Partial Discharge in Laminated Busbars: Causes, Testing & Design

Teilentladung (TE) wird in IEC 60270, Abschnitt 3.1, definiert als eine lokalisierte elektrische Entladung, die die Isolation zwischen Leitern nur teilweise überbrückt. In der Praxis erscheint sie als kurze Pulse, typisch kürzer als eine Mikrosekunde, verursacht durch lokale Feld-Spannungs-Konzentrationen in der Isolation oder auf ihrer Oberfläche.

Für sich genommen beschädigt eine intermittierende Entladung sofort nichts. Das Problem ist kumulativ: andauernde Teilentladung über etwa 10 pC höhlt die Isolation mit der Zeit aus, und der Endpunkt ist ein allmählicher Verlust der dielektrischen Festigkeit, der im Dienst in einen Kurzschluss münden kann. Deshalb wird TE als Konstruktionsziel und Produktionsprüfung behandelt, nicht als optionale Messung.

Drei Dinge machen TE schwer fassbar. Sie ist unsichtbar: die Entladungen selbst dauern unter einer Mikrosekunde, also kann man sie an einem unter Spannung stehenden Teil nicht sehen, hören oder fühlen. Sie ist langsam: zwischen der ersten Mikro-Entladung und einer messbaren Degradation vergehen Monate oder Jahre. Und sie ist kumulativ: jedes Teilereignis ätzt einen kleinen weiteren verkohlten Kanal in die Isolation, bis ein Tracking-Pfad die Lagen überbrückt. Die einzige praktische Antwort ist die Messung im Rahmen der Produktionsprüfung, plus eine Stapel-Konstruktion, die der Entladung erst gar keine Starttasche gibt.

Die Definition ist operativ wichtig. Weil ein TE-Puls die Isolation teilweise überbrückt statt sie vollständig zu durchschlagen, erkennt ein Hipot- oder Spannungsfestigkeits-Test ihn nicht: ein Teil kann einen 2,5-kV-Spanungsfest-Test sauber bestehen und dennoch bei 1,2 kV unter der Sonde entladen. Die TE-Messung ist ein separates Messgerät, abgestimmt auf das Puls-Band nach IEC 60270, und das Ergebnis ist ein Ladungspegel in Picocoulomb (pC), keine Bestehen-/Nichtbestehen-Spannung. Für Leistungselektronik-Ingenieure lautet die praktische Frage nicht, ob eine Sammelschiene entladen kann, sondern wo im Stapel eine Entladung beginnen würde. Wenn Sie mit der laminierten Bauweise insgesamt neu beginnen, starten Sie mit unserer Entwicklungsanleitung für laminierte Sammelschienensysteme.

Flexible Folien- und starre Platten-Isolation reagieren sehr empfindlich auf Lücken an ihren Grenzflächen, sei es zwischen zwei Isolationslagen oder zwischen der Isolation und dem Leiter. Diese Lücken füllen sich mit Luft. Luft ist das schwächste Glied im dielektrischen System, und ihre dielektrische Festigkeit hängt vom Druck ab, der wiederum von der Höhe abhängt. Jede eingeschlossene Blase ist eine Kandidaten-Entladungsstelle.

Wo genau sitzen die Taschen? Typisch an drei Orten: zwischen zwei Dielektrikums-Filmen, wo der Laminations-Druck die Klebstoffschicht nicht vollständig benetzt hat; an der Grenzfläche zwischen Film und geschnittener Leiterkante, wo sich der Film um ein gestanztes Profil legen muss; und um Durchgangsbohrungen und Anschluss-Fenster herum, wo die Geometrie den Film zum Biegen und Strecken zwingt. Die Produktions-Steuerung zielt auf alle drei: saubere Material-Vorbereitung, kontrollierte Laminationstemperatur und -druck, und eine Kantendichtung, die die geschnittenen Dielektrikums-Kanten verschließt.

