Eine Teilentladungsprüfung an einer lamellierten Stromschiene endet meist als eine Zahl im Prüfzertifikat: 8 pC, 10 pC, 12 pC. Diese Zahl ist weder die Ladung im Inneren eines Lufteinschlusses noch eine Eigenschaft der Stromschiene allein. IEC 60270 legt fest, wie die Zahl erzeugt, kalibriert und gemeldet wird, damit zwei Labore dasselbe Bauteil überhaupt vergleichen können. Diese Seite geht durch die Messung, die Fallstricke im Stromschienenaufbau und die Bestandteile, die ein glaubwürdiger Bericht enthalten muss.
Bricht ein Dielektrik-Folienstapel an einem Lufteinschluss in der Isolierung lokal durch, bewegt sich eine Ladung im Bereich von Pikocoulomb bis Nanocoulomb, die nur einige zehn Nanosekunden anhält. Mit bloßem Auge ist sie nicht zu erkennen. Was das Messgerät wahrnimmt, ist der Stromimpuls, den dieser lokale Durchbruch durch die eigene Kapazität des Prüflings treibt; das Integral dieses Stroms ist der Wert, der aufgezeichnet wird. IEC 60270 nennt diese Größe scheinbare Ladung genau aus diesem Grund: Es ist die Ladung, die man an den Klemmen einprägen müsste, um dieselbe Impulshöhe am Messgerät zu reproduzieren.
Zwei Folgerungen ergeben sich daraus, und sie erklären den Großteil der Streitgespräche zwischen Lieferant und Kunde.
Erstens skaliert der Messwert mit dem Prüfling. Eine 3 m lange dreilagige Stromschiene kann zwischen Leiter und Erde eine Kapazität von 1,5–4 nF aufweisen, ein 80 mm großer Prüfkörper hingegen nur einen Bruchteil davon. Speist man in beide dieselbe Aktivität eines Lufteinschlusses ein, zeigt das größere Bauteil an den Klemmen eine größere scheinbare Ladung an, weil der Messimpedanz mehr Impulsstrom zur Verfügung steht. Vergleiche über verschiedene Geometrien hinweg sind daher nur dann aussagekräftig, wenn der verwendete Prüfkreis beschrieben wird.
Zweitens skaliert der Messwert mit dem Kreis selbst. Der Wert des Koppelkondensators, die Leitungslänge, die Erdungsführung, die Bandbreite und die Position des Kalibrators verschieben die angezeigte Zahl. Ein 10-pC-Ergebnis aus einem Labor mit kompakter abgeschirmter Anordnung und ein 10-pC-Ergebnis aus einem Labor, das durch zwei Meter ungeschirmte Leitung gemessen hat, sind nicht dieselbe Aussage – auch wenn beide „10 pC" im Bericht drucken.
Wichtig ist dabei die Unterscheidung zur Ladung im Inneren des Hohlraums. Die tatsächlich im Gasraum umlaufende Ladung lässt sich an einer eingebetteten Stelle nicht direkt messen; messbar ist allein der Anteil, der über die Kopplungskapazität des Dielektrikums bis an die Klemmen gelangt. Dazwischen liegt eine Übertragungsfunktion aus Kapazitäten, Induktivitäten und der Messimpedanz. Deshalb ist eine pC-Angabe immer auf den jeweils aufgebauten Kreis bezogen: Innerhalb eines Kreises lässt sich der Wert reproduzieren, zwischen zwei Kreisen lässt sich nur dann vergleichen, wenn beide Kalibrierung und Aufbau offenlegen.
Den physikalischen Hintergrund dazu, wo Entladungen in einer Stromschiene ihren Ausgang nehmen, behandelt der Grundlagenartikel zur Teilentladung; auf dieser Seite geht es um die Messnorm, die diese Physik in eine nachvollziehbare Zahl überführt.
