Eine Isolierscheibe ändert die Kriechstrecke, nicht die Luftstrecke

Zwei Abstände, und nur einer davon gehört Ihnen

IEC 60664-1 ist die Grundnorm für die Isolationskoordination, und ihr Begriffsteil trennt zwei Größen, die man gewöhnlich als eine behandelt.

Liest man beide neben einer Schraubverbindung, ist die Trennung offensichtlich. Eine Bundscheibe, eine Hutbuchse, eine Hülse in der Bohrung: Jedes dieser Teile ist ein Stück fester Isolierstoff, das in den Weg eingesetzt wird, und verlängert wird dadurch der zweite Abstand. Die Luft außen um die Verbindung bleibt unverändert.

Was die Hardware tatsächlich tut

Die übliche Anordnung ist eine Hutscheibe, deren Bund die Durchgangsbohrung auskleidet und deren Flansch unter dem Kopf liegt, darauf eine flache Scheibe und oft ein passendes Gegenstück auf der Gegenseite. Jede Fläche hat eine Aufgabe, und jede kann daran scheitern.

• Der Bund hält die Schraube von der Bohrungswand fern. Dieses Versagen wird zuletzt gefunden, weil es nach der Montage unsichtbar ist. Eine Schraube, die von der Verbindung seitlich gezogen wurde, oder eine leicht versetzt gebohrte Bohrung bringt Metall auf Metall in einem Teil, das von außen korrekt aussieht.
• Der Flansch verlängert den Oberflächenweg unter dem Kopf. Hier wirkt die Kriechstrecke, und deshalb kommt es auf den Flanschdurchmesser an und nicht nur auf die Dicke.
• Auch die Gegenseite muss isoliert sein. Ein isoliertes Ende und ein Ende Metall auf Metall ergeben eine leitende Verbindung mit einer teuren Scheibe darauf.
• Eine Beschichtung ist nicht der Isolator. Eloxal, Lack und Passivierung sind dünn, sie werden genau durch die Flächenpressung beschädigt, die ein Verbindungselement aufbringt, und niemand hat sie als Dielektrikum spezifiziert. Hängt die Konstruktion von ihnen ab, hat sie einen Isolator ohne Zeichnung.
• Das Spiegelbild dieser Seite ist eine Verbindung, die leiten muss. Dort sind dieselben Beschichtungen das Problem von der anderen Seite, und eine veröffentlichte Norm verbietet eloxierte und galvanisierte Scheiben für die elektrische Potenzialverbindung aus genau diesem Grund.

Der Widerspruch, vor dem niemand warnt

Zwischen den beiden Aufgaben, die dieses Teil erfüllen soll, besteht ein direkter Widerspruch, und er steht bereits in einer Zeile auf unserer eigenen Seite über Scheiben: Scheiben aus Nylon und Fiber dienen der Isolation, Abdichtung und dem Oberflächenschutz, und sie kriechen unter Dauerlast, gehören also nicht in den Klemmweg einer tragenden Verbindung. Der Rest dieser Tabelle steht unter Unterlegscheiben erklärt.

Beide Hälften gelten zugleich. Der Werkstoff, der isoliert, ist der Werkstoff, der die Vorspannkraft nicht hält. Ein Polymer im Klemmweg relaxiert, die Klemmkraft sinkt, und die Verbindung lockert sich durch einen Mechanismus, bei dem sich nichts losdreht – der zweite Versagensmechanismus in Warum sich Schrauben lösen.

Der Ausweg besteht darin, nicht mehr ein Teil beides tun zu lassen. Setzen Sie eine Metallhülse in den Klemmweg, sodass die Druckkraft durch etwas läuft, das nicht kriecht, und verwenden Sie das Polymer nur dort, wo es einen leitenden Weg unterbrechen muss, statt Last zu tragen. Muss stattdessen das ganze Verbindungselement nichtleitend sein, ist das eine andere Konstruktion mit eigenen Grenzen, und was ein Verbindungselement aus Polymer versprechen kann und was nicht, liegt näher an Schrauben für Kunststoff als an irgendetwas in einem Katalog für Stahlschrauben.

