Hochspannungsprüfung

Zur elektrischen Isolierung werden Kunststoffe eingesetzt, die hohe Durchschlagsfestigkeiten aufweisen. Hohe Spannungen oder lange Expositionszeiten können zum dauerhaften Versagen der Isolierung führen. Die Durchschlagsfestigkeit beschreibt, welcher elektrischen Feldstärke ein Kunststoff standhält, ohne seine isolierende Eigenschaft zu verlieren.

Deshalb ist es für die Material- und Produktentwicklung sowie zur Qualitätskontrolle notwendig, die Durchschlagsfestigkeit des Materials zu kennen.


Zur Bestimmung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit werden Kunststoffe einer in der Regel ansteigenden elektrischen Spannung ausgesetzt. Mit zunehmender Spannung erhöht sich der Strom zunächst proportional zur Spannung und steigt am Ende überproportional. Mit Erreichen der Durchschlagspannung Ud erfolgt der elektrische Durchschlag in Form eines Lichtbogens oder unter Funkenbildung. Die Leitfähigkeit des Isolators nimmt dabei dauerhaft um mehrere Größenordnungen zu. Aus der gemessenen Durchschlagsspannung und der Probendicke d kann die Durchschlagsfestigkeit Ed berechnet werden:

Ed = Ud / d

Die gemessene Durchschlagspannung bzw. Durchschlagsfestigkeit hängt von den Versuchsparametern und den Umgebungsbedingungen ab:

So hat beispielsweise die Rate der Spannungserhöhung einen Einfluss auf die Durchschlagspannung. Eine Erwärmung sollte dabei vermieden werden, da diese zu einer scheinbar geringeren Durchschlagsfestigkeit führen kann (s.g. Wärmedurchschlag). Ebenfalls relevant sind oft die Zeitspannen, die ein Material unter hoher Spannung besteht. Die teilladungsinduzierte Abnahme der Durchschlagsfestigkeit durch anhaltende elektrische Feldstärke wird unter dem Begriff „elektrische Alterung“ beschrieben.

Weitere Einflussfaktoren sind die Oberflächenstruktur und die Oberflächenleitfähigkeit der Probe. Ist die Oberflächenleitfähigkeit im Verhältnis zur Leitfähigkeit durch die Probe und zur Probendicke zu hoch, kann ein Kurzschluss in Form eines Lichtbogens entlang der Probenoberfläche erfolgen (siehe obere Abbildung). Dies kann durch Wahl einer für das spezifische Polymer optimierten Probengeometrie verhindert werden.

Häufig unterschätzt werden auch die Notwendigkeit der Konditionierung der Proben vor dem HV-Test und die relative Luftfeuchtigkeit während des HV-Tests. Sowohl der Wassergehalt des Kunststoffes als auch die relative Luftfeuchtigkeit, die zu einer oberflächennahen Wasseranlagerung führt, müssen dabei berücksichtigt und kontrolliert werden. Die Durchführung des HV-Tests erfolgt daher am Fraunhofer LBF unter Normklima (23 °C, 50 %rF).

Mit dem Hochspannungstestgerät (Firma sefelec) können Spannungen im Wechselstrom (50Hz)- oder Gleichstrombetrieb erzeugt werden. Die maximale Spannung beträgt 50 kV (AC) bzw. 70 kV (DC). Die minimale Anstiegsrate der Spannung beträgt 600 V/s (DC).

Die Durchführung von Versuchen erfolgt unter Normklima (23 °C, 50 %rF).

Die Prüfung gemäß folgender Normen ist möglich:

  • VDE 0303-21 (AC)
  • VDE 0303-22 (DC)
  • DIN EN 60243-1 (AC)
  • DIN EN 60243-2 (DC)

Anforderungen an die Probengeometrie:

  • Dicke: ca. 100-1000µm, abhängig vom Material
  • Durchmesser bzw. minimale Kantenlänge: > 80 mm

Proben können als freie Filme bzw. freitragende Platten untersucht werden; ein elektrisch leitfähiges Substrat, wie Aluminium oder Stahl, beispielsweise für die Untersuchung von Folien, dünnen Beschichtungen oder Klebstoffen, kann ebenfalls eingesetzt werden.

Die Messwerte von Spannung und Stromstärke werden zeitaufgelöst erfasst, sodass auch bereits vor dem Durchschlag fließende Kriechströme detektiert werden können.