Vor jeder Teilentladungsmessung speist ein Kalibrator eine bekannte Ladung – 10 pC, 50 pC oder 100 pC – in den Prüfkreis ein, und der Skalenfaktor des Messgeräts wird aus dieser Einspeisung gesetzt. Das Detail, über das sich entscheidet, ob das Ergebnis vertrauenswürdig ist, ist wo die Ladung eingespeist wird.
Der Kalibrator muss parallel zum Prüfling an den Prüflingsklemmen angeschlossen werden, und zwar mit demselben Kreis und derselben Erdung, die später für die Prüfung verwendet werden. Ein Kalibrator, der lediglich am Geräteeingang angeklemmt oder nur über den Koppelkondensator eingespeist wird, beweist allein, dass das Gerät Impulse zählen kann; er sagt nichts über den Weg aus, den der echte TE-Impuls durch die Prüflingsleitungen und die Messimpedanz nimmt. Erst die Einspeisung an den Klemmen prüft die gesamte Übertragungsstrecke mit ab.
Zwei praktische Kontrollen sind in jedem Bericht zu verlangen:
Der klassische Fehler in der Stromschienenpraxis ist die Kalibrierung mit abgetrenntem Prüfling. In dem Moment, in dem die Stromschiene angeschlossen wird, verändern ihre Kapazität und die Leiterinduktivität die Übertragungsfunktion; die 50-pC-Einspeisung wird an den Klemmen zu einer Unbekannten. Wird der Aufbau nach der Kalibrierung neu aufgebaut, verliert diese ihre Gültigkeit. Unser eigener Qualitätsprozess behandelt einen neu aufgebauten Kreis daher als neue Prüfung, nicht als Fortsetzung des vorherigen Laufs.
Der Ablauf ist im Einzelnen nachvollziehbar zu machen: Der Kalibrator erzeugt einen definierten Spannungssprung an einem bekannten Kalibrierkondensator und prägt damit eine reproduzierbare Ladung in den Kreis. Das Messgerät zeigt nach der Einspeisung einen Impulspegel an; das Verhältnis aus angezeigter Ladung und eingespeister Ladung ergibt den Skalenfaktor, der die nachfolgenden Messwerte erst auf pC rückführbar macht. Liegt die Abweichung zwischen Soll- und Istwert außerhalb der Kalibratortoleranz, darf der Lauf nicht ausgewertet werden. Auch die Einbauimpedanz des Kalibrators muss zur Messimpedanz passen; eine zu hohe Übergangskapazität verfälscht den eingeprägten Ladungsbetrag. Wer diese Kette aus Zertifikat, Toleranz, Einspeisepunkt und Skalenfaktor im Bericht nicht nachweist, liefert keine rückführbare Messung, sondern nur einen Geräteausschlag.
Ein konventioneller schmalbandiger TE-Kreis ist übersichtlich aufgebaut: Prüfling, Koppelkondensator, Messimpedanz, Verstärker und Detektor. IEC 60270 lässt sowohl Schmalbanddetektion – typisch zentriert zwischen 100 kHz und 1 MHz – als auch Breitbanddetektion zu; die Aufgabe der Norm besteht darin, den Messwert rückführbar zu machen, statt einen einzigen Kreis vorzuschreiben.
Stromschienen durchbrechen die gewohnten Annahmen auf drei Arten.
Kapazität. Ein geladener Stapel mit PET- oder DLF-Folie ist ein verteilter Kondensator, dessen Wert gegenüber dem Koppelkondensator groß ausfallen kann. Ist der Koppelkondensator nicht deutlich größer als der Prüfling, teilt sich der Impuls in einer Weise auf, die von der Geometrie abhängt, und die an einer Stelle durchgeführte Kalibrierung repräsentiert dann nicht mehr den ganzen Prüfling. Zudem muss der Koppelkondensator selbst bei der Prüfspannung teilentladungsfrei sein; andernfalls speist er eigene Störimpulse in die Messstrecke ein.
