Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uimp): Vollständiger technischer Leitfaden

Ein typischer 400-V-Verteiler arbeitet tatsächlich mit 400 Volt. Dennoch weisen alle an diesem Verteiler angebrachten Leitungsschutzschalter scheinbar absurd hohe Spannungsfestigkeitswerte auf: Uimp 8 kV. Achttausend Volt – multipliziert mit zwanzig – als Spannungsimpuls von 1.2 Mikrosekunden. Nein, das ist kein Tippfehler. Es ist eine gängige Konstruktionsvorgabe unserer elektrischen Systeme: Die durch Blitzeinschläge und Schaltvorgänge verursachten Spannungsänderungen sind so schnell und heftig, dass der elektrische Schutz höher sein muss als der normale Betriebsspannungsschutz für Stromleitungen, Kabelnetze und Verteileranlagen.

Die Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uimp) bezeichnet die maximale elektrische Belastung, die elektrische Betriebsmittel ohne Isolationsdurchschlag überstehen müssen, um die Gerätespezifikationen zu erfüllen. Sie ermöglicht die Auswahl geeigneter Betriebsmittel für Ihre Anwendung, von 230-V-Mittelspannungs-Leistungsschaltern für Wohnhäuser bis hin zu 400-kV-Unterseetransformatoren (XLPE), und gewährleistet die Einhaltung der jeweiligen Norm. In allen geprüften Kategorien der IEC-Dielektrizitätsprüfungen, von MDF-Schaltanlagen bis hin zu 765-kV-XLPE/HV-Kabelverbindungen, müssen Betriebsmittel ein definiertes Stoßspannungsfestigkeitsprofil aufweisen. Wenn Sie dies in Ihrer Elektroplanung festlegen und die Betriebsmittel exakt nach dieser Definition prüfen, ist mit einem sofortigen Ausfall der Geräte und Anlagen durch die Stoßspannung zu rechnen, sobald diese sich durch Ihre Anlage ausbreitet.

Dieser Artikel bietet einen umfassenden technischen Überblick: Wie definieren IEC 60060-1 und IEC 60664-1 die Stoßspannungsfestigkeit für Isolationsprüfungen? Wie spezifiziert die IEC Überspannungskategorien und zugehörige Prüfwellenformen? Was unterscheidet Blitzstoßspannungsprüfungen von Schaltstoßspannungsprüfungen? Wie erzeugt ein Marx-Schaltkreis eine Stoßwellenform? Wir beleuchten die aktuellen Ursachen für Ausfälle elektrischer Produkte und die modernen Verfahren eines Prüflabors gemäß der IEC 60060-1-Ausgabe von 2025.

Was ist die Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uimp)?

Gemäß IEC 60664-1 und bestimmten Schaltanlagenprotokollen entspricht die Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uimp) dem Spitzenwert eines geprüften Spannungsstoßes mit vorgegebener Form und Polarität, den ein Gerät bei Prüfung nach festgelegten Verfahren ohne Isolationsversagen aufbringen sollte. Vier Wörter in dieser Formulierung verdeutlichen die wesentlichen Implikationen: Spitzenwert und vorgegebene Form.

Der Wert für die Impulsfestigkeit (Uimp) wird in Kilovolt-Spitzenspannung (kVp, nicht Effektivwert) angegeben, nicht als Effektivwert. Ein 8-kV-Impuls bedeutet, dass das elektrische Bauteil einen einzelnen, kurzzeitigen Spannungsstoß von 8000 Volt aushalten muss – abgekürzt und so beschrieben, nicht als gemittelte Effektivspannung. Der Unterschied ist deutlich, wenn man die Impulsfestigkeit mit der Betriebsspannung (Ue) oder der Isolationsspannung (Ui) vergleicht, die beide als Effektivwert angegeben werden.

Die vorgeschriebene Form bezieht sich auf die Blitzstoßwellenform (IEC 60060-2) mit einer Anstiegszeit von 1.2 Mikrosekunden bis 1.2 kV und einer Abfallzeit von 50 Mikrosekunden, wie sie für die Prüfung verwendet wird. Die IEC-Standardform für elektrische Impulse hingegen beschreibt eine Abfallzeit von 50 Mikrosekunden bis zur Hälfte der gesamten Impulsdauer.

Warum Uimp weit über der Betriebsspannung liegt

Uimp ist keine Spannung, mit der das Gerät normalerweise arbeitet. Transiente Überspannungen durch Blitzeinschlag und Schaltvorgänge treten 1 µs bis wenige Millisekunden unterhalb der Systemspitzenspannung auf. Ihre Spitzenwerte liegen deutlich über der Nennspannung des Systems. Ein 230-V-Stromkreis, der einem nahen Blitzeinschlag ausgesetzt ist, kann an den Klemmen des Verteilerkastens einen transienten Spannungsstoß von 4 kV oder mehr erfahren – fast das 18-Fache der Nennspannung. Die normale Betriebsisolierung, die für 230 V plus Sicherheitszuschlag ausgelegt ist, ist nicht dafür ausgelegt, diese kurzzeitige Belastung aufzunehmen.

