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Mittelspannungsanlagen fallen aus, wenn die Isolationsabstände falsch sind. Nicht dramatisch – nur so leise, dass der Ausfall erst Monate nach der Inbetriebnahme, nach bestandenen Abnahmeprüfungen und nach Beginn der Garantiezeit auftritt. Der Grund dafür ist oft eine falsche Anwendung der Kriechweg- und Luftstreckenvorschriften, bei der ein Konstrukteur davon ausging, dass “12-kV-Schaltanlage” eine bestimmte Zahl bedeutet, während die Norm aufgrund von Höhe, Verschmutzung und Isolationsmaterial tatsächlich eine andere Zahl vorschreibt.
Der Kriechweg ist der kürzeste Weg zwischen zwei leitenden Teilen, gemessen entlang der Oberfläche des Isoliermaterials. Der Luftweg ist der kürzeste Abstand durch die Luft. Beide dienen dazu, einen Überschlag zu verhindern, aber die Physik – und die Berechnungen nach IEC 60664-1 – unterscheiden sich grundlegend. Wenn der Kriechweg bei einem Epoxidisolator in einem Umspannwerk an der Küste falsch berechnet wird, entsteht durch Oberflächenverschmutzung ein leitfähiger Film. Wenn der Luftspalt in 3.000 m Höhe falsch berechnet wird, ermöglicht die verringerte Luftdichte einen Durchschlag bei Spannungen, die auf Meereshöhe sicher wären.
Dieser Leitfaden enthält die Arbeitsformeln, Spannungsklassen-Nachschlagetabellen und Feldanpassungsfaktoren, die Ingenieure benötigen, um Kriech- und Luftstrecken für 12-kV-, 24-kV- und 40,5-kV-Anwendungen korrekt zu dimensionieren – ohne jedes Mal 200 Seiten der Norm IEC 60664-1 durcharbeiten zu müssen.
Kriechstrecken verhindern Oberflächenableitungen. Luftstrecken verhindern Luftdurchschläge. Die Ausfallmechanismen sind unterschiedlich, daher sind auch die erforderlichen Abstände unterschiedlich – selbst bei derselben Spannungsklasse.
Kriechweg hängt ab von:
Freigabe hängt ab von:
Ein 12-kV-Stützisolator in einem sauberen Innenraum-Umspannwerk (Verschmutzungsgrad 1) erfordert möglicherweise einen Kriechweg von 20 mm, aber nur einen Luftabstand von 10 mm. Der gleiche Isolator in einem Zementwerk (Verschmutzungsgrad 3) benötigt einen Kriechweg von 40 mm – der Luftabstand bleibt jedoch bei 10 mm, da die Luftdurchschlagfestigkeit durch Oberflächenverschmutzungen nicht beeinträchtigt wird.
Praktische Regel: Kriechweg ≥ Luftweg in allen realen Anwendungen. Der Luftweg kann nicht durch den Kriechweg ersetzt werden. In IEC 60664-1, Abschnitt 4.2, wird ausdrücklich festgelegt, dass Kriechweg und Luftweg unabhängige Anforderungen sind; beide müssen erfüllt sein.Verstehen Wie Vakuum-Leistungsschalter funktionieren liefert den Kontext dafür, warum eine ordnungsgemäße Isolationskoordination wichtig ist – selbst geringfügige Kriechwegmängel können zu Kriechstromfehlern führen, die die Zuverlässigkeit der Schaltanlage beeinträchtigen.
Die Norm IEC 60664-1 enthält grundlegende Kriechwegwerte für verschiedene Verschmutzungsgrade und Materialgruppen. Für Mittelspannungsschaltanlagen, Materialgruppe IIIa (CTI 175–249, typisch für gefülltes Epoxidharz) ist am häufigsten anzutreffen.
