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IsKoNeu - Isolationskoordination: Bemessung von Luft- und Kriechstrecken unter

Umgebungsgesichtspunkten in neuen AnwendungenEdmund Schneider, Bender GmbH & Co. KG, Juni 2015

2IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen

1. Einleitung

Edmund Schneider

Bender GmbH & Co. KGLondorfer Str. 6535305 Grünberg

Wir machen Strom sicher !


Titel: IsKoNeu - Isolationskoordination:Bemessung von Luft- und Kriechstrecken unter Umgebungsgesichtspunkten in neuen Anwendungen

Das Projekt ist fokussiert auf Neue Anwendungen - im DC-BereichElektromobilität

Insbesondere die Batteriespannung (DC 400 … 850 V), die immer höhere Werte annimmt

Photovoltaikanlagen

PV-Modulreihenschaltungen bis 1000 V (auch schon 1500 V)

2. Das Projekt


Demonstratoren zur Simulation von Einflussfaktoren auf die Kriechwegbildung

Vor dem Projektstart

Heutzutage wird alles simuliert !

Auswahl einer Simulation mit der man elektr. und magn. Feldern darstellen kann - Finite Elemente

Projektstart

Erste konstituierende Sitzung

Was ist eigentlich das Kernproblem bei Luft- und Kriechstrecken

Ergebnis: Die Verschmutzung - Verschmutzung kann man nicht simulieren !Was nun ?

Zielapplikation suchen und Messungen identifizieren

Inverter für E-Antrieb

Wichtig: Zeitraffende Maßnahmen anwenden

2. Das Projekt


Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung2. Das Projekt3. Historie4. Einflussfaktoren5. Umweltprüfungen6. Demonstratoren7. Auswahl der Kriechstrecken8. Auswahl der Prüfleiterplatten9. Auswahl der Verschmutzungsgrade10. Setup der Prüfung11. Ausblick


Basis für L&K-StreckenIEC 60664-1:2007, DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1):2008-01

Grundlagen der IsolationskoordinationWird nur erreicht bei Berücksichtigung der Beanspruchung und der Lebensdauer

Es existieren verschiedene Einflussfaktoren

1. Einfussfaktor Spannung» Spannungen die vom Betriebsmittel selber erzeugt» Dauerspannungen» Arbeitsspannung» Transiente Überspannung» Zeitweilige Überspannung» Periodische Spitzenspannung» Bemessungsspannung» Bemessungs-Isolationsspannung

3. Historie



Grundlagen der IsolationskoordinationWird nur erreicht bei Berücksichtigung der Beanspruchung und der Lebensdauer

Es existieren verschiedene Einflussfaktoren

2. Einfussfaktor UmgebungsbedingungenFür die Luftstrecke insbesondere

» Luftdruck» Temperatur

Für die Kriechstrecke insbesondere» Verschmutzung» Relative Luftfeuchte» Betauung» Vibration

3. Historie



Verschmutzung, Definition der VerschmutzungsgradeVerschmutzungsgrad 1 (VG1)

Es tritt keine oder nur trockene, nicht leitfähige Verschmutzung auf. Die Verschmutzung hat keinen

Einfluss.

Verschmutzungsgrad 2 (VG2)

Es tritt nur nicht leitfähige Verschmutzung auf. Gelegentlich muss jedoch mit vorübergehender Leitfähigkeit durch Betauung gerechnet werden.


Es tritt leitfähige Verschmutzung auf oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die leitfähig wird,

da Betauung zu erwarten ist.


Es tritt eine dauernde Leitfähigkeit auf, hervorgerufen durch leitfähigen Staub, Regen oder Nässe.

3. Historie


Einflussfaktoren auf die IsolationskoordinationVergleichbarkeit der Simulation

4. Einflussfaktoren

Simulation

Einflussfaktor Gut Schlecht

Spannung xLuftdruck xTemperatur xRel. Feuchte xBetauung xVibration xVerschmutzung x


Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeu

Leitfähige Verschmutzung – ein Teil des Isolationswiderstandes

Beispiele:» Ablagerungen durch Abrieb der Radreifen bei Bahnanwendungen» Niederschlag von chemische Stoffen» Schimmelbildung» Staub- und Fremdkörperablagerungen» Öl- und Fettablagerungen

Ungünstige Beeinflussungen:» Feuchtigkeit» Temperatur» Betauung

4. Einflussfaktoren



Wie kann man leitfähige Verschmutzung simulieren ?

Historisch gesehen schon angewendet» Ergebnisse sind in die Normenreihe 60664 eingeflossen.» Forschungsbericht Prof. Pfeiffer

4. Einflussfaktoren

Verschmutzung Simulation

Kennzeichnung Definition Methode Eignung

VGx In Abhängigkeit des Ortes der Installation ergibt sich leitfähige Verschmutzung

Langzeit Auslagerung von Prüflingen

(über Jahre)

Gut

Nachteil: hoher Zeitbedarf



Wie kann man leitfähige Verschmutzung simulieren bzw. wie kann man sie beeinflussen ?