Die IEC-Spannungsnennwerthierarchie macht dies deutlich:

• Ue (Nennbetriebsspannung) – die normale Systemspannung, z. B. 400 V. Das ist die Spannung, bei der das Gerät seine Nennschaltleistung erbringt.
• Ui (Bemessungsisolationsspannung) ist die Wechselstrom-Referenzspannung für die Dauerprüfung, z. B. 690 V. Dies ist die maximale Spannung, der das Gerät standhalten kann (Referenzspannung für Dauerprüfungen). Die Prüfspannung für die 60-sekündige dielektrische Prüfung mit Netzfrequenz.
• Uimp (Nennimpulsspannungsfestigkeit) – die kurzzeitige Spannungsspitze, die das Gerät überstehen muss, z. B. 8 kV. Dies wird durch den 1.2/50-µs-Impulsspannungsfestigkeitstest validiert.

Die Größenordnung zwischen Ui und Uimp ist kein Zufall. Die Impulsfestigkeit bezieht sich auf die Belastbarkeit des Luftspalts und nicht auf die Belastbarkeit der Isolierung selbst. 3 mm Luft, die dauerhaft 690 V Wechselspannung aushalten, können bei einer Spitzenspannung von 4,000 V einen Überschlag verursachen, wenn die Spaltgeometrie nicht für Impulsspannungen ausgelegt ist. Uimp beschreibt die kurzzeitige Beanspruchung, der die Geometrie standhalten muss. Ui beschreibt die dauerhafte Beanspruchung, der die Isolierung standhalten muss. Die beiden Werte ersetzen nicht den anderen.

Isolationskoordination – Verwendung des Uimp-Werts, der der transienten Beanspruchung der Baustelle entspricht, gemäß IEC 60664-1 für Niederspannungsanlagen und IEC 60071-1 für Übertragungssysteme. Beide Normen ordnen die Beanspruchung der Installation dem erforderlichen Uimp-Wert zu und überprüfen diesen anschließend mit dem klassischen Impulsspannungstest nach IEC 60060-1.

IEC vs. IEEE: Uimp, BIL und die Normen für Impulsprüfungen

In internationalen Projekten werden für dasselbe Phänomen zwei Begriffe verwendet: U_imp in IEC-Normen und BIL (Basic Impulse Level) in IEEE-/nordamerikanischen Normen. Beide messen die Fähigkeit eines Geräts, einem definierten Blitzimpuls von 1.2/50 µs standzuhalten. Die physikalischen Grundlagen sind dieselben; die Unterschiede liegen in den Testverfahren und der atmosphärischen Korrektur.

Der Unterschied in der Referenzlufttemperatur (20 °C für IEC vs. 30 °C für IEEE) hat praktische Auswirkungen. Atmosphärische Korrekturfaktoren skalieren die angelegte Prüfspannung auf Standardbedingungen, wenn die Labortemperatur, der Druck oder die Luftfeuchtigkeit vom Referenzwert abweichen. Geräte, die bei 20 °C Referenztemperatur validiert wurden, können bei 30 °C leicht abweichende Korrekturfaktoren liefern. Dies kann zu scheinbaren Diskrepanzen bei der Beschaffung von Komponenten aus verschiedenen Normungsregionen führen. Bei internationalen Projekten ist daher zu prüfen, welche Norm gilt und ob die erstellten Typprüfberichte die korrekte Referenztemperatur verwenden.

Die IEC-Normenhierarchie für Impulsspannungsfestigkeit

Das U-imp-Bild wird durch drei IEC-Normen gezeichnet, von denen jede eine andere Ebene des Systems abdeckt:

• IEC 60664-1 (2020, Ausgabe 3) – Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungssystemen bis 1.000 V AC / 1500 V DC. Enthält die Tabellen der Überspannungskategorien, die die Systemspannung und den Installationsort mit dem erforderlichen U_imp verknüpfen. Dies ist die Norm, auf die sich der Geräteentwickler bei der Auswahl des U_imp für einen Leitungsschutzschalter (MCCB), eine Klemmenleiste oder einen Schütz bezieht.
• IEC 60060-1 (2025, Ausgabe 4) – Hochspannungsprüfverfahren, Teil 1. Dokumentiert die 1.2/50-µs-Impulsform, Toleranzen und atmosphärische Korrekturfaktoren. Sie legt die Kriterien für das Bestehen/Nichtbestehen von Impulsspannungsprüfungen im Labor fest. Die vierte Ausgabe von 2025 erweitert den Anwendungsbereich auf Höchstspannungsgeräte und ergänzt explizit digitale Verfahren zur Impulsformauswertung. Dieses Dokument dient Prüflaboren als Grundlage für die Festlegung des Prüfverfahrens.
• IEC 62271-100 (2021) – Wechselstrom-Leistungsschalter. Definiert die erforderlichen und empfohlenen Bemessungs-Blitzstoßspannungsfestigkeiten. Für Betriebsmittel mit einer Nennspannung von über ca. 72.5 kV sind neben Blitzstoßspannungsprüfungen auch zugelassene Schaltstoßspannungsprüfungen erforderlich.