Anstiegszeit. Der Leiterabstand in einer Stromschiene ist klein, deshalb sind die Impulse kurz und ihr Spektrum reicht bis zu hohen Frequenzen. Ein Detektor, der auf ein 100-kHz-Schmalbandfenster eingestellt ist, kann die schnellsten Ereignisse unterzeichnen; ein Breitbandaufbau erfasst sie, sieht aber zugleich mehr Umgebungsstörung. Bandbreite, Verstärkung und Zeitbasis müssen deshalb im Bericht stehen, nicht allein der pC-Wert.
Erdgeometrie. Die eigenen Leiter der Stromschiene sind nach dem Einbau in ein Gehäuse Teil des Erdpfades. Einen nackten Stapel auf der Werkbank zu prüfen, mit einer Erdrückleitung, die am Prüfling vorbeiläuft, ergibt Werte, die anders zu verstehen sind als derselbe Stapel, montiert an einer Kupferstab-Baugruppe in endgültiger Ausrichtung. Handelt es sich um einen Wechselrichter-DC-Link, ist auch der Kontext der Niedriginduktivitäts-auslegung zu berücksichtigen, denn der Aufbau, der die Schleifeninduktivität senkt, ändert zugleich, wo sich das Feld konzentriert.
Hinzu kommt die Resonanz der langen Leiter. Eine Stromschiene mit Meterlänge wirkt zusammen mit ihrer Kapazität und den Zuleitungen wie ein Schwingkreis; seine Resonanzfrequenz kann im vom Detektor genutzten Band liegen und einzelne Impulskomponenten überhöhen oder abschwächen. Abschirmung, verdrillte oder eng geführte Messleitungen und eine einpunktige Erdung begrenzen diesen Einfluss. Ob der Kreis auf die Betriebsweise im Gehäuse abgebildet ist, lässt sich daran prüfen, ob die Erdstromführung im Aufbau der späteren Einbausituation entspricht – nicht daran, ob auf der Werkbank ein kleiner Hintergrundpegel erreicht wird.
Jede TE-Zahl ist eine Differenz zwischen Signal und Hintergrund; die ehrliche Art der Meldung besteht darin, diesen Hintergrund anzugeben. Eine übliche Annahmeregel lautet, dass der Hintergrundpegel nicht mehr als die Hälfte der Annahmegrenze betragen darf: Bei einer Grenze von 10 pC liegt der Hintergrund unterhalb von 5 pC, besser noch unterhalb von 2 pC. Ein Bericht, der 9 pC bei 8 pC Hintergrund ausweist, meldet keine Entladung, sondern eine Umgebungsbedingung.
Unterscheidungskraft ist ebenso wichtig wie Empfindlichkeit. Phasenaufgelöste Muster (PRPD) trennen die üblichen Ursachen voneinander:
Nicht konventionelle Verfahren – akustische, UHF- oder optische Detektion – sind nützliche Gegenprüfungen zur Ortung einer Quelle, ersetzen aber nicht die kalibrierte pC-Messung, wenn das Annahmekriterium in Pikocoulomb geschrieben ist.
Für einen nachprüfbaren Störabgleich reicht die Angabe eines einzigen Hintergrundwerts nicht. Der Hintergrund ist bei derselben Prüfspannung aufzunehmen, bei der die späteren Messwerte anfallen, nicht bei abgeschalteter Hochspannung; andernfalls fehlt der Vergleichsmaßstab. Als Kenngröße dient das Signal-Rausch-Verhältnis aus größtem Impulswert qmax und gemessenem Hintergrund, ergänzt um die Impulswiederholrate je Periode. Stehen Verdachtssignale im Raum, lässt sich die Quelle stufenweise abtrennen: Prüfling abklemmen, Hochspannungsleiter neu führen, benachbarte Prüfstücke abschalten und abschirmende Maßnahmen ergänzen. Bleibt ein Signal nach dem Abklemmen des Prüflings erhalten, stammt es aus dem Kreis oder der Umgebung, nicht aus dem Bauteil. Lichtbänder, Frequenzumrichter, Funkenstrecken in Nachbarprüfständen und Erdschleifen über gemeinsame Bezugspotenziale sind häufige Störquellen; Luftfeuchte und Luftdruck beeinflussen zugleich die Entladungsanspannung und damit den gemessenen Pegel. Wer Hintergrund, Bandbreite und Mittelung im Protokoll festhält, macht das Verhältnis von Signal und Störung für einen zweiten Prüfer nachvollziehbar.
