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The Power inThe Power inElectrical SafetyElectrical Safety
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 !
3IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
4IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
5IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung2. Das Projekt3. Historie4. Einflussfaktoren5. Umweltprüfungen6. Demonstratoren7. Auswahl der Kriechstrecken8. Auswahl der Prüfleiterplatten9. Auswahl der Verschmutzungsgrade10. Setup der Prüfung11. Ausblick
6IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
7IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
2. Einfussfaktor UmgebungsbedingungenFür die Luftstrecke insbesondere
» Luftdruck» Temperatur
Für die Kriechstrecke insbesondere» Verschmutzung» Relative Luftfeuchte» Betauung» Vibration
3. Historie
8IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Basis für L&K-StreckenIEC 60664-1:2007, DIN EN 60664-1 (VDE 0110-1):2008-01
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.
Verschmutzungsgrad 3 (VG3)
Es tritt leitfähige Verschmutzung auf oder trockene, nicht leitfähige Verschmutzung, die leitfähig wird,
da Betauung zu erwarten ist.
Verschmutzungsgrad 4 (VG4)
Es tritt eine dauernde Leitfähigkeit auf, hervorgerufen durch leitfähigen Staub, Regen oder Nässe.
3. Historie
9IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Einflussfaktoren auf die IsolationskoordinationVergleichbarkeit der Simulation
4. Einflussfaktoren
Simulation
Einflussfaktor Gut Schlecht
Spannung xLuftdruck xTemperatur xRel. Feuchte xBetauung xVibration xVerschmutzung x
10IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
11IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeu
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
12IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeu
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
13IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeu
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
14IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Verschmutzung, besonders interessante Bereiche für das Projekt IsKoNeu
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
15IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
16IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
17IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Gewählte Umweltprüfung IEC 60068-2-38
Beanspruchung mit Feuchte und Kälte Beanspruchung mit Feuchte
5. Umweltprüfungen
18IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
19IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
PrüfleiterplattenIEC 60664-3 (Anwendung von Beschichtungen, Eingießen oder Vergießen zum Schutz gegen Verschmutzung)
6. Demonstratoren
20IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
PrüfleiterplattenIEC 60664-5 (L+K Strecken für Abstände gleich oder unter 2 mm, Stehvermögen von Kriechstrecken)
6. Demonstratoren
21IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
PrüfleiterplattenIsKoNeu, 185 x 135 mm, 100 mm parallele Strukturen, verschiedene Abstände (Kriechstrecken)
6. Demonstratoren
22IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
23IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen
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
24IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1
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
25IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1 Leiterplatte 2
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
26IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
Prüfleiterplatten – gewählte Kriechstrecken – fünf Spannungen – drei LeiterplattenSpannungen Leiterplatte 1 Leiterplatte 2 Leiterplatte 3
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
27IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
PrüfleiterplattenIsKoNeu
7. Auswahl der Kriechstrecken
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
28IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
29IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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)
30IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
31IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
32IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
33IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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
34IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
11. Ausblick
Mit Sicherheit SpannungBender GmbH & Co. KG
Dipl.-Ing. Edmund Schneider
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
35IsKoNeu, Isolationkoordination in Neuen Anwendungen
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