wurde bereits eingereicht.
Harmonisierung
Die Norm IEC 60112:2003 ist in deutscher Übersetzung in das Deutsche Normenwerk übernommen worden. Im Vorwort wurde darauf hingewiesen, dass als Netzmittel der Prüflösung B nach wie vor verwendet werden kann.
Schrifttum:
[1] Stimper, Klaus: Grundlagen für eine beanspruchungsgerechte Koordination der Isolierungen bei Niederspannung. Habilitationsschrift Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, 1990.
[2] Ocker, Werner.: Thermische Beanspruchung verschmutzter Isolatoroberflächen durch Gasentladungen bei Niederspannung. Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen, 1986.
[3] DIN VDE 0303-1 (VDE 0303 Teil 1):1984-06 "Verfahren zur Bestimmung der Vergleichszahl und Prüfzahl der Kriechwegbildung auf festen isolierenden Werkstoffen unter feuchten Bedingungen [VDE-Bestimmung]"
[4] Stimper, Klaus; Sachsenweger, C...; Middendorf, William H.: Experiments on Tracking and Enhancement by Copper, IEEE Trans. on E. I. 23 (1988) No. 2, S. 243 - 248.
[5] Stimper, Klaus; Sachsenweger, C...; Middendorf, William H.: The Chemistry of Insulation Tracking with Copper Electrodes. IEEE Trans. on E. I. 23 (1988) No. 6, S. 987 - 991.
[6] Suhr, H...: Über die Streuung der Ergebnisse beim Kriechstromfestigkeits-Prüfverfahren. Materialprüf. 23 (1981) Nr. 12, S. 432 - 435.
[8] IE/TR 62062:2002: Ergebnisse der Rundversuchsreihen mit Prüfungen zur Bewertung der vorgeschlagenen Änderungen zu IEC 60112

Ausgabe 2003-01
Originalsprache Englisch, Französisch
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