Die Spannungsklasse setzt, wie ernst Sie dies nehmen, und die Aufteilung zwischen Automobil und Industrie entscheidet, ob Sie überhaupt eine starre Zwischenlagen-Platte brauchen:

Die fertungsseitige Steuerung zählt ebenso viel wie die Geometrie. Saubere Leiter-Vorbereitung vor dem Auflegen, kontrollierte Klebstoff-Aktivierung unter Druck, und ein Laminier-Rezept, das die Dielektrikums-Dicke innerhalb der Toleranz hält, sind es, die eine gute Zeichnung in Teile verwandeln, die alle bestehen. Ein Stapel, der für null Luftlücken entworfen ist, muss auch mit null Luftlücken gebaut werden; deshalb kennzeichnet unser Sammelschien-DFM-Review-Service die Geometrien, an denen Blasen-Einschluss am wahrscheinlichsten ist, bevor das Werkzeug geschnitten wird. Diese Aufteilung treibt viele Produkt-Entscheidungen: unsere leistungselektronischen laminierten Sammelschienensysteme für Hochspannungs-Umrichter verwenden starre Zwischenlagen-Isolation plus versiegelte Flexible Folie, während niederspannungs-Teile sich auf die Folie allein verlassen. In welcher Klasse Sie auch konstruieren, die Regel ist dieselbe: beseitigen Sie Luftlücken, denn jede im Stapel verbliebene Lücke ist ein Ort, wo TE beginnen kann.

Die Ingenieur-Praxis für laminierte Sammelschienensysteme ist einfach: verifizieren Sie die Teilentladung an jedem fertigen Teil und halten Sie sie unter 10 pC, auch bei Prüfspannungen, die über der Nenn-Betriebsspannung liegen. Für niederspannungs-Automobil-Sammelschienensysteme beträgt die maximale Prüfspannung typisch 2,5 kV AC oder 3,7 kV DC, gemessen deutlich über allem, was das Teil jemals im Fahrzeug sehen wird; ein sauberes Ergebnis gibt Ihnen also Marge über den gesamten Lebenszyklus.

Wie sieht eine Produktions-TE-Prüfung tatsächlich aus? Die Sammelschiene steht auf dem Prüfplatz, die Prüfspannung wird gleichmäßig auf den vereinbarten Pegel erhöht, und die Messschaltung liest den scheinbaren Ladungspegel jedes Entladungs-Pulses. Ein sauberes Ergebnis ist keine einzelne Zahl einmal, sondern ein stabiler Messwert unterhalb der Annahme-Schwelle, gehalten über die gesamte Prüfdauer, ohne wachsende Pulszüge, die beginnendes Tracking anzeigen würden. Wir führen die Prüfung auch bei Spannungen über Nenn durch, weil eine Marge, die bei Betriebsspannung komfortabel aussieht, schnell verschwindet, wenn die Isolation altert.

Warum die Zahl 10 pC? Eine intermittierende Entladung unterhalb der Schwelle ist über die Dienstlebensdauer im Wesentlichen unschädlich; eine andauernde Entladung darüber beschleunigt die Erosion mit messbarer Rate. Der Pegel 10 pC ist die Grenze, auf die sich die Branche zwischen unschädlich und schädlich geeinigt hat, und das Prüfen deutlich über Betriebsspannung ist die Art, wie Sie Marge gegen die Fehler nachweisen, die ein Teil über Jahrzehnte ansammelt: Mikro-Lunker aus Laminations-Verschleiß, Dichtungen, die in Feuchte altern, und Kriechpfade, die sich auf der Oberfläche bilden.

Auf unserer Fertigungslinie besteht jedes Los die hainterne QK: Hipot, Isolationswiderstand, Maßprüfungen, Sichtprüfung und Durchgang, wobei die Teilentladung als Teil der Hochspannungs-Prüfung verifiziert wird. Los-Prüfprotokolle werden geführt, und Konformitätserklärungen sowie PPAP-artige Dokumentation sind auf Anfrage verfügbar. Mehr über diesen Prozess lesen Sie in unserem hauseigenen Prüfverfahren für laminierte Sammelschienensysteme.

