Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung-Grundlagen der Sicherheit ............................................................................................. 2 1.1 Allgemeines .............................................................................................................................. 2 1.2 Gefahren ................................................................................................................................... 3 2 Elektrische Isolierstoffe ................................................................................................................... 6 2.1 Einteilung und Anforderung ..................................................................................................... 6 2.2 Elektrische Widerstände der Isolierstoffe................................................................................. 7 2.2.1 Durchgangswiderstand (Volume resitivity) ...................................................................... 7 2.2.2 Oberflächenwiderstand ..................................................................................................... 7 2.3 Kriechstromfestigkeit ............................................................................................................. 10 2.4 Polarisation und Dielektrische Verluste ................................................................................. 12 2.4.1 Polarisationsart ............................................................................................................... 12 2.4.2 Wirkungsweise eines Dielektrikums .............................................................................. 13 2.4.3 Ladungen am Kondensator ............................................................................................. 14 2.4.4 Dielektrische Verlustfaktor ............................................................................................. 15 2.5 Durchschlagspannung / Durchschlagfestigkeit ...................................................................... 18 2.5.1 Elektrische Durchschlagfestigkeit .................................................................................. 18 2.5.2 Arte des Durchschlags .................................................................................................... 19 2.6 Luft- und Kriechstrecken ....................................................................................................... 21 2.6.1 Allgemeines .................................................................................................................... 21 2.6.2 Bemessung der Luftstrecken .......................................................................................... 21 2.6.3 Bemessung der Kriechstrecken ...................................................................................... 22 2.7 Elektrische Isoliersysteme ...................................................................................................... 22 2.8 Allgemeines zur Wärmelehre ................................................................................................. 24 2.8.1 2.8.4 Flammwidrigkeitsprüfungen ................................................................................. 24 2.8.2 2.8.5 Die Yellow Card .................................................................................................... 26 3 Magnetische Werksstoffe ............................................................................................................... 