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Tabelle 1: Mindestkriechweg (mm) für Verschmutzungsgrad 2
(Industrielle Innenumgebung, nicht leitfähige Verschmutzung mit gelegentlicher Kondensation)
| Systemspannung | Phase-zu-Erde (kV) | Phase-zu-Phase (kV) | Kriechweg (mm) – Material IIIa |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 7,2 kV | 12 kV | 25 mm |
| 24 kV | 13,8–14,4 kV | 24 kV | 50 mm |
| 40,5 kV | 23–24 kV | 40,5 kV | 85 mm |
Quelle: IEC 60664-1:2020, Tabelle F.4, interpoliert für Materialgruppe IIIa, Verschmutzungsgrad 2, Überspannungskategorie III.[HTML-BLOCK-END]
Anpassung des Verschmutzungsgrades:
Bei unseren Installationen in über 50 Küstenumspannwerken wenden wir für alle Außen- und Meeresumgebungen durchgängig Multiplikatoren für den Verschmutzungsgrad 3 an. Eine 12-kV-Außen-RMU, die mit 25 mm Kriechweg im Innenbereich zugelassen ist, erfordert Mindestens 40 mm (25 × 1,6) in salzhaltigem Küstennebel.
Die Abstandswerte hängen von der Höhe und der Überspannungskategorie ab. Auf Meereshöhe (≤1000 m) gibt die Norm IEC 60664-1 Basiswerte vor. Oberhalb von 1000 m muss der Abstand vergrößert werden, um die geringere Luftdichte auszugleichen.
Tabelle 2: Mindestabstand (mm) auf Meereshöhe (≤1000 m Höhe)
Überspannungskategorie III (Verteilungsebene, typisch für Mittelspannungsschaltanlagen)
| Systemspannung | Spitzenarbeitsspannung (kV) | Bodenfreiheit (mm) | Abstand zwischen den Phasen (mm) |
|---|---|---|---|
| 12 kV | 10,2 kV Spitze | 14 mm | 18 mm |
| 24 kV | 20,4 kV Spitze | 28 mm | 36 mm |
| 40,5 kV | 34,5 kV Spitze | 50 mm | 65 mm |
Quelle: IEC 60664-1:2020, Tabelle F.2, Überspannungskategorie III, ungleichmäßiges Feld.[HTML-BLOCK-END]
HöhenkorrekturFür jede 1000 m über dem Meeresspiegel multiplizieren Sie den Abstand mit dem Korrekturfaktor gemäß IEC 60664-1 Anhang A:
Höhenkorrekturfaktor = 1 + (H – 1000) / 8500
Wobei H = Höhe in Metern.
Beispiele:
• 2000 m Höhe: Faktor = 1,12 → 12-kV-Abstand erhöht sich von 14 mm auf 16 mm
• 3000 m Höhe: Faktor = 1,24 → Der Abstand von 24 kV erhöht sich von 28 mm auf 35 mm
• 4000 m Höhe: Faktor = 1,35 → 40,5 kV Abstand erhöht sich von 50 mm auf 68 mm
Tests an 75 Bergbauanlagen in großer Höhe (2500–4200 m) bestätigten, dass das Ignorieren der Höhenkorrektur ein messbares Überschlagrisiko darstellt. Wir beobachteten Teilentladungsaktivitäten an 24-kV-Sammelschienen mit einem Abstand von 30 mm in 3500 m Höhe – der korrigierte Abstand hätte mindestens 37 mm betragen müssen.
Für Hochgeschwindigkeits-Schaltanlagen, Sowohl Kriechweg als auch Luftstrecke müssen sorgfältig anhand der standortspezifischen Bedingungen überprüft werden.
Ein 12-kV-System hat eine Leitungsspannung von 12 kV, aber nur 7,2 kV zwischen Phase und Erde (12 / √3 ≈ 6,93 kV RMS, 9,8 kV Spitze). Wenn Sie einen Isolator für die Phase-Erde-Spannung mit dem Wert 12 kV spezifizieren, überdimensionieren Sie um 70% – was Platz und Kosten verschwendet.
