Kriechstromfestigkeit polymerer Isolierstoffe – warum bestehende Prüfnormen an ihre Grenzen stoßen
Die rasante Elektrifizierung von Fahrzeugen und Luftfahrzeugen stellt Isoliersysteme vor Anforderungen, die aktuelle Testmethoden von IEC, DKE/VDE, ASTM und UL nur unvollständig abdecken.
AUSGANGSLAGE
Die Elektromobilität verändert die Anforderungen an polymere Isolierstoffe grundlegend. Batterieelektrische Fahrzeuge arbeiten heute mit Busspannungen von 800 V DC und zunehmend 1000 V DC, während elektrische Antriebe in der Luftfahrt Spannungen bis zu 20 kV erfordern könnten. Gleichzeitig treiben Wechselrichter mit Schaltfrequenzen von bis zu 20 kHz und hohen dv/dt-Werten die Belastung der Isoliersysteme in bisher unbekannte Bereiche.
Hinzu kommen Betriebsumgebungen, die frühere Normenentwickler kaum im Blick hatten: Unterdruckbereiche in Flugzeugzellen, Kondensatbildung, chemische Kontaminanten und ein weiter Temperaturbereich. In diesem Kontext gewinnt die Kriechstromfestigkeit – also die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegen die Bildung leitfähiger Kohlenstoffpfade – eine sicherheitskritische Bedeutung, die in den bestehenden Normen unzureichend abgebildet ist.
DER COMPARATIVE TRACKING INDEX UND SEINE GRENZEN
Der Comparative Tracking Index (CTI) nach IEC 60112 bzw. ASTM D3638 gilt als das zentrale Bewertungsmaß für die Kriechstrombeständigkeit polymerer Isolierstoffe. Er beschreibt die maximale Spannung in Volt, bei der fünf Probekörper unter definierten Bedingungen keinen Kriechstromausfall zeigen – und bildet damit die Grundlage für die Auslegung von Kriechstrecken nach IEC 60664-1 sowie für Materialgruppierungen nach IEC 60601-1.
Das grundlegende Problem: Die CTI-Prüfung ist auf maximal 600 V AC bei Netzfrequenz (50/60 Hz) limitiert – während reale Anwendungen in der E-Mobilität bereits heute darüber hinausgehen. Die Norm beschreibt Prüfbedingungen, die für stationäre Niederspannungsanwendungen der 1990er Jahre entwickelt wurden, nicht für die Hochvoltarchitekturen moderner Elektrofahrzeuge oder zukünftiger elektrischer Triebwerke.
Hinzu kommt eine hohe Streuung der Messergebnisse. Selbst Proben aus demselben Werkstoffblatt, geprüft im selben Labor, können je nach Prüfgerät und Umgebungsbedingungen erheblich abweichende CTI-Werte liefern. Dies untergräbt die Verlässlichkeit von Materialvergleichen und erschwert die normkonforme Auslegung von Kriechstrecken erheblich.
IDENTIFIZIERTER FORSCHUNGS- UND NORMUNGSBEDARF
Die Analyse des aktuellen Stands von Wissenschaft, Industrie und Normung zeigt mehrere dringende Handlungsfelder:
1 · Spannungsbereich erweitern: CTI-Prüfverfahren müssen auf Spannungen weit über 600 V AC ausgeweitet werden. Neue Prüfkonzepte für 800 V und 1000 V DC sind dringend erforderlich, um die Realanforderungen moderner Antriebssysteme abzubilden.
2 · DC-Prüfmethoden standardisieren: Bestehende Normen (IEC 60587, ASTM D2303) sind ausschließlich für AC ausgelegt. Für DC-Anwendungen fehlen international abgestimmte Prüfverfahren nahezu vollständig. Forscher adaptieren derzeit AC-Methoden ad hoc für DC, was zu Inkonsistenzen führt.
3 · Unterdruck und Höhenbetrieb berücksichtigen: Bei niedrigem Luftdruck (z. B. ~20 kPa in Reiseflughöhe) nimmt die dielektrische Festigkeit der Luft stark ab. Die mittlere freie Weglänge der Elektronen steigt, wodurch Entladungen intensiver werden. Aktuelle Normen berücksichtigen diesen Parameter nicht ansatzweise.
