Sichere Trennung in der Elektrotechnik - Isolationsklassen aufgeschlüsselt

Ein wichtiger Grundsatz für den Betrieb von elektrischen Geräten ist der Schutz von Personen. Ziel aller Isolationsaufgaben ist die sichere Trennung zwischen Netzspannung und Niederspannungsseite z.B. eines Transformators oder von berührbaren Teilen.

Maximaler Schutz für Leib und Leben durch Isolation (PresseBox) ( Frankenthal, )
Zu diesem Zweck können doppelte Isolationen oder verstärkte Isolationen verwendet werden. Bei der doppelten Isolation übernehmen die Basisisolation (grundlegender Schutz vor Körperströmen) und die Zusätzliche Isolation (Schutz vor Körperströmen, wenn Basisisolation versagt) diese Funktion. Beide Isolationen erfüllen einzeln die Anforderungen für den Basisschutz gegen elektrischen Schlag.

Neben der doppelten und verstärkten Isolation gibt es noch die Funktionsisolation. Diese bietet keinerlei Personenschutz, sondern gewährleistet nur den technisch sicheren Betrieb durch Trennung der Spannungsebenen. Die Basisisolation dagegen bietet einen grundsätzlichen Schutz vor Berührung. Die Zusätzliche Isolation ist eine ergänzende Isolation, die zusätzlich zur Basisisolation einen ergänzenden Schutz erfüllt. Der Aufbau dieser vier Isolations-Stufen wird in den verschiedenen Normen, vor allem aber in der Isolationskoordination-Norm IEC 60664-1:2007 beschrieben.

Bislang waren die meisten Normen auf sinusförmige Spannungsverläufe (bzw. weitgehend rippelfreie Gleichspannung) ausgelegt. Auch war die Arbeitsfrequenz meist 50/60 Hz beziehungsweise maximal 30 kHz.
Im heutigen, technischen Umfeld sind diese alten Festlegungen nicht mehr funktional. Deswegen gibt es Erweiterungen hin zu höheren Arbeitsfrequenzen (oder Frequenzen, die sich aus der Nichtsinusform der Spannung ergeben), höheren Spannungsebenen und Überspannungspeaks belasteten Spannungsverläufen.

Aus diesem Grund werden im Moment Normen der Isolationskoordination genauso wie weitere elektrotechnische Normen überarbeitet. Besonders wichtig ist dabei der Umstand, dass Luft- und Kriechstrecken sowie die Belastbarkeit der Isolationswerkstoffe durch die erhöhten Belastungen angepasst werden müssen. Das betrifft auch das verstärkte Auftreten von Teilentladungs-Phänomenen in Isolationssystemen.

Aus Sicht eines teilentladungsfesten Isolationsaufbaus ist die Verstärkte Isolation die bessere Variante. Durch ihren Aufbau (homogenes Material oder „untrennbar“ miteinander verbundene Schichten) ist die Gefahr von Teilentladungen in z.B. Lufteinschlüssen oder an der Oberfläche gegenüber der Doppelten Isolierung deutlich reduziert. Teilentladungsfest bedeutet wie in anderen Fällen auch, dass der Scheitelwert der Teilentladungsaussetzspannung größer dem 1,25fachen des Bemessungswertes (Betriebsspannung, Überspannungskategorie, Verschmutzungsgrad) ist. Das Maß dafür ist ein TE-Pegel unter 10pC.

In der IEC hat sich der Begriff der Überspannungskategorie etabliert. Dabei unterscheidet man sozusagen für an das Stromnetz angeschlossene Geräte die „Nähe“ zum (Überland-)Leitungsnetz der Stromversorger. Das rührt daher, dass Störungen meistens umso geringer ausfallen, desto weiter man sich im „gefilterten“ Bereich befindet. So gehören Stromzähler oder Unterbrechungsautomaten im Hausanschlußkasten zu Geräten der Überspannungsklasse IV. Haushaltsgeräte dagegen werden in die Überspannungsklasse II eingestuft, die erheblich weniger Anforderungen an die Luft- und Kriechstrecken sowie die Prüfspannung des Isoliersystems stellt.

Eine Folge des Einsatzes von Spannungsniveaus über 1000 VAC/ 1500 VDC (Konverter in Solarfeldern, Antriebsinverter) führt in mehreren Normen mittlerweile zu einer Erweiterung. Angaben für die Luft- und Kriechstrecken werden in den Tabellen nach oben hin bis 3000 VAC ergänzt, um dem erhöhten Spannungsniveau gerecht zu werden.

Weitere wichtige Material-Parameter sind die Fähigkeit des Werkstoffes, einer Kriechwegbildung zu widerstehen, die Wärmeklasse, die Brennbarkeit sowie Umwelt-Parameter wie der Verschmutzungsgrad, Inhomogenität des elektrischen Feldes und oft vernachlässigte Einsatzhöhe (bei 5000 m Höhe müssen die Luft- und Kriechstrecken fast anderthalb mal so groß sein wie bei 2000 m Höhe).

Abhängig von der Umwelt werden Isolationen unterschiedlich belastet. So unterscheidet man zwischen einem trockenen Umfeld ohne leitfähige Verschmutzung auf der Isolationsoberfläche über nur bei Feuchtigkeit leitfähige Beläge (z.B. Staub)bis hin zu permanent leitfähige Oberflächen durch Schmutz und/oder Regen. Mehr und mehr werden für die erforderlichen Distanzen nicht nur die alten Werte für sinusförmige Spannung verwendet, sondern es wird die höchste regelmäßig erreichte Impulsspannung verwendet (z.B. Anfangsüberschwinger bei Rechteckimpulsen). Auch die erforderliche mindestens zu erreichende Durchbruchspannung liegt dadurch höher und erfordert entweder dickere Isolationsschichten oder mehr Einzellagen wie bisher.
Die allgemeine Spannungsprüfung für die Basis- und Zusatzisolierung erfolgt z.B. nach der Formel Betriebsspannung x 1,5 plus 750V, für die verstärke Isolation dann nochmals verdoppelte Werte.

CMC Klebetechnik (www.cmc.de) engagiert sich seit mehreren Jahrzehnten für die Verwendung geeigneter Elektroisoliermaterialien und Elektroisoliersysteme (EIM, EIS). Die Isolationsklebebänder, -Stanzteile und Isolationsfolien werden ausschließlich von namenhafte, in der Elektrotechnik beheimateten Herstellern gekauft bzw. die Endprodukte daraus gefertigt. Dies ist die Grundlage für nachvollziehbare, wiederholbare und zuverlässige Produktionsergebnisse.

Unabhängig von den in Normen vorgegebenen Werten für Luft- und Kriechstrecken, zu verwendenden Materialien und Konstruktionsmerkmale steht der Schutz von Personen vor gefährlichen Körperströmen immer an vorderster Stelle. Weder der Hersteller noch der Geräteanwendern dürfen aus dem Begriff „Sichere Trennung“ ableiten, dass zu keinem Zeitpunkt Gefahr besteht. Auch ein „außerordentlicher“ Betrieb sollte maximal zur Zerstörung des Gerätes führen, jedoch nicht zu einer Lebensgefahr für Menschen werden.
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