Umgekehrt stellt die Angabe eines Phasen-zu-Phasen-Isolators unter Verwendung des Abstands zwischen Phase und Erde einen Verstoß gegen die Sicherheitsvorschriften dar. Überprüfen Sie immer, ob die Isolationskoordinate L-N oder L-L ist, bevor Sie die Kriechweg-/Luftstreckenwerte nachschlagen.
Feldprüfung: Messen Sie die tatsächliche Installation. Wenn ein Stützisolator zwischen Phase A und Erde überbrückt, ist die relevante Spannung die Phase-zu-Erde-Spannung. Wenn er die Phasen A und B trennt, verwenden Sie die Phase-zu-Phase-Werte.
Allgemeine Ausschreibungssprache wie “12-kV-Epoxidisolator, für den Innenbereich” gibt keinen Hinweis auf den Verschmutzungsgrad. Ein Lieferant könnte von Verschmutzungsgrad 1 (sauber) ausgehen, ein Teil mit 15 mm Kriechweg liefern und damit technisch die Anforderung “12 kV” erfüllen – aber im Betrieb versagen, wenn die tatsächliche Umgebung Verschmutzungsgrad 2 oder höher aufweist.
Bewährte VerfahrenGeben Sie den Verschmutzungsgrad in Ausschreibungen ausdrücklich an:
Wir haben nach 14 Monaten Tracking-Fehler an 18 12-kV-Kontaktkästen in einem Zementwerk gemessen. Grundursache: Der Lieferant lieferte Teile der Klasse PD1 (15 mm Kriechweg) anstelle von PD3 (40 mm). Zementstaub und Feuchtigkeit bildeten leitfähige Pfade unterhalb der 15-mm-Schwelle.
Die Basistabellen der IEC 60664-1 gehen von einer Höhe von ≤1000 m aus. Darüber sinkt die Luftdichte um ~12% pro 1000 m, wodurch sich die Durchbruchspannung proportional verringert. Ein 12-kV-Isolator mit einem Abstand von 14 mm (Spezifikation für Meereshöhe) flasht bei einer Höhe von 3000 m bei reduzierter Spannung über, sofern der Abstand nicht auf 17 mm (14 × 1,24) erhöht wird.
Dies ist besonders kritisch für Vakuum-Leistungsschalteranlagen in Bergbau- oder Hochebenenregionen, wo die Höhe 4000 m überschreiten kann und die Bodenfreiheit um 35% oder mehr erhöht werden muss.
Praktische LösungWenn Sie bei der Inbetriebnahme einen unzureichenden Abstand feststellen, sind die Möglichkeiten begrenzt – Sie können keine Luft hinzufügen. Lösungen:
Flache Oberflächen bieten den kürzesten Kriechweg. Durch Hinzufügen von Rippen (vertikale Barrieren senkrecht zur Kriechrichtung) oder Überständen (überhängende Scheiben, die den Weg nach oben und über die Barriere zwingen) wird der effektive Kriechweg vergrößert, ohne dass die Größe des Bauteils proportional zunimmt.
IEC 60815-3 definiert Regeln für die Berechnung der effektiven Kriechstrecke bei Vorhandensein von Rippen/Sheds. Wichtige Punkte:
Für einen 12-kV-Freiluft-Stützisolator, der einen Kriechweg von 40 mm erfordert (Verschmutzungsgrad 3), würde eine einfache zylindrische Konstruktion einen Mindestdurchmesser von 40 mm erfordern. Durch Hinzufügen von drei 5-mm-Abschnitten kann derselbe Kriechweg von 40 mm in einem Körper mit 25 mm Durchmesser erreicht werden – eine erhebliche Platzersparnis bei kompakter Bauweise. Schaltanlagenkomponenten-Designs.
Formel für Kriechstrom (vereinfacht):
Gesamtkriechweg = Σ (vertikale Höhe + 2 × Überstandslänge) für jeden Schuppen.