Die Sammelschiene muss gegen das kritische elektrische Feld entworfen werden, das Spannung geteilt durch den Abstand ist. Die Faustregel, nach der wir arbeiten, ist grob 1 mm starre Isolation je kV zwischen Leiter-Baugruppen, mit typischen Dicken des starren Isolators von 1 mm bis 6 mm, üblicherweise eine glasfaserverstärkte Polyester-Platte.

Rechenbeispiel: eine 3000-V-DC-Traktionsversorgung hat eine maximale Betriebsspannung von rund 4800 V, was auf einen 5 mm dicken starren Isolator zwischen den Leitern verweist. Je höher die maximale Betriebsspannung, desto dicker die starre Isolation zwischen den Lagen.

• Beseitigen Sie Luftlücken im Laminations-Stapel; keine eingeschlossenen Blasen zwischen Folie und Leiter.
• Die Flexible Folie muss Leiterkanten und Durchgangsbohrungen vollständig versiegeln, und die Dichtung muss unter den extremsten atmosphärischen Bedingungen halten, denen Sie begegnen werden.
• Verwenden Sie eine Folie mit gutem CTI, wie Standard-PET, wenn die Kriechstrecke zählt; ein Material mit schlechtem Vergleichs-Kriechwegbild kann die erforderliche Kriechstrecke grob verdoppeln.
• Behandeln Sie über 1000 V Kriech- und Luftstrecke als Co-Design mit dem TE-Ziel; sie sind nicht unabhängig.

Zwei Material-Details beherrschen das Ergebnis still und leise. Erstens, CTI: der Vergleichs-Kriechwegbild-Index der Folie entscheidet, wie viel Kriechstrecke Sie zwischen freien Anschlüssen brauchen. Mit einem gutem-CTI-Material wie Standard-PET gegenüber einem schlechtem-CTI-Material wie Polyimid verdoppelt sich die erforderliche Kriechstrecke typisch, und CTI wird jenseits 1000 V zu einem kritischen Parameter. Polyimid ist trotz seiner hohen Temperatur-Bemessung aus diesem Grund insgesamt nur unterhalb von etwa 600 V geeignet. Zweitens, die Kantendichtung: eine Dichtung, die sich bei Höhe oder Feuchte öffnet, ist eine sofortige Lufttasche.

Die Dielektrikums-Wahl (PET-, Nomex- oder Epoxid-Filme) setzt auch die Temperaturklasse der Baugruppe; siehe unsere Anleitung zur Dielektrikums-Auswahl für laminierte Sammelschienensysteme. Beachten Sie die Spannung zur induktivitätsarmen Sammelschien-Entwicklung: dünnere Zwischenlagen-Isolation verbessert die Induktivität, verschlechtert aber die TE-Marge. Jede Hochspannungs-Sammelschiene, die wir freigeben, ist eine ausgehandelte Balance zwischen beiden.

Lufttaschen sind auf Meereshöhe schon schlimm genug; mit der Höhe werden sie schlimmer. Die Durchbruchsspannung eines Gases folgt dem Paschen-Gesetz, das heißt, sie ist eine Funktion des Produkts aus Druck und Elektroden-Abstand, p·d. Für Luft beträgt die Durchbruchsfestigkeit etwa 3,1 kV/mm bei Meereshöhen-Druck, fallend auf grob 2,0 kV/mm bei 0,5 bar, rund 5500 m Höhe, und noch niedriger weiter oben.

