Kriechstromfestigkeit und ihre Bedeutung

Die Kriechstromfestigkeit beschreibt den Widerstand eines Isolierstoffs gegen die Bildung von leitfähigen Pfaden auf seiner Oberfläche unter dem Einfluss von elektrischer Spannung und elektrolytischer Verunreinigung. In der Elektrotechnik ist eine hohe Kriechstromfestigkeit essenziell, um Kurzschlüsse, Brände und Geräteausfälle zu verhindern. Da Kriechströme oft durch Feuchtigkeit, Staub oder chemische Ablagerungen begünstigt werden, entscheidet die Qualität des Isolierstoffs darüber, wie kompakt elektronische Bauteile gebaut werden können, ohne die Sicherheit zu gefährden.

Der Ursprung des US-Standards

Die amerikanischen Standards zur Materialprüfung, insbesondere die UL-Normen (Underwriters Laboratories), haben ihren Ursprung in der frühen Versicherungswirtschaft des späten 19. Jahrhunderts. Um das Brandrisiko in Gebäuden durch die damals neuartige elektrische Beleuchtung zu minimieren, wurden strenge Testverfahren für die Entflammbarkeit und die elektrischen Eigenschaften von Werkstoffen entwickelt. Aus diesen Bemühungen ging unter anderem die UL 746A hervor, die bis heute grundlegende Anforderungen an die Sicherheit von Polymereigenschaften definiert. Der CTI-Wert wurde zu einer Möglichkeit, die damaligen, recht unvollkommenen Isolationswerkstoffe grob auf ihre Eignung hin zu kategorisieren. Daher auch die Begrenzung in der Prüfspannung, die heute die Anwendbarkeit des Prüfstandards einschränkt..

Die Rolle von IEC 60112 und IEC 60664

Die internationale elektrotchnische Norm IEC 60112 ist die zentrale Prüfnorm zur Bestimmung der Vergleichszahl der Kriechwegbildung (CTI – Comparative Tracking Index). Dabei wird eine Elektrolytlösung zwischen zwei Elektroden auf die Materialoberfläche getropft, um unter Niederspannung bis 600 V die Belastungsgrenze des Isolierstoffs zu ermitteln. Ergänzend dazu dient die IEC 60664 als Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen. Sie legt fest, welche Kriech- und Luftstrecken in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad und der Überspannungskategorie erforderlich sind, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Neue Herausforderungen durch Hochvolt-Anwendungen

Mit dem rasanten Ausbau der Elektromobilität, der Errichtung großflächiger Solarfelder und der Leistungsskalierung in Rechenzentren stoßen die klassischen Prüfverfahren an ihre Grenzen. Initiativen wie die ODCA (Open Direct Current Alliance) treiben die Nutzung höherer Gleichspannungen voran, um Effizienzverluste zu minimieren. In diesen Bereichen reichen die Tests nach IEC 60112 oder UL 746A nicht mehr aus, da bei Spannungen über 600 V der standardisierte Elektrodenabstand von lediglich 4 mm zu gering ist. Dieser führt bei höheren Spannungen dazu, dass Funkenüberschläge durch die Luft auftreten, bevor eine verlässliche Aussage über die Kriechstromfestigkeit des Materials getroffen werden kann.

Testmethoden für High Voltage Tracking

Um Isolierstoffe für diese anspruchsvollen Spannungsbereiche zu charakterisieren, kommen Verfahren wie die ASTM 2303 oder die IEC 60587 zum Einsatz. Die IEC 60587 nutzt das Verfahren der schrägen Ebene, bei dem eine definierte Prüfflüssigkeit über die Unterseite der Probe fließt, während Spannungen bis zu 6 kV angelegt werden. Im Vergleich dazu bietet die ASTM 2303 (Liquid-Contaminant, Inclined-Plane Tracking and Erosion) eine sehr ähnliche methodische Herangehensweise, erlaubt jedoch eine noch detailliertere Differenzierung der Erosionszeit und der Tiefe der Materialschädigung. Diese Methoden erlauben eine präzise Einstufung der Materialien innerhalb der durch die IEC 60664 gesteckten Rahmenbedingungen und stellen sicher, dass die Werkstoffe auch bei dauerhafter Hochvoltbelastung keine leitfähigen Kanäle ausbilden.

Die notwendige Erweiterung der Normgrenzen

Angesichts der technischen Entwicklung ist eine Erweiterung der normativen Grenzen in der IEC 60664 unumgänglich. Bisher deckte die Norm primär Spannungen bis 1000 V AC und 1500 V DC ab. Um für moderne Infrastrukturen und Fahrzeugarchitekturen eine rechtssichere Planungsgrundlage zu schaffen, müssen diese Grenzen auf 2000 V AC und 3000 V DC angehoben werden.