4. Einflussfaktoren

Verschmutzung Simulation

Verschmutzungsgrad Definition Methode Eignung

VG1 Nicht leitfähige Verschmutzung

VG2 VorübergehendeLeitfähigkeit durch

Betauung

Klimaprüfungnach

IEC 60068 xx

gut



Wie kann man leitfähige Verschmutzung messen ?

4. Einflussfaktoren

Methoden Bewertung

Messmittel Ableitung Aussagekraft Eignung

HV-Prüfung Strom ungenau bedingt

Stoßspannung1,2 / 50 µsec

Überschlag/Kurvenform ungenau bedingt

Teilentladungsmessung Teilentladung gut Nicht so gut, da spezieller Messaufbau erforderlich

Messgeräte für den Isolationswiderstand

Strom sehr gut sehr gut,qualitative Aussage



Der Isolationswiderstand, grundsätzliche AussagenUnterschiedliche Messspannungen, abgestimmt auf die Systemspannung wählbar

» 50, 100, 250, 500, 1000 VSehr großer Messbereich

» G Ohm … M Ohm … k OhmSchnelle Durchführung der Prüfung

» wenige Sekunden bis zu einigen MinutenStatistische Werte für die Qualität der Isolation

» Tendenzpunktmessung» PI = Polarisierungsindex (10 min Wert / 1min Wert)» DAR = Dielektrische Absorptions Konstante (60 s Wert / 30 s Wert)

Anschlussbeitrag Der Isolationswiderstand, Dennis Haub, Bender GmbH & Co. KG

4. Einflussfaktoren


Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeuWelche Umweltprüfungen existieren, welche sind geeignet ?

5. Umweltprüfungen

Umweltprüfung Simulation

Norm Phänomen Methode Eignung

IEC 60068-2-78 Feuchte Wärme,konstant

Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Prüflingen gegen Auswirkungen von hohen

Temperaturen/Feuchte (ohne Kondensation)

gut

IEC 60068-2-30 Feuchte Wärme,zyklisch

Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Prüflingen gegen Auswirkungen von hohen Temperaturen/Feuchte (mit Kondensation)

gut

IEC 60068-2-38 Temperatur/Feuchte, zyklisch

Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Prüflingen gegen Auswirkungen von hohen

Temperaturen/Feuchte und Kälte

sehr gut

IEC 60068-2-60 Korrosionsprüfung mit strömendem Mischgas

Verfahren zur Beurteilung der Beständigkeit von Prüflingen gegen korrosive Einflüsse, insbesondere

Kontakte und Verbindungen

weniger gut,zu aggressiv


Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeuGewählte Umweltprüfung

5. Umweltprüfungen

Umweltprüfung Prüfungsbeschreibung

Norm Phänomen Methode

IEC 60068-2-38 Temperatur/Feuchte, zyklisch

Temperatur: -10 … 65 °C, RH = 93 %;

Vorbehandlung: 24 h, 55 °C, RH = 20 %;

Schärfegrad: 10 Zyklen á 24 h, die ersten 9 Zyklen incl. 5 Kälte-Subzyklen


Gewählte Umweltprüfung IEC 60068-2-38

Beanspruchung mit Feuchte und Kälte Beanspruchung mit Feuchte

5. Umweltprüfungen


Gewählte Umweltprüfung IEC 60068-2-38Komplette Zyklusprüfung

5. Umweltprüfungen

Vor-behand

lung

24 h

1. Feuchte

und Kälte

24 h

2. Feuchte

und Kälte

24 h

3. Feuchte

und Kälte

24 h

4. Feuchte

24 h

5. Feuchte

24 h

6. Feuchte

24 h

7. Feuchte

und Kälte

24 h

8. Feuchte

24 h

9. Feuchte

und Kälte

24 h

10. Feuchte

24 h

240 h = 1 Zyklus


PrüfleiterplattenIEC 60664-3 (Anwendung von Beschichtungen, Eingießen oder Vergießen zum Schutz gegen Verschmutzung)

6. Demonstratoren


PrüfleiterplattenIEC 60664-5 (L+K Strecken für Abstände gleich oder unter 2 mm, Stehvermögen von Kriechstrecken)

6. Demonstratoren


PrüfleiterplattenIsKoNeu, 185 x 135 mm, 100 mm parallele Strukturen, verschiedene Abstände (Kriechstrecken)

6. Demonstratoren


Prüfleiterplatten – gewählte KriechstreckenAusschnitt, IEC 60664-1, Tabelle F.4

7. Auswahl der Kriechstrecken

Netznennspannung

(V)

Bemessungs-isolations-spannung

(V)

VG1 auf PCBalle IG

(mm)

VG2 auf PCBalle IG

außer IIIb(mm)

300 320 0,75 1,6

380 … 415 400 1 2

440 … 500 500 1,3 2,5

575 … 690 630 1,8 3,2

720, 830 800 2,4 4

960, 1000 1000 3,2 5

1500 1500 5,2 IG I; 7,5


Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen


Netznennspannung

(V)


(V)

VG1 auf PCBalle IG

(mm)

VG2 auf PCBalle IG

außer IIIb(mm)