Zwei Konsequenzen folgen. Erstens, wenn eine transient-Spannung an der Anlage die Luftdurchbruchsspannung bei Betriebshöhe übersteigt, kommt es zu einem Überschlag, solange Kriech- und Luftstrecken-Abstände nicht eingehalten werden. Dies muss in der Konstruktions-Phase kompensiert werden, nicht bei der Installation. Zweitens müssen Prototypen und Serien-Teile mit einer korrigierten Prüfspannung elektrisch geprüft werden, die die Höhe berücksichtigt, sonst gibt die Prüfung Ihnen falsche Sicherheit.

Die Konstruktions-Antwort hat drei Teile. Halten Sie Kriech- und Luftstrecken-Abstände ein, bemessen für den niedrigsten Druck, dem Sie jemals begegnen werden, nicht die Ausstellungsraum-Höhe. Prüfen Sie Prototypen und Serien-Teile bei einer korrigierten Prüfspannung, die die verringerte dielektrische Festigkeit berücksichtigt, damit Ihr Typtest mit der Realität auf dem Berg übereinstimmt. Und deraten Sie den Strom, denn dünne Luft kühlt schlechter und isoliert schlechter; Bauteile werden typisch über 2000 m in beiden Punkten herabgesetzt. Wenn Ihre Anlage auf einem Berggipfel-Solarpark lebt oder in Traktionsumrichtern mit drucklosen Einbauorten, nennen Sie uns die Höhe im Angebotsantrag. Für netzgekoppelte Umrichter, die sich Richtung 1600 VDC bewegen, siehe unsere Seite zu Solar- und Windwechselrichter-Sammelschienensystemen.

Eine TE-gesteuerte Sammelschiene wird gegen den Worst Case entworfen, nicht gegen die Nennspannung. Schicken Sie uns Folgendes, und wir bemessen Isolation, Dichtungs-Design und Prüfplan mit Ihnen, bevor ein Werkzeug geschnitten wird:

• Nenn- und maximale Betriebsspannung, plus erwartete transiente Überspannungen.
• Betriebshöhe und Worst-Case-Druckverhältnisse.
• Erforderliche TE-Annahmepegel und Prüfspannung, zum Beispiel unter 10 pC bei 2,5 kV AC.
• Verschmutzungsgrad und Feuchteklasse der Umgebung.
• Erwartete Dienstlebensdauer, die die Derating-Marge bestimmt, die Sie wünschen.

Noch ein praktischer Hinweis: wenn Ihr System über etwa 1000 V läuft, behandeln Sie die TE-Konstruktion früh als gemeinsame Übung. Kriechstrecken zu ändern oder einen starren Isolator hinzuzufügen, nachdem das mechanische Layout eingefroren ist, bedeutet das Neuschneiden von Werkzeugen; es in der DFM-Phase anzuheben kostet nichts. Die resultierende Abwehr hat drei Schichten, und sie stapeln sich: konstruieren Sie das kritische Feld mit starrer Isolations-Dicke herunter; wählen Sie Materialien, eine gut-CTI-Folie und versiegelte Kanten, die der Entladung eine Starttasche verweigern; und weisen Sie an jedem Los nach, dass die gemessene TE unterhalb der Grenze bleibt. Überspringen Sie eine Schicht, tragen die anderen das gesamte Risiko allein.

Die Temperatur hängt direkt damit zusammen: beanspruchte Isolation altert schneller, wenn sie heiß läuft, und unsere Anleitung zum Sammelschien-Wärmemanagement deckt die Lebensdauer-Mathematik ab, einschließlich des Nennleistungs-Deratings für Höhe und Gehäuse. Das deckt den gesamten Bogen ab: Mechanismus, Kriterium, Prüfung, Konstruktion, Höhe und die Eingangsdaten, die wir brauchen. Wenn oben etwas eine Frage zu Ihrem Stapel aufwirft, heben Sie es beim DFM an, nicht nach dem ersten Muster. Wenn Sie bereit sind, schicken Sie uns die Zeichnung über unseren Ingenieur-Kontakt zum DFM-Review; wir antworten innerhalb eines Werktags.