Der Stand der Normungsarbeit reflektiert diese Dringlichkeit: Mit der Veröffentlichung der IEC 60664-1:2020/AMD1:2025 wurde ein entscheidender Schritt getan, um die Isolationsanforderungen an die modernen Realitäten anzupassen. Im aktuellen Jahr 2026 ist die Implementierung dieser erweiterten Werte in nationale Standards wie die DIN EN IEC 60664-1 in vollem Gange. Zudem hat die IEC eine Ad-hoc-Gruppe (ahG) eingerichtet, die speziell die Lücke im Übergangsbereich oberhalb der klassischen Niederspannungsgrenzen schließt. Diese Arbeiten sind eng mit den Anforderungen der ODCA (DC Gridspannung bis über 800V im Störfall) verzahnt, um sicherzustellen, dass die neuen Spannungsebenen von bis zu 3000 V DC nicht nur theoretisch definiert, sondern durch validierte Prüfverfahren wie die oben genannten High-Voltage-Tracking-Tests auch unter DC-Belastung unterlegt sind. Erste Entwürfe für die ergänzten Normentexte befinden sich bereits in der finalen Abstimmungsphase, um die Lücke zwischen herkömmlicher Niederspannung und der klassischen Mittelspannung normativ zu schließen.

Typische Konstruktionswerkstoffe, die auch beim Inclined-Plate Test gut abschneiden: 

Hochleistungs-Polyamide (PA6, PA66 und PPA): Polyamide gehören zu den am häufigsten eingesetzten Werkstoffen in der Elektromobilität. Durch spezielle Additive und Halogen-freie Flammschutzpakete werden Varianten entwickelt, die selbst bei hohen Temperaturen eine exzellente Kriechstromfestigkeit aufweisen. Besonders Polyphthalamide (PPA) zeichnen sich durch eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aus, was im Vergleich zu Standard-PA66 zu einer deutlich stabileren Isolationsleistung bei wechselnden klimatischen Bedingungen führt. Diese Werkstoffe erreichen in HV-Tracking-Tests oft Spitzenwerte und sind prädestiniert für Steckverbinder und Gehäusebauteile in 800-Volt-Systemen und darüber hinaus. (Mitsui Chemicals, Evonik)

Polybutylenterephthalat (PBT) und PET-Blends: Polyester wie PBT sind für ihre hervorragenden elektrischen Isoliereigenschaften und ihre hohe Dimensionsstabilität bekannt. In der Solarindustrie und bei DC-Ladeinfrastrukturen werden modifizierte PBT-Varianten eingesetzt, die eine sehr hohe Beständigkeit gegen Bewitterung und UV-Strahlung mit einer hohen Kriechstromfestigkeit kombinieren. Da PBT kaum Wasser absorbiert, bleibt der Oberflächenwiderstand auch in feuchten Umgebungen konstant hoch, was das Risiko für "Tracking" bei Spannungen >>600V minimiert. Auch PCT (Polycyclohexylendimethylenterephthalat) kann für Hochvoltanwendungen entsprechend modifiziert werden, so dass man hochleistungsfähige Werkstoffe erhält (Celanese, Eastman, SK Chemicals).

PPS (Polyphenylensulfid) Compounds für extreme Anforderungen: Wenn zusätzlich zur elektrischen Spannung thermische Belastungen auftreten – etwa in der Nähe von Leistungshalbleitern in Frequenzumrichtern – ist PPS der Werkstoff der Wahl. PPS ist inhärent flammwidrig und zeigt, in geeigneter Weise funktionalisiert (Thoray, Syensqo, Celanese), auch bei Temperaturen weit über 150 °C kaum eine Neigung zur Ausbildung leitfähiger Kohlenstoffpfade. In Tests nach ASTM 2303 weisen hochwertige PPS-Compounds eine extrem geringe Erosionstiefe auf, was sie für die eng tolerierten Bauteile der ODCA-Spezifikationen qualifiziert (Toray, Celanese, Syensqo).

Duroplaste und SMC (Sheet Molding Compounds): In großflächigen Anwendungen, wie sie in Solarfeldern oder zentralen Stromverteilern vorkommen, werden häufig glasfaserverstärkte Duroplaste (UP oder VE Harze) eingesetzt. Diese Materialien schmelzen im Fehlerfall nicht, sondern verkohlen lediglich sehr langsam. Spezielle "Track-Resistant"-Formulierungen (meist durch Zugabe von anorganischen Mineralien, Glasfasern, Phosphinate, ATH, MDH) sorgen dafür, dass selbst bei massiver Oberflächenverschmutzung kein durchgehender Kriechweg entsteht. Diese Werkstoffe bilden oft das Rückgrat für die mechanische Halterung von Stromschienen in Systeme.

Folien für CTI > 600 und hohe Temperaturbeständigkeit

Der bei vielen Hochleistungspolymeren notwendige Zuschlag von mineralischen Komponenten zur Erreichung höherer Kriechstromfestigkeit gelingt bei sehr dünnen Folien nur schwer. Daher gibt es derzeit kaum ein Angebot an Folien, die einerseits für Dauergebrauchstemperatur bis 150°C eingesetzt werden können und dabei gleichzeitig durch einen hervorragenden CTI-Wert glänzen. Meist sind es Kombinationen aus Fluorpolymeren (gute Meßwerte bei CTI-Test) und Isolationswerkstoffen (hohe Spannungsfestigkeit) oder Laminate.

@ Gerald Friederici 02/2026