Einen detaillierten Abschnitt über die Blitzstoßfestigkeit in Bezug auf DEMIKS-Hochspannungsgeräte finden Sie unter: Eine Einführung in die Blitzstoßfestigkeit.

Überspannungskategorien und Uimp-Werte nach Systemspannung

Die IEC 60664-1 klassifiziert Niederspannungsanlagen in vier Überspannungskategorien (OVC I–IV), je nachdem, wo die Geräte relativ zum Netzanschlusspunkt installiert sind. Geräte, die sich näher am Netzanschluss befinden, sind durch Blitzeinschläge und Schaltvorgänge einer höheren transienten Energie ausgesetzt und werden daher für einen höheren Uimp-Wert spezifiziert. Im Inneren einer gesicherten Anlage tritt die Spannung hinter Dämpfungsstufen wie Kabelimpedanz und Überspannungsschutzgeräten auf.

Blitzableiter und Überspannungsschutzgeräte (SPD) der Kategorie 2 benötigen häufig eine Impedanz von bis zu 8 kV, um eine ausreichende Gerätereserve zu gewährleisten und Lieferantenabweichungen auszugleichen. Diese Reserve ist besonders wichtig für Verteilerkästen, da hier die Sicherheitsabschaltung der Geräte auf ein Verteilergerät erfolgt und ein einzelner Verteilerkasten oft deutlich mehr nachgelagerte Verbraucher versorgt als eine vergleichbare Überspannungsschutzanlage der Kategorie IV.

Anforderungen an Mittelspannungs-Uimp (IEC 62271-100)

Für Hauptverteilungsschaltanlagen und Hauptzuleitungen zu Transformatoren können Mittelspannungs-Leistungsschalter und -Schaltanlagen mit einer Nennspannung von 10–12 kV spezifiziert werden. Die Spezifizierung eines Leistungsschalters in Industriequalität ist allgemein anerkannt, da im Hochspannungsbereich eine Nennspannung von 8 kV oder mehr üblich ist – jenseits des Mindestwerts von 4 kV für OVC-III-Geräte.

Für Schaltanlagen und Leistungsschalter ab 1 kV legt die IEC 62271-100 die erforderliche Blitzstoßspannungsfestigkeit (LIWV) in Abhängigkeit von der Bemessungsspannung Ur fest. Die Werte basieren auf langjährigen Praxisdaten und Ausfallstatistiken, wobei jede Spannungskategorie untere und obere Grenzwerte aufweist.

Für 11-kV-Schaltanlagen (die in britischen und Commonwealth-Verteilungsnetzen übliche Nennspannungsklasse Ur = 12 kV) beträgt die LIWV-Anforderung 75 kV. Das bedeutet, dass Geräte mit einer Nennspannung von 12 kV einen Impulsspannungstest mit einer Spitzenspannung von 75 kV bestehen müssen. Bei diesem Test muss ein Leistungsschalter einen einzelnen Schalt- oder Blitzstoß mit mehr als dem Sechsfachen seiner Nennspannung aushalten können. Höhere Spannungen weisen ein höheres Verhältnis auf, da größere Luftabstände Überspannungen besser abfangen können.

Blitzimpuls vs. Schaltimpuls: Zwei Wellenformen, ein Ziel

Zusätzlich zur Impulsprüfung ist das Vorhandensein von Teilentladung Die Aktivität während der Typprüfung wird üblicherweise überprüft, um festzustellen, ob Impulsprüfungen eine Isolationsspannung unterhalb des Überschlags festgestellt haben.

In IEC 60060-1 werden zwei ähnliche Wellenformen verwendet. Jede repräsentiert einen anderen physikalischen Prozess im Stromversorgungssystem und ist für unterschiedliche Geräteklassen anwendbar. Es stellt einen Spezifikationsfehler dar, die für die Prüfanforderungen ungeeignete Standardwellenform auszuwählen.