Und bei 10 kV hat sich die Norm schon zurückgezogen

IEC 60664-1 nennt ihre eigenen Grenzen im ersten Absatz des Anwendungsbereichs: Betriebsmittel mit einer Bemessungsspannung bis AC 1 000 V oder DC 1 500 V, Frequenzen bis 30 kHz, Einsatz bis 2 000 m über dem Meeresspiegel. Die Frage im Thread betraf 10 kV, eine Größenordnung darüber. Die Tabellen, zu denen alle greifen, sind nicht anwendbar, und auf dieser Seite steht auch kein Ersatzwert, weil wir nicht das Dokument sind, das ihn liefern sollte.

Zwei weitere Sätze desselben Anwendungsbereichs lohnen sich auch bei Niederspannung, weil sie die Situationen beschreiben, in denen die Zahlen aufhören, Zahlen zu sein. Die festgelegten Mindestluftstrecken gelten nicht, wo ionisierte Gase vorhanden sind, und das Dokument behandelt keine Abstände durch flüssige Isolierung, durch andere Gase als Luft oder durch Druckluft. Eine Verbindung, die nass oder staubig ist oder in etwas anderem als sauberer Luft sitzt, liegt außerhalb des Modells und nicht an seinem Rand.

Im Anwendungsbereich steht außerdem eine Anmerkung, die sich wie eine Warnung an alle liest, die eine Verbindung innerhalb eines Geräts isolieren: In internen Stromkreisen können höhere Spannungen auftreten. Die Bemessungsspannung auf dem Typschild ist nicht unbedingt die Spannung über Ihrer Scheibe.

Der andere Grund, aus dem danach gefragt wird

Elektrische Trennung ist nicht der einzige Grund, weshalb eine Isolierscheibe auf einer Zeichnung erscheint. Häufiger ist in unserem Bereich die Unterbrechung eines galvanischen Elements, bei dem das Verbindungselement oft das kleine anodische Teil in einer großen kathodischen Verbindung ist und das Ziel darin besteht, den elektrolytischen Weg zu unterbrechen statt eines elektrischen. Das ist eine andere Anforderung mit einer anderen Versagensart, nämlich Kontaktkorrosion; die Rangfolge, die entscheidet, welche Paarungen zählen, steht in der Tabelle des anodischen Index.

Es lohnt sich, beides auf der Zeichnung zu trennen, weil sie nicht dasselbe verlangen. Eine galvanische Trennung erfordert, dass der Feuchtigkeitsweg überall unterbrochen ist, wo sich die beiden Metalle einen Elektrolyten teilen könnten. Eine elektrische Trennung erfordert eine Kriechstrecke und eine Luftstrecke, die einer festgelegten Spannung standhalten. Eine Scheibe, die das eine erfüllt, erfüllt nicht automatisch das andere.

Was vor der Wahl der Hardware zu klären ist

• Sagen Sie, welcher der beiden Abstände das Problem ist. Ist es die Luftstrecke, hilft Hardware in der Bohrung nicht, und die Geometrie muss sich ändern.
• Sagen Sie, was die Klemmkraft trägt. Ist es der Isolator, läuft für die Vorspannkraft ein Countdown. Eine Metallhülse trennt die beiden Aufgaben.
• Sagen Sie, ob auch die Gegenseite isoliert ist und ob verhindert wird, dass die Schraube die Bohrungswand berührt.
• Lassen Sie keine Beschichtung zum Isolator werden. Liegt Eloxal oder Lack im Trennweg, muss es als Isolierung spezifiziert und geprüft werden, oder es darf an dieser Fläche keine Last tragen.
• Prüfen Sie, ob die Verbindung zugleich ein Potenzialausgleichsweg war. Wer sie isoliert, entfernt die Durchgängigkeit, die sie bot, und diese Frage sollte bewusst beantwortet und nicht erst später entdeckt werden.

Dieser Beitrag gehört nicht zu nur einem der sechs Schritte. Er betrifft mehrere Schritte oder Vorgänge nach der Montage. Die zugrunde liegenden Entscheidungen stehen im englischen Beitrag Specifying a screw.

Häufige Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Luftstrecke und Kriechstrecke?

IEC 60664-1 definiert sie getrennt. Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand in Luft zwischen zwei leitfähigen Teilen. Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines festen Isolierstoffs zwischen zwei leitfähigen Teilen. Eine Isolierscheibe, Buchse oder Hülse ist fester Isolierstoff im Weg und wirkt daher auf die Kriechstrecke. Den Luftweg außen um die Verbindung beeinflusst sie nicht.