27 3.1 Wiederholung der magnetischen Größen ............................................................................... 27 3.2 Verhalten von Materie im Magnetfeld.................................................................................... 27 Werkstoffkunde Einleitung-Grundlagen der Sicherheit 1.1 Allgemeines Normen beschreiben Aufbau der Geräte z.B. VDE – Vorschriften VDE – Vorschriften haben Rechtsnormqualität bedeutet: werden in Gesetzen als „anerkannte Regeln der Technik“ zitiert → juristische Verknüpfung Normen beschreiben nicht nur den bestimmungsgemäßen Gebrauch sondern auch Fehlerbedingungen, Missbrauch etc. Erreichen der Sicherheit durch I. Konstruktion II. Schutzmaßnahmen III. Aufschriften → man unterscheidet Benutzer (User) Instandhalter (Service Person's) Benutzer: -nicht ausgebildet, keine Kenntnis Instandhalter : - elektronische Fachkraft - Kenntnis der Gefahr der Elektrizität → Vorsicht bei bewegbaren Geräten ⇒ Unterbrechung des Schutzleiters 2 von 28 Werkstoffkunde 1.2 Gefahren Elektrischer Schlag bei Fehler kein elektrischer Schlag wird erreicht durch zweistufige Schutzmaßnahmen: 1. Basisisolierung 2. zusätzliche Schutzmaßnahmen Schutzleiteranschluss (Netzform: TN-,TT-, IT- Netz) zusätzliche Isolierung Schutzleiteranschluss bewirkt Fehler wird durch Abschalten beseitigt! Energiegefahr Vorsicht bei Kurzschluss; Kurzschlussstrom IK meisten einige kA! → Umsetzung hoher Energie im Lichtbogen Brandgefahr überhöhte Temperatur → Brandrisiko → Flammensprung Ursachen: Überlastung, Glimmeffekt durch Isolierschaden (CTI), lockere Verbindungen Gefahr durch Hitze hohe Temperatur → Verletzungsgefahr → Warnhinweise Mechanische Gefahr scharfe Ecken und Kanten bewegliche Teile Standfestigkeit Gefahr durch Strahlung z.B. Laser, Schall, ionisierende Strahlung Abhilfe: Begrenzen der Energie Warnhinweis etc. chemische Gefahren 3 von 28 Werkstoffkunde Kontakt mit Chemikalien Ausdünsten von Gasen bei Kunststoffen (TEST) Abhilfe: Konstruktion Werkstoffe Warnhinweise Werkstoffe und Bauelemente Auswahl so, dass während der angenommenen Gebrauchsdauer das Gerät zuverlässig intakt bleibt. → Gefahr der Alterung Ausfalldauer, Ausfallrate MTTF: meantime to failure MTBF: meantime beetween failure mit Hilfe der Statistik ⇒ Lebensdauer für Geräte gilt: „Badewannenkurve“ λ(t ) burn-in wear-out Constantfailure rate service lifetime mechanical devices electrical λ: failure rate Prüfen der Lebensdauer (Zuverlässigkeit) mit HALT: highly accelerated life test 4 von 28 Werkstoffkunde Auswirkungen auf Entwicklung und Fertigung RAMS-Prozess nach EN50126 R: Realiability = Zuverlässigkeit A: Availability = Verfügbarkeit M: Maintainability = Instandhaltbarkeit S: Safety = Sicherheit LCC (life-cycle-lasts = Lebenszykluskosten) → Prozess hat die 3 Forderungen I. gesamtheitlich zu führen II. durchgängig zu führen III. einheitlich zu führen Zum Film: 5 Sicherheitsregeln der Elektrotechnik 1. Freischalten 2. Gegen Wiedereinschalten sichern 3. Spannungsfreiheit feststellen 4. Erden und Kurzschließen 5. Benachbarte, unter spannungsstehende Teile abdecken oder abschranken 5 von 28 Werkstoffkunde Elektrische Isolierstoffe 1.3 Einteilung und Anforderung Aufgabe: Trennen spannungsführender Teile unterschiedlichen Potentials Einteilung der Isolierstoffe: fest - organisch z.B. PE - anorganisch z.B. Glas flüssig z.B. Trafoöl gasförmig