Teil 1: Grundlagen der Messung elektrischer Materialkenngrößen – Normvorgaben und Relevanz

Einleitung

Ob in der Elektrotechnik, im Automobilbau oder in der Medizintechnik – überall dort, wo elektrische Bauteile im Einsatz sind, spielt die Zuverlässigkeit der Isolationsmaterialien eine zentrale Rolle. Versagt die Isolation, drohen Funktionsstörungen, Geräteausfälle oder im schlimmsten Fall sicherheitskritische Zwischenfälle. Um dies zu verhindern, müssen die elektrischen Eigenschaften von Isolationsstoffen präzise geprüft werden.

Damit diese Prüfungen nicht von Labor zu Labor unterschiedlich ablaufen, gibt es internationale Normen. Die wichtigsten sind die DIN EN IEC 62631, ASTM D257:2014, DIN EN 60243-1,-2,-3 (VDE 0303-21,-22,-23)und DIN IEC 60093, in denen die Verfahren, Messgrößen und Prüfbedingungen für feste Isolierstoffe verbindlich beschrieben werden. Dieser Blog wird aus Übersichtlichkeitsgründen die DIN EN IEC 62631 behandeln. Die o.g. Normen sind in einigen Bereichen jedoch deckungsgleich, sodass die in den folgenden Beiträgen diskutierten Inhalte auch dort Anwendung finden.

Die DIN EN IEC 62631 stellt sicher, dass Messergebnisse vergleichbar und für die Zulassung und Qualifikation neuer Isolierstoffe belastbar sind. In diesem ersten Beitrag unserer Blogreihe werfen wir einen Blick auf die Norm und erläutern, warum die darin beschriebenen Messgrößen für die Praxis so entscheidend sind.

Im Rahmen dieser Blogserie beschränken wir uns vorerst auf feste Isolierstoffe, wobei viele Anforderungen und Prinzipien auch auf flüssige oder gasförmige Isolierstoffe zutreffen.

Die DIN EN IEC 62631 – Überblick über die Norm

Die „DIN EN IEC 62631:2012-03 – Dielektrische und resistive Eigenschaften fester Elektroisolierstoffe“ bildet den normativen Rahmen für die Prüfung elektrischer Kenngrößen fester Isolierstoffe. Sie ist in verschiedene Teile gegliedert, die jeweils spezifische Größen behandeln:

• Teil 1: Grundlagen (IEC 62631-1:2011)
• Teil 2: Relative Permittivität und Verlustfaktor
  • Teil 2-1: Relative Permittivität und Verlustfaktor – Technische Frequenzen (0,1 Hz bis 10 MHz) – Wechselspannungsverfahren (IEC 62631-2-1:2018)
  • Teil 2-2: Relative Permittivität und Verlustfaktor – Hohe Frequenzen (1 MHz bis 300 MHz) – Wechselspannungsverfahren (IEC 62631-2-2:2022)
• Teil 3: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren)
  • Teil 3-1: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren) – Durchgangswiderstand und spezifischer Durchgangswiderstand – Basisverfahren (IEC 62631-3-1:2023)
  • Teil 3-2: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren) – Ober-flächenwiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand (IEC 62631-3-2:2023)
  • Teil 3-3: Bestimmung resistiver Eigenschaften (Gleichspannungsverfahren) – Isolationswiderstand (IEC 62631-3-3:2015)
• Teil 4: Spezielle Verfahren (nicht Teil der Blogserie)

Alle Teile der Norm geben nicht nur die Messverfahren vor, sondern auch alle Randbedingungen, wie z. B. Prüfaufbau, Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder die Höhe der Prüfspannung. Damit wird sichergestellt, dass Messergebnisse auch dann vergleichbar sind, wenn sie an unterschiedlichen Orten und mit unterschiedlichen Geräten erhoben wurden.