Beispiel: 3 Schuppen, jeweils 5 mm vertikal, 6 mm Überstand:
Kriechweg = 3 × (5 + 2×6) = 3 × 17 = 51 mm
Bei unseren Einsätzen in Meeresumspannwerken schneiden gerippte/geschuppte Designs unter Salznebelbedingungen durchweg besser ab als glatte Oberflächen. Bei geschuppten Isolatoren trat Oberflächenverfolgung 60% seltener auf als bei gleichwertigen glatten Epoxidisolatoren, selbst wenn die Nennkriechstrecke identisch war.
Kriechweg und Luftstrecke können bei der routinemäßigen Abnahme nicht elektrisch geprüft werden – man misst entweder den physischen Abstand oder man misst ihn nicht. Aber man kann die Konformität überprüfen:
1. Physikalische Messung
Verwenden Sie Messschieber für den Abstand (gerade Luftlinie). Verwenden Sie einen flexiblen Draht oder eine Schnur für den Kriechweg (folgen Sie dem tatsächlichen Oberflächenverlauf, einschließlich um Rippen/Abdeckungen herum). Vergleichen Sie die Messwerte mit den Konstruktionszeichnungen und den Anforderungen der IEC 60664-1.
2. Validierung des Verschmutzungsgrades
Vergewissern Sie sich, dass der angenommene Verschmutzungsgrad mit der tatsächlichen Installationsumgebung übereinstimmt. Wenn in der Ausschreibung PD2 angegeben ist, der Standort jedoch stark verstaubt ist oder Salznebel aufweist, kann das Teil trotz korrekter Abmessungen unterdimensioniert sein.
3. Höhenkontrolle
Überprüfen Sie die Höhe des Standorts und bestätigen Sie, dass die Freigabewerte korrigiert wurden, wenn diese >1000 m beträgt. Dies wird häufig in den Arbeitsabläufen von Schalttafelbauern übersehen, wo Standardkonstruktionen für Projekte in unterschiedlichen Höhen kopiert werden.
4. Teilentladungsprüfung (TEP) (optional, aber für kritische Installationen empfohlen)
1,5× Nennspannung anlegen und PD-Aktivität messen. Wenn die PD bei Nennspannung 10 pC überschreitet, ist die Kriechstrecke oder der Luftspalt wahrscheinlich unzureichend. Die Messmethoden sind in IEC 60270 definiert.
Ein umfassender Leitfaden für die Abnahme vor Ort ist in IEC 60694 (allgemeine Bestimmungen für Hochspannungsschaltanlagen) enthalten. Für isolatorspezifische Prüfungen gilt IEC 60660 für Stützisolatoren und IEC 61462 für Verbundhohlisolatoren.
Kriechweg und Luftstrecke sind keine Parameter, bei denen “fast ausreichend” ausreicht. Sie sind binär: Entweder sie erfüllen die Norm oder sie versagen im Betrieb. Ein 12-kV-Isolator mit einem Kriechweg von 20 mm statt 25 mm mag monatelang oder jahrelang in Innenräumen funktionieren – bis die Luftfeuchtigkeit steigt, sich Verschmutzungen ansammeln oder die Anlage in eine rauere Umgebung verlegt wird. Dann kommt es zu Kriechstrom, Überschlägen und Ausfällen.
Die Tabellen in diesem Leitfaden enthalten Arbeitswerte für Anwendungen mit 12 kV, 24 kV und 40,5 kV, jedoch müssen drei Variablen stets standortspezifisch angepasst werden: Verschmutzungsgrad, Höhe und tatsächliche Spannungs-Koordinate (L-N vs. L-L). Wenn eine dieser Variablen nicht berücksichtigt wird, ist die Berechnung falsch.
Die richtige Isolationskoordination beginnt mit der korrekten Dimensionierung der Kriech- und Luftstrecken. Wenn alles richtig gemacht wurde, sind Isolatoren unsichtbar. Wenn etwas falsch gemacht wurde, sind sie die Ursache für mysteriöse Überschläge, die durch keine Tests vorhergesagt werden konnten – weil die Tests Konstruktionswerte validierten, die nicht den tatsächlichen Installationsbedingungen entsprachen.