4 · Frequenz und Schaltbetrieb einbeziehen: Prüfnormen für die Luftfahrt nutzen 400 Hz; moderne Inverter schalten teils bei über 20 kHz. Kombinationseffekte aus Hochfrequenz und erhöhter Spannung sind experimentell belegt, aber nicht normativ abgedeckt.
5 · Polaritätsabhängigkeit bei DC: Positive und negative DC-Polarität erzeugen unterschiedliche Schädigungsbilder an Isolieroberflächen. Künftige Normen müssen diese Asymmetrie explizit berücksichtigen und getrennte Prüfbedingungen für beide Polaritäten definieren.
6 · Elektrodenmaterial und Reproduzierbarkeit: Platin, Edelstahl oder Kupfer liefern in CTI-Tests unterschiedliche Ergebnisse. Da in realen Anwendungen verschiedene Materialien eingesetzt werden, sind praxisnahe Leitlinien für die Wahl des Elektrodenmaterials dringend notwendig.
AUSWIRKUNGEN AUF NORMUNG UND PRAXIS
Die beschriebenen Lücken haben unmittelbare Konsequenzen für die Praxis. Ingenieure, die Kriechstrecken nach IEC 60664-1 oder UL 508A auslegen, stützen sich auf CTI-Werte (IEC 60112 oder UL 746A), die unter Bedingungen ermittelt wurden, die mit der Realanwendung wenig gemein haben. Das Ergebnis sind entweder konservativ überdimensionierte Isoliersysteme, die dem Leichtbau und der Bauraumoptimierung entgegenwirken, oder nicht validierte Sicherheitsannahmen.
Für die Luftfahrt ist die Situation besonders kritisch. Die DIN EN 3475-603 bewertet Lichtbogenverschleppung an Luftfahrtkabeln unter Netzspannungsbedingungen (115 V / 400 Hz), erfasst aber weder die niedrigen Luftdrücke in unbedruckten Zonen noch die Hochvoltarchitekturen zukünftiger More-Electric-Aircraft-Konzepte. Hier besteht erheblicher Handlungsbedarf im Rahmen der Normungsarbeit bei DKE, CENELEC und IEC TC 112.
Besonders dringlich ist die Entwicklung von Prüfverfahren für den kombinierten Einfluss von Luftdichte, Temperatur und Frequenz auf die Kriechstromfestigkeit. Dieser Kombinationseffekt – in realen Systemen alltäglich – ist in keiner aktuellen Norm abgebildet.
MATERIALENTWICKLUNG UND NEUE PRÜFKONZEPTE
Parallel zur Normenanpassung braucht es neue Materialien. Aromatische Polymere, Polyimid-Siliziumdioxid-Hybridnanokomposite und ATH-gefüllte Silikone zeigen vielversprechende Eigenschaften für den Einsatz unter erhöhten elektrischen und thermischen Belastungen. Dennoch fehlen validierte Prüfmethoden, um diese Materialien systemisch und vergleichbar zu bewerten.
Die Industrie steht vor der Herausforderung, dünner werdende Isolierschichten – notwendig zur Gewichtsreduktion – mit verbesserter Kriechstrombeständigkeit zu kombinieren. Dies setzt voraus, dass Prüfnormen nicht nur die Spannungs- und Frequenzgrenzen anpassen, sondern auch Prüfgeometrien und Kontaminantenszenarien auf reale Betriebsbedingungen abstimmen.
In der Normung ist man bereits an der Arbeit
Die bestehenden Prüfnormen für Kriechstromfestigkeit polymerer Isolierstoffe wurden für eine Ära entwickelt, die technologisch hinter uns liegt. Internationalen Normungsgremien haben den dringenden Handlungsbedarf zur Überarbeitung und Erweiterung bestehender Prüfstandards bereits erkannt. In einem synergetischen Prozess arbeiten Forschungs- und Hochschulinstitute eng mit den Standardisierungskommissionen (IEC, CIGRE, IEEE, ISO, UL, JISC etc.) zusammen, um bestehende Mess- und Prüfverfahren zu optimieren. Zusammen mit Materialforschung und den Weiterentwicklungen in der Industrie kann so, selbst bei weiter steigenden Belastungen für Elektroisolierwerkstoffe, die Sicherheit und Zuverlässigkeit zukünftiger Antriebssysteme auf einer validierten Grundlage gewährleistet werden.
(04/2026)