Isoliert eine Bundscheibe eine Hochspannungsverbindung?

Sie behandelt den Weg durch das Verbindungselement, nicht den Weg um es herum; für sich allein lautet die Antwort bei Hochspannung daher meist nein. Genau das sagten die besten Antworten im Ausgangsthread, als sie vorschlugen, die Konstruktion zu ändern statt Hardware hinzuzufügen. IEC 60664-1 erfasst zudem nur Betriebsmittel bis AC 1000 V oder DC 1500 V; bei 10 kV gilt die Norm, in der man sonst Zahlen nachschlagen würde, also nicht, und diese Seite bietet keinen Ersatzwert.

Darf eine Nylonscheibe in eine tragende Schraubverbindung?

Nicht in den Klemmweg, wenn die Verbindung ihre Vorspannkraft behalten muss. Polymerscheiben kriechen unter Dauerlast, die Klemmkraft sinkt mit, und die Verbindung lockert sich, ohne dass sich etwas gedreht hat. Üblich ist eine Metallhülse, die die Druckkraft trägt, und Polymer nur dort, wo ein leitender Weg unterbrochen werden muss – damit das isolierende Teil nicht zugleich das Teil ist, das die Verbindung zusammenhält.

Ist eine Isolierscheibe dieselbe Lösung wie eine Scheibe gegen Kontaktkorrosion?

Die Anforderungen überschneiden sich, sind aber nicht dieselben. Elektrische Trennung wird über eine Spannung spezifiziert und braucht eine Kriechstrecke und eine Luftstrecke, die ihr standhalten. Galvanische Trennung zielt darauf, einen elektrolytischen Weg zu unterbrechen; sie verlangt, dass der Feuchtigkeitsweg überall unterbrochen ist, wo die beiden Metalle sonst einen Elektrolyten teilen könnten, auch an Stellen, die eine Spannung nie überbrückt hätte. Ein Teil, das das eine erfüllt, erfüllt nicht automatisch das andere, und die Zeichnung sollte sagen, was gefordert ist.

Gilt Eloxal als elektrische Isolierung?

Nur wenn jemand es als Isolierung spezifiziert und nachgewiesen hat. Beschichtungen sind dünn, ihr dielektrisches Verhalten ist nicht der Grund, aus dem die Oberfläche gekauft wurde, und die Flächenpressung unter einem Verbindungselement ist genau der Zustand, der sie beschädigt. Hängt eine Konstruktion bei der Isolierung einer Verbindung von einer Beschichtung ab, hat der Isolator weder Zeichnung noch Prüfung – ein anderes Problem als das, für das die Scheibe gekauft wurde.

Quellen

• IEC 60664-1:2020 — Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen; Abschnitt 1 Anwendungsbereich sowie 3.1.4 und 3.1.5 mit den Definitionen von Luftstrecke und Kriechstrecke
• IEC 60050-151 — Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, die Quelle, die IEC 60664-1 für die Definition der Kriechstrecke angibt

IEC 60664-1:2020 wurde aus der öffentlich zugänglichen Vorschau-PDF gelesen, die den Anwendungsbereich vollständig und den Abschnitt Begriffe einschließlich beider hier zitierten Definitionen enthält. Die Tabellen für Luft- und Kriechstrecken enthält die Vorschau nicht, und kein Wert daraus erscheint auf dieser Seite; auf den 10-kV-Fall im Ausgangsthread wären sie auch nicht anwendbar, da er eine Größenordnung über der Grenze der Bemessungsspannung der Norm liegt. Den im Thread genannten Wert für die Durchschlagfestigkeit von Luft geben wir bewusst nicht wieder: Der üblicherweise zitierte Wert gilt für ein homogenes Feld auf Meereshöhe, und Spitzen, Kanten, Feuchte, Druck und Verschmutzung verschieben ihn, sodass eine einzelne Zahl gerade in der beschriebenen Situation irreführen würde. Die Katalognummer von IEC 60050-151 wurde nicht mit einer zweiten Quelle abgeglichen. Ob die Isolierung einer Verbindung einen Schutzpotenzialausgleich unterbricht, wird hier als zu beantwortende Frage aufgeworfen, nicht als Anforderung aus einer Vorschrift zitiert.