Design-Herausforderung – Kleines Volumen vs. Spannungsfestigkeit in kleinen Trenntransformatoren

1. Der Komponentenaufbau – Fokus auf eine zuverlässige Isolierung

Bei der Auslegung eines Trenntransformators muss ein ausreichender Abstand zwischen den leitenden Teilen vorgesehen werden, der mit dem passenden Isoliermaterial ausgefüllt ist. Hohe Spannungen erzeugen ein starkes elektrisches Feld im Isoliermaterial. Oberhalb einer bestimmten Feldstärke fließt Strom entlang von Pfaden im Material, das durch chemische Alterungsprozesse leitfähig wird. Dadurch fällt die Komponente aus. Deshalb muss die Isolierschicht ausreichend dick sein, damit die Feldstärke unter allen Bedingungen deutlich unter der kritischen Feldstärke bleibt. Die lokale Feldstärke ist jedoch nicht homogen und hängt auch von der Form der leitenden Elemente ab, die als Elektroden wirken. So ist die Feldstärke beispielsweise an scharfen Kanten von Leitern höher.

Lufteinschlüsse in der Vergussmasse oder zwischen Vergussmasse und leitenden Elementen stellen immer ein Risiko dar. Selbst wenn der Abstand zwischen leitenden Teilen mit unterschiedlichen Spannungsniveaus mit ausreichend Isoliermaterial gefüllt ist, um der Spannung standzuhalten, überschreitet die Feldstärke innerhalb der Lufteinschlüsse leicht die kritische Feldstärke von Luft. Die Luft wird ionisiert, Glimmentladung setzt ein und zerstört die Vergussmasse bis zum Durchschlag.

Für solche Lufteinschlüsse gibt es drei potenzielle Risiken:

• Luftblasen in der Vergussmasse. Vakuumverguss ist häufig zwingend erforderlich, um Industrienormen und Zertifizierungen zu erfüllen. Allerdings ist der Prozess in der Branche nicht einheitlich. Es reicht nicht aus, nach dem Einfüllen der Vergussmasse ein Vakuum anzulegen. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, muss die Vergussmasse unter Vakuumbedingungen eingebracht werden, und bevor sie aushärtet, muss Normaldruck oder sogar Überdruck angelegt werden.
• Verbleibende Hohlräume selbst bei korrekt ausgeführtem Vakuumverguss. Sie treten vor allem in engen Strukturen auf, in denen sich Luft durch das Vakuum nicht vollständig entfernen lässt oder in denen vakuumbedingte Hohlräume durch die Konstruktion stabilisiert werden. Letztere können sich mit der Zeit mit beliebigen Gasen füllen. Daher sollte die Konstruktion so ausgelegt sein, dass Luft leicht entweichen kann und die Vergussmasse jeden Bereich gut erreicht.
• Verlust der Haftung zwischen Vergussmasse und Konstruktionselementen im Betrieb und die dadurch entstehende Bildung von Luftschichten dazwischen. Vergussmasse oder verwendete Klebstoffe müssen mit den anderen Materialien in der Komponente kompatibel sein, und diese Materialkombination muss zu den Betriebsbedingungen wie Temperaturwechseln, Stößen, mechanischer Belastung und Vibrationen passen.

Im Entwicklungsprozess sollte der Ingenieur zusätzlich zu den üblichen Hoch­spannungs-Durchschlagprüfungen Teilentladungsprüfungen einsetzen, um Glimmentladungen zu erkennen, wie es in Normprüfungen häufig gefordert wird. Dies muss auch nach der Simulation der Betriebsbedingungen erfolgen.

Normen definieren Mindestluftstrecken und die entsprechenden Prüfspannungen in Abhängigkeit von Anwendung, Nennspannung und Sicherheitsanforderungen.

3. Die Oberflächen – Kriechstrecke

Die Oberfläche eines Bauteils zwischen Kontakten kann durch Staub, kondensierte Flüssigkeiten usw. verunreinigt werden, wodurch die Durchschlagspannung unter die von Luft sinkt. Daher muss der Mindestabstand des kürzesten Wegs entlang der Oberflächen zwischen den zu trennenden Kontakten (die sogenannte Kriechstrecke) größer sein als die Luftstrecke.

Auch hier legen Normen die erforderliche Kriechstrecke abhängig von Anwendung und Umgebungsbedingungen fest, einschließlich Verschmutzungsgrad und Nennspannung. Bei der Auslegung des Bauteils muss der Weg entlang der Bauteiloberfläche zwischen den elektrischen Kontakten maximiert werden, was sich durch das Hinzufügen von Rippen erreichen lässt. Die Heraus­forderung für den Entwickler besteht darin, die Position der Anschlüsse und gegebenenfalls von Rippen oder ähnlichen Elementen so platzsparend anzuordnen, dass zugleich die räumlichen und anschlusstechnischen Anforderungen des Transformators erfüllt werden.

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