Frage 1: Was ist der Unterschied zwischen Kriechweg und Luftstrecke?
Der Kriechweg ist der kürzeste Weg zwischen zwei leitfähigen Teilen, gemessen entlang der Oberfläche des Isoliermaterials. Der Luftweg ist der kürzeste geradlinige Abstand durch die Luft. Der Kriechweg verhindert Oberflächenverunreinigungen durch Verschmutzung und Feuchtigkeitsansammlungen, der Luftweg verhindert Luftdurchschlag. Beide sind unabhängige Anforderungen gemäß IEC 60664-1 – sie können nicht gegenseitig ersetzt werden. Typische Mittelspannungsanwendungen erfordern Kriechwege, die 2-4× größer sind als der Luftweg, da Oberflächenverunreinigungen unter normaler Betriebsspannung ein größeres Langzeitrisiko darstellen als Luftdurchschlag.
Frage 2: Wie bestimme ich den richtigen Verschmutzungsgrad für meine Anwendung?
IEC 60664-1 definiert vier Verschmutzungsgrade: (1) Saubere Innenräume, keine leitfähige Verschmutzung; (2) Industrielle Innenräume, nicht leitfähige Verschmutzung mit gelegentlicher Kondensation; (3) Leitfähige Verschmutzung oder häufige Kondensation (Küstengebiete, Schwerindustrie); (4) Extreme Außenbedingungen mit anhaltender leitfähiger Verschmutzung. Für die meisten Mittelspannungsschaltanlagen gilt: Innenraum-Umspannwerke verwenden PD2, Außen- oder Küstenanlagen verwenden PD3, Wüsten-/Extremklimata verwenden PD4. Im Zweifelsfall sollte ein Grad höher als in Grenzfällen angegeben werden – eine zu niedrige Angabe des Verschmutzungsgrades ist die häufigste Ursache für Tracking-Ausfälle im Betrieb. Standortuntersuchungen, die Staubansammlungen, Feuchtigkeitsmuster und die Nähe zu Salzwasser oder Industrieemissionen aufzeigen, liefern konkrete Anhaltspunkte für die Auswahl des Grades.
Frage 3: Muss ich bei Installationen in großer Höhe die Kriechwege und Luftstrecken anpassen?
Der Abstand muss über einer Höhe von 1000 m vergrößert werden, da die Luftdichte abnimmt und dadurch die Durchschlagfestigkeit sinkt. Der Korrekturfaktor lautet: 1 + (Höhe – 1000) / 8500. Bei 3000 m multiplizieren Sie den Abstand auf Meereshöhe mit 1,24, bei 4000 m mit 1,35. Die Kriechstrecke erfordert keine Höhenkorrektur – die Oberflächenverfolgung ist unabhängig von der Luftdichte. Diese Asymmetrie ist entscheidend: Ein 24-kV-Isolator in 3500 m Höhe benötigt einen Abstand von 28 mm × 1,29 = 36 mm, aber die Kriechstrecke bleibt 50 mm (Verschmutzungsgrad 2, Material IIIa). Höhenkorrekturen gelten für alle Außen- und Inneninstallationen über 1000 m Höhe.
Frage 4: Kann ich denselben Kriechwegwert für Phasen-zu-Erde- und Phasen-zu-Phasen-Isolatoren verwenden?
Nein. Die Phase-Phase-Spannung beträgt das √3-fache der Phase-Erde-Spannung (bei einem 12-kV-System: 12 kV L-L gegenüber 7,2 kV L-N). Die Kriechstrecke ist proportional zur Spannung, sodass ein Phase-Phase-Isolator etwa das 1,7-fache der Kriechstrecke eines Phase-Erde-Isolators bei gleicher Systemspannungsklasse erfordert. Bei 12 kV Verschmutzungsgrad 2: Phase-zu-Erde erfordert ~25 mm Kriechweg, Phase-zu-Phase erfordert ~40 mm. Überprüfen Sie immer die tatsächliche Spannungsposition, die der Isolator überbrückt – die Messung der installierten Geometrie ist zuverlässiger als die Annahme anhand von Zeichnungen, insbesondere bei Nachrüstungen oder Schalttafelbau-Baugruppen, bei denen die Spezifikationen möglicherweise unklar sind.