z.B. Luft Werkstoffanforderung nach Einsatz z.B.: Temperaturbereich CTI (Kap. 2.3) Wechselnde Belastung → Verhalten der Kennwerte beeinflusst Anwendung und Konstruktion thermische Eigenschaften → Isolierstoffklassen z.B. Isolierstoffklasse F: 155°C (siehe auch Kap. 2.7 Isoliersysteme) 6 von 28 Werkstoffkunde 1.4 Elektrische Widerstände der Isolierstoffe 1.4.1 Durchgangswiderstand ρD (Volume resitivity) Überlagerungen folgen der Leitfähigkeiten Eigenleitfähigkeit (Bändertheorie) Störstellenleitfähigkeit (Sättigungseffekt) Elektrolytische Leitfähigkeit (Anzahl der Ionen) Gesamteffekt durch Überlagerung Eigenleitfähigkeit → stets vorhanden Störstellenleitfähigkeit → sättigungsabhängig Elektrolytische Leitfähigkeit → Ursache ist die ionenbildende Verbindungen (NaCl) höchster Anteil, da Leitfähigkeit abhängig von Anzahl der Ionen → gebunden an Feuchte und Temperatur physikalischer Effekt: Anzahl der Ionen n (Dissotiationsgrad) steigt mit der Temperatur Temperaturkoeffizient α < 0! (Leiter α >0) Wärme zerstört Isolator 1.4.2 Oberflächenwiderstand häufige Anwendung ESD-Bereich Ursachen: Schmutzablagerungen Feuchtigkeit Fremdschichten RO UO d O RO m IO g (bei Haft- bzw. Aufsetzelektrode) g: Schutzspaltbreite d m : mittlere Durchmesser aus 7 von 28 Werkstoffkunde фElektrode фSchutzring → Messverfahren nach VDE-Vorschriften! Darstellung R f ( ) R2 R1 e ln Berechnen von R2 R1 α = Steigung der Geraden bei doppeltlogarithmischer Darstellung grafische Darstellung RII/Ω / R RRLL//Ω 100 1011 1010 10 Leiter 109 108 1 107 Isolator 106 -1 1 10 100 Auswertung: RD UD A RD ID d A: Fläche der Messelektrode d: Dicke der Probe 8 von 28 Δυ/K /K Werkstoffkunde Messung erfolgt mit Teraohmmeter Tera 10 6 Messbereich 100V und RD 1012 ID U D 100V 10 10 A RD 1T 0,1 nA → Klappe zu! abgeschirmter Raum 9 von 28 Werkstoffkunde 1.5 Kriechstromfestigkeit Def.: - Widerstand der Oberfläche gegen Zersetzung bei fließenden Strömen - Halten der Spannungsfestigkeit CTI: Comparative Tracking Index CTT-Wert: Zahlenwert in V, bei dem 50 Tropfen einer Prüflösung ausgehalten werden Abschaltbedingung Imax= 0,5A, PTI: t = 2sec. Proof Tracking Index Prüflösung: 0,1% Ammonium-Chlorid-Lösung (NH4Cl) Durchführung der Prüfung Anfangsspannung 600V Reduktion jeweils um 25V, bis 50 Betropfungen ausgehalten werden U /V 600 575 ~ 300 275 ~ U CTI ~ ≈ 1 2 3 50 10 von 28 Tropfen Werkstoffkunde Abbildung 1: Spannungsquelle mit Ri ESB einer Spannungsquelle mit Innenwiderstand Ri = const. Abbildung 2: Kurzschluss Type 1 Abschaltbedingung stets bei IK= const. → RI= verändert! Abbildung 1: Kurzschluss Type 2 11 von 28 Werkstoffkunde 1.6 Polarisation und Dielektrische Verluste in der Praxis: Isolierstoff erwärmt sich im elektrischen Wechselfeld Ursache: Verlustwärme durch Reibung und ohmsche Ableitströme Reibung aufgrund von Drehen der Dipole = Polarisation Aufbau Isolator = Plattenkondensator mit Dielektrikum → Vorgänge können an einem „einfachen“ Plattenkondensator erläutert werden 1.6.1 Polarisationsart Elektronen-Verschiebungspolarisation Ionen-Verschiebungspolarisation Orientieurngspolarisation achten auf: Resonanzüberhöhung und Resonanzabsorption Relaxationsfreqeunz: - fGrenz bei Orientierunggspolarisation 9 - fGrenz,Orient. = 10 HZ T G :Glasübergangstemperatur Temperatur, bei der ein Werksstoff vom spröden Zustand beginnt weicht zu werden. 