IEC 60270 ist eine Messnorm. Sie definiert die Messgröße, das Kalibrierverfahren und die Anforderungen an die Berichterstattung. Einen Annahmegrenzwert legt sie bewusst nicht fest, weil dieser vom Produkt, der Spannungsklasse und der Folgen eines Ausfalls abhängt.
Der Grenzwert kommt von anderer Stelle: aus einer Produktnorm, einer Kundenspezifikation oder einer internen Auslegungsregel. Bei Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen sind die Nachweispraxis und die Aufteilung zwischen Typprüfungen und Stückprüfungen in IEC 61439 geregelt. Luftstrecken und Kriechstrecken, die bestimmen, welche Feldbeanspruchung die Isolierung erfährt, stammen aus IEC 60664-1; deshalb bleibt eine TE-Erörterung ohne diese beiden Zahlen unvollständig.
In der Praxis fordern Spezifikationen für lamellierte Stromschienen im Industrie- und E-Mobility-Umfeld häufig etwas in der Art von 10 pC bei einem festgelegten Vielfachen der maximalen Systemspannung, gehalten über eine festgelegte Zeit, wobei das Kriterium nach einer Spannungsrampe auf der letzten Stufe angewendet wird. Die exakte Spannung, die Haltezeit und das Kriterium müssen aufgeschrieben sein, denn drei Lieferanten, die „10 pC" nennen, können bei drei verschiedenen Spannungen prüfen. Ein Lieferant, der ohne Spannung und Hintergrundpegel „TE-frei" meldet, hat nichts gemeldet.
Hinzu kommt ein Sequenzpunkt, der leicht verloren geht: Eine TE-Prüfung vor der Hochspannungsprüfung kann durch diese selbst entwertet werden, weil sie einen grenzwertigen Lufteinschluss konditionieren oder beschädigen kann. Sind beide Prüfungen vorgeschrieben, gehören Reihenfolge und Konditionierungsgeschichte in dasselbe Dokument. Die annahmeseitige Seite der Spannungsprüfungen behandelt der Leitfaden zur Spannungsfestigkeitsprüfung.
Welcher Grenzwert angemessen ist, folgt aus dem Gefährdungsbild: Bei Niederspannungs-Bauteilen mit überschaubarer Ausfallfolge werden oft 5 pC oder 10 pC genannt, bei größeren Anlagen oder höheren Spannungen auch 500 pC oder 2 nC; diese Zahlen sind keine Vorgaben von IEC 60270, sondern Festlegungen der jeweiligen Produktnorm oder Spezifikation. Zwischen Entladungsanspannung (PDIV) und Annahmegrenze bleibt eine bewusste Marge, damit gelegentliche Einzelimpulse im Betrieb nicht sofort als Grenzwertverletzung gewertet werden. Es ist zu prüfen, ob der Grenzwert auf Nennspannung, eine Prüfspannung oder ein Vielfaches der Systemspannung bezogen ist, und ob er für die gesamte Haltezeit oder nur für die letzte Stufe gilt. Ein fehlender Spannungsbezug macht auch einen noch so kleinen pC-Wert zur Aussage ohne Gegenstand. Wo das Produktverhalten über die Lebensdauer relevant ist, verbindet man die TE-Messung mit Alterungsbetrachtungen: bleibende innere Entladungen erodieren die Folie und können Baumbildung einleiten, weshalb eine Grenzwertfestlegung nicht nur die Augenblicksmessung, sondern die zu erwartende Schädigung im Auge hat.