300 320 0,75 1,6

380 … 415 400 1 2

440 … 500 500 1,3 2,5

575 … 690 630 1,8 3,2

720, 830 800 2,4 4

960, 1000 1000 3,2 5

1500 1500 5,2 IG I; 7,5


Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1


Netznennspannung

(V)


(V)

VG1 auf PCBalle IG

(mm)

VG2 auf PCBalle IG

außer IIIb(mm)

300 320 0,75 1,6

380 … 415 400 1 2

440 … 500 500 1,3 2,5

575 … 690 630 1,8 3,2

720, 830 800 2,4 4

960, 1000 1000 3,2 5

1500 1500 5,2 IG I; 7,5


Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1 Leiterplatte 2


Netznennspannung

(V)


(V)

VG1 auf PCBalle IG

(mm)

VG2 auf PCBalle IG

außer IIIb(mm)

300 320 0,75 1,6

380 … 415 400 1 2

440 … 500 500 1,3 2,5

575 … 690 630 1,8 3,2

720, 830 800 2,4 4

960, 1000 1000 3,2 5

1500 1500 5,2 IG I; 7,5


Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1 Leiterplatte 2 Leiterplatte 3


Netznennspannung

(V)


(V)

VG1 auf PCBalle IG

(mm)

VG2 auf PCBalle IG

außer IIIb(mm)

300 320 0,75 1,6

380 … 415 400 1 2

440 … 500 500 1,3 2,5

575 … 690 630 1,8 3,2

720, 830 800 2,4 4

960, 1000 1000 3,2 5

1500 1500 5,2 IG I; 7,5


PrüfleiterplattenIsKoNeu


Leiterplatte 1 Leiterplatte 2 Leiterplatte 3

Bezeichnung A34659000 A34659100 A34659200

Abstände (mm) 1; 1,8; 2,4; 3,2 0,5; 0,9; 1,2; 1,6 2; 3,2; 5; 7,5

Leiterbahnbreite (mm)

1 1 1

Label


Kennzeichnung von Isolierstoffgruppen

CTI = Comparative Tracking Index = Vergleichszahl der Kriechwegbildung (V)PLC = Performance Level Category

8. Auswahl der Prüfleiterplatten

Benennung Kennzeichnung

PLC(UL 746 A/C)

0 1 2 3 4 5

CTI(IEC 60112)

> = 600 400 - 600 250 - 400 175 - 250 100 - 175 < 100

Isolierstoffgruppe(IEC 60664-1)(EN 50124-1)

I II IIIa IIIa IIIb


Prüfleiterplatten - Qualität

8. Auswahl der Prüfleiterplatten

Qualität 1 Qualität 2 Qualität 3

Bezeichnung FR-4-86 UV BLOCK R1566(W) R1566(W)

Hersteller NAN YA Panasonic Panasonic

Spezifikation Multifunktionales Epoxidharz-

Basismaterial

Glasgewebe verstärktes Epoxidharz

Glasgewebe verstärktes Epoxidharz

Oberfläche HAL HAL HAL

Lötstopplack ohne mit mit

Beschichtung ohne ohne mit

CTI 175 - 249 500 500

PLC 3 1 1

Isolierstoffgruppe IIIa(175 – 400)

II(400 – 600)

II(400 – 600)


Prüfleiterplatten – IP-Schutzgrade und resultierende VerschmutzungsgradeÖffnungen im Gehäuse

9. Auswahl der Verschmutzungsgrade

VG1 VG2

Gehäuse geschlossen Gehäuse geöffnet; 2,5 mm

Schutzklasse IP 67 Schutzklasse IP30


Prüfzeit etwa 3 Monate

ca. 600 Messwerte

Was benötigen wir für die Prüfung

Demonstratoren in verschiedenen Ausbaustufen

Prüflabor mit Klimaschrank

5 DC-Quellen von 400 … 1500 V

Messgerät um den Isolationswiderstand zu bestimmen

10. Setup der Prüfung


Varianzen der geplanten Prüfung

10. Setup der Prüfung

Prüflinge Varianz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

VG 2 2 2 2 1 1 1 1 2 2 2 2

Leiterplatte

Leiterplatten-Material

FR4 FR4 R1566 FR4 R1566 R1566 R1566 R1566 R1566 R1566 R1566 R1566

PLC 3 3 1 3 1 1 1 1 1 1 1 1

ohneLötstopplack

x x x

mitLötstopplack

x x x x x x x x x

mitLötstopplack und beschichtet

x x x x


Aktueller Stand des Projektes

• Kurz vor der Inbetriebnahme der Prüflinge

Messergebnisse• Erfassen• Sichten• Auswerten

Erkenntnisse• Dokumentieren• Ableitungen herstellen• Evtl. Nachprüfungen einleiten

Projekt• Weiter voran treiben

11. Ausblick


11. Ausblick

Mit Sicherheit SpannungBender GmbH & Co. KG

Dipl.-Ing. Edmund Schneider

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit


Pictures: Bender Archiv, www.pixelio.de, www.fotolia.de, www.istockphoto.com

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