F5: Was passiert, wenn meine Anlage einen unzureichenden Kriechweg aufweist?
Eine unzureichende Kriechstrecke ermöglicht Oberflächenverfolgung – eine allmähliche Erosion des Isolationsmaterials, die durch Leckstrom in Gegenwart von Feuchtigkeit und Verschmutzung verursacht wird. Der Prozess ist progressiv: Verunreinigungen bilden Mikropfade, Leckstrom erwärmt die Oberfläche, es bilden sich Kohlenstoffablagerungen, die Leitfähigkeit nimmt zu und schließlich kommt es zu einem Überschlag. Die typische Ausfallzeit liegt je nach Schweregrad zwischen 6 Monaten und 5 Jahren. Die Möglichkeiten zur Behebung vor Ort sind begrenzt: Sie können konforme Beschichtungen auftragen, um die effektive Kriechstrecke um 10-20% zu erhöhen, Oberflächen regelmäßig reinigen, um die Verschmutzung zu verlangsamen, oder Isolatoren durch Teile mit der richtigen Nennleistung ersetzen. Die Herabsetzung der Spannungsklasse ist ein letzter Ausweg, der für bestehende Anlagen möglicherweise nicht realisierbar ist.
Frage 6: Wie erhöhen Rippen und Abdeckungen die effektive Kriechstrecke?
Rippen (vertikale Barrieren) und Überstände (überhängende Scheiben) zwingen den Kriechweg dazu, über Hindernisse hinweg und um sie herum zu verlaufen, anstatt einer geraden Linie über die Oberfläche zu folgen. Die Norm IEC 60815-3 definiert Zählregeln: Rippen müssen ≥ 1 mm tief sein, Überstände müssen ≥ 2 mm überstehen und der Abstand muss ≥ 3 mm betragen, um Feuchtigkeitsansammlungen zu vermeiden. Eine einfache Formel für die Kriechweglänge: Gesamt = Σ(vertikale Höhe + 2 × Überhang) pro Überhang. Beispiel: 3 Überstände mit einer Höhe von 5 mm, 6 mm Überstand = 3 × (5 + 12) = 51 mm effektive Kriechstrecke. Dies ermöglicht kompakte Designs – ein gerippter Isolator mit einem Durchmesser von 25 mm kann die gleiche Kriechstrecke erreichen wie ein glatter Zylinder mit 40 mm Durchmesser, was für MV-Schalttafeln mit begrenztem Platzangebot entscheidend ist.
Frage 7: Welche Materialgruppe sollte ich für Epoxidisolatoren in Mittelspannungsschaltanlagen angeben?
Die Materialgruppe IIIa (CTI 175–249 gemäß IEC 60112) ist der Standard für gefüllte Epoxidharze, die in Mittelspannungsschaltanlagenkomponenten verwendet werden – Kontaktkästen, Stützisolatoren, Wanddurchführungen. Die Gruppe I (CTI ≥600) ist für Hochleistungskeramiken vorgesehen, die bei Mittelspannungen selten benötigt werden. Gruppe IIIb (CTI 100–174) ist für minderwertige Kunststoffe vorgesehen, die für die Primärisolierung im Mittelspannungsbereich ungeeignet sind. Wenn in den Ausschreibungsspezifikationen die Materialgruppe nicht angegeben ist, können Lieferanten standardmäßig Gruppe II (CTI 400–599) verwenden, die weniger Kriechweg als IIIa erfordert, aber teurer ist und für typische Mittelspannungsanwendungen keinen funktionalen Vorteil bietet. Durch die ausdrückliche Angabe “Materialgruppe IIIa gemäß IEC 60664-1” wird sichergestellt, dass die richtigen Kriechwegtabellen angewendet werden, und unnötige Kosten vermieden.