12 von 28 Werkstoffkunde 1.6.2 Wirkungsweise eines Dielektrikums Plattenkondensator mit Vakuum als Dielektrikum A Q ~ U QO CO U O U d 1 As O 0,885 10 11 Vm Merke: C ~ d dielektrische Verschiebungsdichte DO O E Ladungsdichtte Q As O O DO [ ] A m² Ladung als Quelle D dA Q z.B. elektrisches Feld einer Kugel D dA Q D 4 r² Q Q D 4 r² oder Q 1 E 4 O r² Merke: E ~ Abbildung 2: Elektrisches Feld → in der Praxis: Korona-Entladung Abbildung 3: Korona-Entladung 13 von 28 1 r² Werkstoffkunde Folge eines Dielektrikums zwischen den Platten: auf Ionen Elektronen und Dipolen werden Kräfte ausgeübt Ladungstrennung und Ausrichtung Zusätzliche Ladung fließt auf: Polarisationsladung Qp dadurch folgt relative Dielektrizitätskonstante es gilt D=..... Dielektrizitätskonstante unterschiede: Einfluß des Werkstoffs isotrop (Sonne) anisotrop (Laser) 1.6.3 Ladungen am Kondensator freie (wahre) Ladung: bewegliche über größere Strecken auf den Kondensatorplatten gebundene (Polarisations-) Ladung: verschiebbar nur über kurze Strecken innerhalb eines Atoms oder Moleküls materialgebunden Quellen auf Senken der elektrischen Polarisation χ (CHI) elektrische Polarisation Q pol A Feldübertragung D Dvak Q frei A Q pol A Merke: E frei E pol 1.6.4 Dielektrische Verlustfaktor Verluste im Dielektrikum erzeugen Wärme Prinzip der ET: Ursache wird durch ohmschen Widerstand dargestellt (Def. Effektivwert) im ESB zwei Möglichkeiten R parallel oder in Reihe zu C 14 von 28 Werkstoffkunde Was ist richtig? Zunächst: Paralleles ESB Ergebnis: tan( ) tan( ) ~ siehe Manuskript G 1 C C R 1 Serielles Ersatzschaltbild kapazitiven Spannungsanteil I UC CS UC RS ohmscher Spannungsanteil U UR I j CS I I j j 2 f CS 2 f CS 90° U R Rs I Diagramm 1: Zeigerdiagramm Fehlwinkel: Verlustfaktor: tan( ) UR 2 f C S RS UC tan( ) ~ f tan( ) 15 von 28 Werkstoffkunde Vergleich Diagramm 3: Reihe-ESB Diagramm 2: Parallel-ESB Schering Brücke Abbildung 4: Schering Brücke Verwendung in der Hochspannungstechnik, Verlustbestimmung bei Kabeln Abgleich mit R3, C4, R4 meist nur zwei Einstellung Genauigkeit für tan( ) Z 2 Z1 Z4 Z3 Abgleich für R CX CN 4 R3 16 von 28 Werkstoffkunde Zu erhöhter betriebsfrequenter Spannung nach Vertrag von Rom (1953) angleichen der Spannungen in Europa Festland in Europa Festland 220V/380V + 10% GB 240V + 10% Zeichnung 1: Anpassung der Netzspannung nach dem Vertrag von Rom +10% +10% +6% 230V/400V 220V/380V -10% bis 1993 -10% -10% ab 1994 ? 17 von 28 Werkstoffkunde 1.7 Durchschlagspannung / Durchschlagfestigkeit 1.7.1 Elektrische Durchschlagfestigkeit Beanspruchung eines Isolierstoffes erfolgt durch: 1. Spannung 2. Alterung 3. Teilentladungen (TE) 4. Wärme Merke: jede Beanspruchung über Normwerte führt zur Verkürzung der Lebensdauer Spannungsbeanspruchung durch erhöhe betriebsfrequente Spannung transiente Spannungen Blitzstoß-Spannung Schaltstoß-Spannung 1,2 / 50µs 250 / 2500µs transient: zeitlich einmaliger Vorgang Isolationszusammenbruch bedeutet: Elektrischer Durchschlag Elektrischer Überschlag 18 von 28 Werkstoffkunde 1.7.2 Arte des Durchschlags elektrischer Durchschlag Wärmedurchschlag Teilentladungs-(TE) Durchschlag a) Elektrischer Durchschlag Gas zunächst Nichtleiter aufgrund kosmischer Höhenstrahlung bilden sich freie Elektronen, Restatome positiv Aufspaltung heißt Ionisierung Merke: Ionisierungsenergie da Rekombination keine Auswirkung Spannung steigern E-Feld erhöhen Kraftwirkung steigern durch Stoßionisation werden mehr freie Ladungsträger erzeugt als durch Rekombination verloren Stoßionisation: Elektronen nehmen auf mittlerer freier Weglänge Ekin auf. Sofern EKin > Eion bildern neue Ladungsträger bei Rekombination: Abgabe der Energie in Form von Licht (Photonen) auch positive Restatome unterstützen den Vorgang b) Wärmedurchschlag maßgebend für stabile Wärmeabfuhr i a Wärmequelle; d.h. i meist nicht linear z.B. Litze PV PZu R I ² ; Wärmesenke Öberfläche PZu ~ r² Pab ~ r dies ergibt: stabiler Arbeitsbereich Kipppunkt instabiler Arbeitsbereich Kipppunkttemperatur meist unter der maximal zulässigen Temperatur des Werksstoffs 19 von 28 Werkstoffkunde c) Teilentladung Durchschlag (TE) äußere TE Koronaentladungen Verluste innere TE Hohlräume fester Isolierstoffanordnungen besitzen wegen EG G E I I hohe elektrische Feldstärke Zeichnung 2: Hohlraum PVC-Isolation Litze EG = 2·EI Er=2 Gas(Luft) EG=1 TE führt mit der Zeit zur Zerstörung der Oberfläche (Erosion) und dann zum TE-Durchschlag hohe Gefahr der Alterung 20 von 28 Werkstoffkunde 1.8 Luft- und Kriechstrecken 1.8.1 Allgemeines VDE 0110 Isolationskoordination für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen Mindestanforderungen für Luft- und Kriechstrecken zur Vermeidung von Schäden und Gefahr wichtige Definitionen: Luftstrecke Kriechstrecke Arbeitsspannung transiente Überspannung Isolatiuonskoordination Luft- und Kriechstrecken treten auf zwischen aktiven Teilen aktiven Teilen und Erde aktive Teilen und Befestigungsflächen Betriebsmittel sind der Umwelt ausgesetzt ⇒ Verschmutzungsgrad 1.8.2 Bemessung der Luftstrecken Einteilung der Beanspruchung in Überspannungskategorien berücksichtigt die voraussichtliche Beanspruchung des Betriebsmittels durch Überspannung Prüfung mit Bemessungs-Stoßspannung ≙ Blitzstoß-Spannung 1,2 / 50µs Mindestluftstrecken für die Isolationskoordination 21 von 28 Werkstoffkunde 1.8.3 Bemessung der Kriechstrecken Grundlage: Arbeitsspannung Einflussgrößen: Verschmutzung Art Formgebung Einteilung in Gruppen Mindestkriechstrecke 1.9 Elektrische Isoliersysteme Wegen hoch Wärmebeständige Kunststoffe werden bei der Konstruktion von Drosseln, Trafos, Motoren etc. immer mehr Metallteile ersetzt Belastung durch Wärme beachten gegenseitiges Beeinflussung Alterungsverhalten Aufbau eines Isoliersystems Hauptkomponenten (Ground Insulation) Nut- / Phasenisolation Lacke Nebenkomponenten (Minor Insulation) Isolier- / Klebebänder Folien Wickelbänder Anschlusslitze etc. Auswahl des Komponenten Nur Teile innerhalb eines Isoliersystems dürfen verwendet werden, da dann ein Alterungsverhalten ohne gegenseitiges Beeinflussung vorliegt Hoch wärmebeständiges Kunststoffe/Folien PBT Polybutylenterephthalat PET Polyethylenterephthalat PA-HTN Hochtemperatur- PA (Polyamid) LCP Liquid Crystel Polymers Nomex Mylar Kapton 22 von 28 Werkstoffkunde Sealed Tube Testing Aufnahme eines weiteren Materials in ein Isoliersystem Kriterium: Durchschlagfestigkeit sinkt nicht unter 50% der ausgesuchten Isoliersystems 23 von 28 Werkstoffkunde 1.10 Allgemeines zur Wärmelehre Wärmeenergie: kinetische Energie der sich ungeordnet bewegenden Atome oder Moleküle schnelle Bewegungsabläufe hohe Temperatur Voraussetzungen für die Entstehung eines Brandes: Zündtemperatur (200°C – 500°C) Zündenergie Sauerstoff Brand: Reaktion von Stoffen mit Sauerstoff Oxidationsprozess ohne Flammbildung (Kohle, Koks) Brandlast beachten (Holzkonstruktionen) Merke: Brandverhalten Entflammbarkeit Entzündbarkeit Flammschutzmittel beeinflussen den