Ein gepresster Folienstapel ist kein homogenes Dielektrikum. Er besteht aus Lagen von Folie, Kleber, Kupfer und Luft, die nicht vollständig vertrieben wurde; die Entladestellen folgen dieser Struktur.
Lufteinschlüsse zwischen Folienlagen. Laminierdruck und Laminiertemperatur entscheiden, wie viel Luft an der Grenzfläche verbleibt. Einige zehn Mikrometer dicker Einschluss zwischen zwei PET-Lagen sieht das volle Feld über der Isolierung und ist die Lehrbuchquelle innerer Entladung. Es handelt sich hier um eine Prozessvariable, keine Designvariable: Zwei Lieferanten mit identischer Zeichnung können an dieser Stelle voneinander abweichen.
Folienkanten und Tripelpunkte. Wo die Kupferfolie in der Isolierung endet, konzentriert sich das Feld an der Kante; der Punkt, an dem Kupfer, Folie und verbliebene Luft aufeinandertreffen, ist ein Tripelpunkt mit erhöhter Beanspruchung. Grate, die vom Schneiden stammen, verschieben diese Feldkonzentration weiter.
Schnittkanten des Fertigteils. Die Schnittfläche legt den Lagenaufbau frei. Ist der Schnitt mechanisch erzeugt und die Kante verschmiert oder delaminiert, werden Oberflächenkriechwege und Oberflächenentladung möglich, besonders bei hoher Luftfeuchte.
Bolzen- und Einpressstellen. Ein in den Stapel eingepresstes Gewindeeinstück erzeugt einen Pfad, an dem das Feld auf ein Metallteil mit anderer Oberflächengüte und einem möglichen Mikrospalt trifft. Lufteinschlüsse an diesen Grenzflächen sind der Grund, warum die Grenzflächenprüfung neben den elektrischen Prüfungen im Leitfaden zur Lufteinschluss- und CT-Prüfung erscheint.
Welche Stelle dominiert, hängt von Spannungsklasse und Lagenzahl ab. Hochlagige Batteriestromschienen mit dünnen Folien bei niedriger Spannung können leicht bestehen; derselbe Aufbau bei 1.000 V DC mit verschmutzter Schnittkante kann einen Grenzwert verfehlen, den er als Prüfkörper gehalten hätte. Deshalb ist ein TE-Ergebnis immer zusammen mit der Geometrie des geprüften Teils zu melden.
Die Mechanik dahinter ist an jeder Stelle unterschiedlich. Im inneren Lufteinschluss baut sich das Gasfeld bis zur Teilentladungsanspannung auf; einzelne Entladungen treffen auf die Folienoberfläche und erodieren sie mit der Zeit, bis sich Baumbildung ausbreitet. An Folienkanten konzentriert die Krümmung des Kupfers das Feld, weil die dielektrische Grenzfläche die Feldlinien bündelt; ein Grat wirkt wie eine spitze Elektrode. An offenen Schnittkanten liegt die Schwachstelle auf der Oberfläche: Feuchte, Staub und Folienrestschichten senken die Kriechwegbildungsfestigkeit, und Oberflächenentladung kriecht entlang der Kante. An Einpressstellen schließlich eröffnen Mikrospalte zwischen Metall und Isolation eine weitere Art von Hohlraum, der erst unter Temperaturschwankungen und mechanischer Montagekraft richtig aufgeht. Welche dieser Stellen im Einzelfall trägt, lässt sich aus dem phasenaufgelösten Muster und der Spannungsabhängigkeit der Entladungen ablesen; die elektrische Prüfung allein zeigt an, dass etwas entlädt, die Ortung zeigt, wo. Röntgen- oder CT-Aufnahmen ergänzen die elektrische Aussage dort, wo innere Lagen und Einpressstellen ohne Zerlegung sichtbar gemacht werden sollen.