Praxisrelevanz:

• In der Energietechnik dienen die Normmessungen zur Auswahl von Isolierstoffen für Transformatoren und Schaltanlagen.
• In der Automobilindustrie werden Kabelbäume und Steckverbindungen nur dann freigegeben, wenn ihre Isolationsmaterialien die normgerechten Anforderungen erfüllen.
• In der Medizintechnik sind zuverlässige Isolationswerte essenziell, um Patient:innen vor elektrischen Gefahren zu schützen.

Die relevanten Messgrößen im Überblick

Die DIN EN IEC 62631 fokussiert sich auf jene Materialkenngrößen, die entscheidend für das elektrische Verhalten von festen Isolierstoffen sind. In späteren Beiträgen dieser Reihe gehen wir im Detail auf einzelne Messungen ein. Hier folgt ein Überblick:

Durchgangswiderstand (Volume Resistance)

• Maß für den Widerstand senkrecht durch das Material.
• Wichtig für Anwendungen von Isolierstoffen, da diese die Aufgabe haben zwei elektrische Potentiale voneinander zu trennen, sodass kein (oder nur ein minimaler) Strom durch das Material fließt

Oberflächenwiderstand (Surface Resistance)

• Maß für den Widerstand entlang der Materialoberfläche.
• Relevant für die Beurteilung von Kriechströmen, Oberflächenbearbeitung und Verschmutzungsempfindlichkeit.

Kapazität & relative Permittivität

• Beschreibt die Fähigkeit des Materials, elektrische Energie zu speichern.
• Zentrale Größe für Kondensatoren, Hochfrequenzanwendungen und zur Isolationskoordination.

Verlustfaktor (Tangens Delta)

• Maß für die Energieverluste, die in einem Dielektrikum bei Wechselstrom auftreten.
• Aussagekräftig für die Bewertung der Effizienz und thermischen Belastung von Materialien.

I/U-Kennlinie

• Zeigt das Verhalten des Materials bei steigender Spannung.
• Dient zur Bestimmung der Durchbruchspannung und zum Erkennen nichtlinearer Effekte.

Relevanz für die Industrie

Die genannten Prüfgrößen sind nicht nur technische Details, sondern bilden die Grundlage für Produktsicherheit und Wirtschaftlichkeit:

• Sicherheit: Nur geprüfte Materialien verhindern gefährliche Spannungsüberschläge.
• Zuverlässigkeit: Hohe Durchgangs- und Oberflächenwiderstände verlängern die Lebensdauer elektrischer Systeme.
• Kosten: Ein Material mit ungünstigem Verlustfaktor kann sich im Betrieb stärker erwärmen, was Folgekosten durch Kühlung oder Ausfälle verursacht.

Kurz gesagt: Die Norm stellt sicher, dass nur Materialien eingesetzt werden, die unter praxisnahen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Sie ist damit ein unverzichtbares Werkzeug für jede Branche, die mit elektrischen Systemen arbeitet.

Schauen Sie sich unser Prüf- und Dienstleistungsangebot an und erfahren Sie, welche Messungen Sie schon heute bei uns beauftragen können. Wir unterstützen Sie dabei, den optimalen Isolierstoff für Ihre Anwendung zu finden.

Ausblick auf die nächsten Beiträge

Im nächsten Teil der Blogreihe befassen wir uns mit den Messungen des Widerstandes und der U/I-Kennlinie. Wir zeigen, welche Normen hier greifen, wie die Messungen im Detail durchgeführt werden und weshalb gerade diese Kenngrößen so wichtig für die Praxis sind. Diese Blogserie soll dazu dienen neben einer Übersicht über die Materialprüfungen die Probleme in der gängigen Praxis zu erörtern. Im weiteren Verlauf der Serie werden wir Vorschläge zur Optimierung der aktuellen Prüfmethodik präsentieren.

Fazit

Die DIN EN IEC 62631 definiert die grundlegenden Verfahren zur Bestimmung elektrischer Materialkenngrößen. Ihre Einhaltung sorgt für Sicherheit, Vergleichbarkeit und Verlässlichkeit in unterschiedlichsten Branchen. Erst auf dieser Basis lassen sich Fragen zur Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Messmethoden – und insbesondere zur Schutzringelektrode – sinnvoll diskutieren.