Verbrennungsvorgang durch chemische Reaktion z.B. Binden des Sauerstoffs 1.10.1 2.8.4 Flammwidrigkeitsprüfungen weltweit gültige Verfahren nach UL94 UL: Unterwriters Laberatures; Standard 94 Flammabiltiy of Plastics Kriterienn für Einstufung: Brenngeschwindigkeit Verlöschungszeit Tropfenbildung brennende Tropfen ja / nein Achtung: Brennverhalten von Dicke und ggfs. Farbpigmenten abhängig dünnste Wanddicke und Einstufung beachten 24 von 28 Werkstoffkunde Eintstufungen Prüfkörper horizontal : Prüfkörper vertikal : HB V-2 V-1 V-0 5VB 5VA 5V siehe hier zu auch www.ttc.bayermaterialscience.com RTI: Relative Temperature Index = Gebrauchstemperatur Eigenschaften bleiben über die Nutzungszeitkonstant keine Alterung Prüfen der thermischen Langzeitstabilität nicht möglich beschleunigtes Altern bei hohen Temperaturen. Alterungsverhalten wird mittels Arrhenius-Darstellung ermittelt siehe auch VDE 0304, Teil 22 etc Prüfung mit Referenzmaterial Angabe des RTI für Durchschlagsfestigkeit (dielectric strength) Zugfestigkeit (mechanical strength) Kerbschlagfestigkeit (mechanical impact) Glühdrahtprüfung: Prüfung auf Entzündbarkeit am Formteil sowie an Platten man erhält GWT : GWIT : GWFI : Glow wire temperature Glow wire ignitability Test Glow wire flammability Index 25 von 28 Werkstoffkunde 1.10.2 2.8.5 Die Yellow Card die wichtigsten Material Kenngrößen werden auf der sogenannten „Yellow Card“ zusammengefasst Es sind vorhanden: Flame Class mit minimum Thickness HWI Hot wire Ignition HAI High arc Ignition RTI relative temperature Index GWIT Glow wire ignition temperature GWFI Glow wire flammability Index CTI comparative tracking Index HVTR High Voltage arc tracking D-495: Arc Resistance BP Burning point = GWT 26 von 28 Werkstoffkunde Magnetische Werksstoffe Grundsätzlich ergeben sich die magnetischen Eigenschaften erst mit dem Zusammen wirken eines äußeren Magnetfeldes 1.11 Wiederholung der magnetischen Größen magnetische Durchflutung Θ magnetische Flussdichte H magnetische Induktion B µo : magnetische Permeabilitätskonstante µr : realative Permeabilität magnetischer Fluss Φ magnetische Polarisation J (Einheit B) Magnetisierung (Einheit H) magnetische Suszeptibilität XM frequenzabhängig, Sinrelaxation 1.12 Verhalten von Materie im Magnetfeld bekannt: fließender Strom mit Magnetfeld verknüpft Strom besteht aus Elektronen d.h. Auch sich im Atom bewegende Elektronen erzeugen Magnetfeld man nennt es magnetisches Moment, erzeugt durch einen Ringstrom Kraftwirkung M m B B mB B sin mB = Strom mal umrandeter Flächen = A I kleinstes magnetisches Bahnmoment heißt Bohr'sches Magneton : µB B 9,27 10 24 A m³ 27 von 28 Werkstoffkunde Besetzung der Elektronenplätze im Atom definiert durch Quantenzahlen Hauptquantenzahl Nebenquanten- oder Drehimpulsquantenzahl Spinquantenzahl magnetische Quantenzahl magnetische Erscheinung gehen auf drie Überlagerung von Bahn- und Spinmomenten zurück entscheidend für das magnetische Verhalten ist die Besetzung der Atomhüllen mit Elektronen Einteilung der magnetischen Werkstoffe aus dem Zusammenwirken mit einem äußeren Magnetfeld kennt man: Diagmagnetismus Paramagnetismus Ferrimagnetismus Ferromagnetismus Autiferromagnetismus im Speziellen: der Ferromagnetismus Bedingung hierfür: Stoff paramagnetisch: im Inneren freie Elektronenplätze ohne äußere Feldeinwirkung existieren keinen bereits größere Bereiche gleich sinniger Orientierung (Domänen, Weiss'sche Bezirke) 28 von 28