Eine einzelne Zeile mit dem Hinweis „PD < 10 pC, bestanden" lässt sich nicht prüfen. Sechs Elemente machen einen Bericht brauchbar; ihr Fehlen ist ein Verhandlungspunkt, kein technisches Detail.
Vier Warnzeichen, die vor einer Bestellung zu benennen sind: Kalibrierung wird ohne Einspeisepunkt erwähnt; es fehlt ein Hintergrundwert; die Prüfspannung liegt unterhalb der maximalen Systemspannung der Anwendung; der Bericht nennt einen TE-Wert ohne Bandbreite oder Verstärkung. Jedes dieser Merkmale schwächt die Aussage, und keines wird behoben, indem man die Prüfung im selben Labor mit denselben Auslassungen wiederholt.
Darüber hinaus gehört in eine nachvollziehbare Prüfdokumentation der Metadatensatz, an dem ein Auditor die Rückführbarkeit festmacht: Prüflingskennung, Zeichnungsstand und Seriennummer, Prüfdatum, verantwortliche Person, Gerätetyp und Gerätenummer, Gültigkeit der Kalibrierung, Umgebungstemperatur, Luftfeuchte und Luftdruck. Ohne diese Angaben lässt sich ein späterer Vergleich mit einem zweiten Los oder einem zweiten Lieferanten nicht auf derselben Basis durchführen. Der Bericht muss die angewandte Norm und die Version nennen, die Messunsicherheit des Messgeräts benennen und die Abweichungen zwischen Aufbau und Spezifikation offen aufführen. Eine bestandene Aussage ist auf die tatsächlich angelegte Spannung und die tatsächlich eingestellte Bandbreite zu beziehen; ein nachträgliches Umsortieren von Werten oder das Streichen auffälliger Muster macht den gesamten Bericht unglaubwürdig. Ablage und Aufbewahrung richten sich nach der Qualitätsvereinbarung: Prüfpläne, Messprotokolle und Screenshots sind auf den Zeichnungsstand zu indexieren, damit sie im Audit oder im Schadensfall zum geprüften Bauteil zurückverfolgt werden können.
Drucken Sie diese Liste aus und legen Sie sie neben das Messgerät. Sie ist für einen lamellierten Stromschienen-Prüfling geschrieben und geht davon aus, dass das Ziel eine Zahl ist, die ein anderer verantworten kann.
Kein Punkt hiervon macht ein schlechtes Bauteil gut, und keiner ist Papierkram um seiner selbst willen. Er macht ein gutes Bauteil beweisbar – das ist das Einzige, was eine TE-Messung zu einer Einkaufsentscheidung beitragen kann. Muss das Bauteil außerdem eine mechanische Qualifizierung bestehen, gilt dieselbe Logik für den Weg vom Muster zur Serie, wo der Nachweis an die exakt ausgelieferte Konfiguration gebunden sein muss.
Vor dem eigentlichen Lauf ergänzen sich weitere Punkte: Spezifikation und Zeichnungsstand liegen dem Protokoll bei, das Messgerät ist ausreichend aufgewärmt, Messleitungen sind fest angezogen und auf kürzeste Führung geprüft, Umgebungswerte sind notiert. Nach dem Lauf gehört die Ablage in einer festgelegten Benennung: Messwerte, Screenshots, Kalibrierungsbeleg und Schaltplan werden zusammen einem Prüfling zugeordnet, damit ein zweiter Prüfer den Aufbau ohne Rückfrage nachstellen kann. Wurde der Aufbau nach der Kalibrierung verändert, ist die Kalibrierung zu wiederholen; wurde eine Stufe übersprungen oder ein Hintergrund nachträglich gemessen, ist das im Protokoll kenntlich zu machen. Die Checkliste ersetzt keine qualifizierte Prüferperson, sie stellt nur sicher, dass die nachprüfbaren Schritte nicht durch Routine vergessen werden.
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