Isolatie en diëlektrische sterkte

Kruipweg

De kruipweg, of creepage, is sterk afhankelijk van twee factoren: De isolerende waarde van het toegepaste isolatiemateriaal en de omgevingscondities, of meer specifiek, de vervuilingsgraad waarmee rekening dient te worden gehouden.
De isolerende waarde van het gebruikte materiaal is onderverdeeld in drie (vier) groepen: De zogeheten “Material Groups” (MG). Deze groepen, I, II, IIIa en IIIb zijn gebaseerd op de “Comparative Tracking Index”(CTI). De meeste materialen vallen in de ‘minst isolerende’ groep IIIa/b. Overigens worden in veel normen de groepen IIIa en IIIb samengenomen.
Voordat de minimale kruipafstand voor een bepaalde werkspanning bepaald kan worden, moet dus de MG (of CTI-waarde) bekend zijn. Is deze niet bekend wordt altijd van MG IIIa/b uitgegaan.
De tweede (externe) factor waar rekening mee gehouden moet worden, is de vervuilingsgraad of Pollution Degree (PD). Bij ‘normale’ vervuiling (niet geleidend stof) wordt PD2 aangehouden. Het zal duidelijk zijn dat bij een lagere vervuilingsgraad de creepage kleiner kan zijn, terwijl toch voldoende isolerende eigenschappen behouden worden.

In de basisnorm EN-IEC 60664-1 worden vier vervuilingsgradaties beschreven:

PD2 en PD3 zijn veel voorkomende situaties. Door de juiste kruipwegen te kiezen, wordt een veilig product gerealiseerd.
Soms is het niet mogelijk om de vereiste creepages te halen. In dat geval kan de elektronica in een inerte omgeving gemonteerd worden, gecoat of ingegoten worden. Let erop, dat bij de toepassing van een inerte omgeving, deze tijdens installatie, gebruik en onderhoud niet gecompromitteerd kan worden. Dit stelt dus hoge eisen aan installateurs en service engineers.
Wanneer ingieten of coaten als oplossing wordt gekozen, moeten deze bewerkingsprocessen wel aan strikte eisen voldoen. In de diverse productveiligheidsnormen staan hiervoor speciale testen. Ervaring leert dat ‘een PCBtje coaten’ in de praktijk vaak een stuk lastiger is, dan op het eerste gezicht wordt gedacht.
De eisen voor kruipwegen voor PD4 staan niet exact beschreven in de norm EN-IEC 60664-1. In feite komt het erop neer dat in geval van PD4 uit gegaan moet worden van een oneindig lange kruipweg. 

Hoe kan hiervoor dan toch elektronica worden ontworpen?
Hiertoe zal de kruipweg moeten worden onderbroken. Een combinatie van materialen die vuilafstotend en film-brekend zijn met de eisen voor PD3 kan een oplossing bieden. Het, wellicht meest bekende voorbeeld, is wel de keramiek isolatoren in hoogspanningsmasten. Deze hangen immers buiten in weer en wind en zijn dus PD4. De geribbelde structuur geeft extra veel kruipweg en het materiaal (en geometrie) is film brekend/vuilafstotend. 

Luchtweg

De afstand door de lucht (clearance) is afhankelijk van de te isoleren spanning en de luchtdruk. De meeste normen definiëren clearances standaard tot maximaal 2 km boven zeeniveau. Daarboven wordt de clearance per kilometer bijgesteld.
De clearance is afhankelijk van de luchtdruk, en dus van de (installatie-)hoogte. Dit wordt beschreven door de wet van Paschen.
Naast fysiek meten, mogen clearances ook geverifieerd worden door het uitvoeren van een zogeheten diëlektrische sterktetest. Bij deze test wordt een hoogspanning over de isolatie barrière gezet. Wanneer er gedurende (meestal) 1 minuut geen doorslag optreedt, mag worden aangenomen dat de toegepaste clearances voldoende groot zijn.
Zo wordt voor het testen van bijvoorbeeld dubbele isolatie, voor werkspanningen tot 420 Vrms (conform de EN-IEC 60950-1), een testspanning van 3 kVrms (of √2 x 3 kV = 4.23 kVDC) toegepast. Deze test geldt voor een installatiehoogte tot 2 km boven zeeniveau. Voor grotere hoogte (of lagere luchtdrukken) zal de clearance en dus de testspanning hoger zijn.
De EN-IEC 61010-1 heeft vergelijkbare testwaarden. Echter deze norm kent wel een extra voorwaarde: Bij het uitvoeren van een diëlektrische sterkte test met het doel de clearances te verifiëren, waarbij de testlocatie zich niet op gewenste installatiehoogte bevindt, (standaard dus 2 km boven zeeniveau) moet een correctie van de testspanning worden toegepast. De toe te passen correctie is te vinden in tabel 10 in deze norm. Voor een 3 kVrms test betekent dit dat de testspanning met een factor 1.22 gecorrigeerd moet worden. Met andere woorden, volgens deze norm zou met 1.22 * 3 = 3.66 kVrms getest moeten worden.
Als gevolg van deze extra voorwaarde kan dus gesteld worden dat een Safety Extra Low Voltage (SELV) voeding die bijvoorbeeld aan de EN-IEC 60950-1 voldoet, niet per definitie ook aan de EN-IEC 61010-1 hoeft te voldoen. Overigens zijn er meer verschillen tussen SELV-eisen per norm. Hiervoor wordt verwezen naar het artikel SELV-voedingen op https://www.dare.nl/learning-centre/edutorials.
De correctie van de testspanning bij de diëlektrische sterktetest is gebaseerd op de effecten zoals beschreven in de wet van Paschen en mag dus alleen voor verificatie van de clearances worden toegepast. De diëlektrische sterktetest kan ook gebruikt worden om te verifiëren of materiaal voldoende isolerend is. Denk hierbij aan PCB-materiaal, maar bijvoorbeeld ook aan isolatietape in transformatoren of de (interne) constructie van een opto-coupler. Voor deze testen mag de genoemde correctiefactor niet toegepast worden.

Meer weten? DARE!! Measurements biedt technical guidance aan. Hiervoor kunt u contact opnemen met onze verkoopafdeling: measurements@dare.nl

Terug naar overzicht