Die Blitzstoßwellenform (LI) modelliert die elektrische Form einer durch Blitzschlag verursachten Überspannung: ein rascher Spannungsanstieg, gefolgt von einem langen, abfallenden Ausläufer. Diese Standardwellenform ist mit 1.2/50 μs dokumentiert. Bei einer Anstiegszeit von T1 = 1.2 μs (30 %) kann die tatsächliche Wellenfront zwischen 0.84 μs und 1.56 μs liegen, ohne dass die Prüfung beeinträchtigt wird. Die Halbwertszeit von T2 = 50 μs (20 %) bedeutet, dass selbst eine tatsächliche Zeit von 40–60 μs noch zum Bestehen der Prüfung führt. Diese Prüfungen sind für nahezu alle Hochspannungskomponenten erforderlich, von 400-V-Vakuumschaltanlagen bis hin zu 765-kV-Transformatordurchführungen.

Der Schaltimpuls (SI) simuliert transiente Überspannungsereignisse, die durch Schaltvorgänge im Stromnetz entstehen: das Einschalten einer langen Freileitung, das Unterbrechen einer Kondensatorbatterie oder das Öffnen eines Hochspannungsschalters unter Last. Alle diese Ereignisse erzeugen einen Spannungsstoß mit längerer Verzögerung und längerer Dauer im Vergleich zum schnellen Blitzimpuls. Typische Wellenform des Schaltimpulses: 250/2500 µs – Anstiegszeit 250 µs (20 %), Halbwertszeit 2,500 µs (60 %). Da Schaltvorgänge stärker variieren können, werden für die Wellenform des Schaltimpulses größere Toleranzbereiche verwendet.

Ab einer Nennspannung von ca. 72.5 kV schreibt die IEC 62271-100 generell die Prüfung der Blitz- und Schaltstoßfestigkeit vor. Dies erscheint paradox: Die Durchschlagspannung übersteigt die Blitzstoßspannung bei langen externen Luftstrecken (Freileitungen, Außenisolatoren, lange Kriechstrecken an Freiluftgeräten) unter Einwirkung des langsamer ansteigenden Schaltstoßes. Dies erklärt, warum lange Luftstrecken – bei denen sich die Entladung erst nach einiger Zeit vollständig ausbreiten kann – unter dem langsamer ansteigenden Schaltstoß eine niedrigere Überschlagspannung aufweisen als unter dem Blitzstoß. Die 250/2500-µs-Wellenform² eignet sich für diese Prüfung, da sie die für den vollständigen Übergangsprozess benötigte Zeit simuliert – die 1.2/50-µs-Wellenform² hingegen nicht.

So funktioniert der Impulsspannungstest: Schritt für Schritt

Gemäß IEC 60060-1 erfordert die Impulsspannungsprüfung – sofern sie ordnungsgemäß durchgeführt wird – die Kombination aller Prüfdetails: Bestätigung der Gültigkeit der Wellenform, der atmosphärischen Korrektur und der Schussfolge.

Phase 1: Vorbereitung auf den Test

1. Kalibrieren Sie das Messsystem. Das digitale Messsystem und der Spannungsteiler müssen vor jedem Test auf Genauigkeit geprüft und gemäß IEC 60060-2 neu kalibriert werden. Geräte außerhalb der Toleranz können Fehler verschleiern oder zu unerwünschten Ausschussquoten führen.
2. Atmosphärische Korrektur. IEC 60060-1 schreibt die Aufzeichnung von Temperatur, Druck und absoluter Luftfeuchtigkeit vor jeder Testsitzung vor. Basierend auf dem atmosphärischen Korrekturfaktor k kann die programmierte Uimp – multipliziert mit k gemäß IEC 60060-2 – höher sein als die tatsächlich zum Auslösen der Schüsse verwendete Spannung. Dies kann bei Tests in großer Höhe oder unter feuchten Bedingungen zu Abweichungen von mehreren Prozent führen.
3. Prüfen Sie die Probe. Achten Sie auf Oberflächenverunreinigungen, Feuchtigkeit und mechanische Beschädigungen. Ergebnisse von verunreinigten Proben spiegeln die Impulsfestigkeit des Geräts nicht genau wider und können zur Ablehnung führen.
4. Führen Sie die Prüfung der reduzierten Spannungswellenform durch. Legen Sie einen Impuls von 50–75 % der vorgesehenen Impedanz Uimp an das Prüfobjekt an und erfassen Sie die Punkte T1 und T2 der Wellenform (IEC 60060-1). Stellen Sie sicher, dass T1 innerhalb von 1.2 µs ± 30 % und T2 innerhalb von 50 µs ± 20 % des Sollwerts gemäß IEC 60060-1 liegt. Sobald die Wellenformprüfung bei reduzierter Spannung bestätigt ist, erhöhen Sie die Spannung für die nachfolgenden Impulse auf Vollspannung.

Phase 2: Die Prüfsequenz für die Widerstandsfähigkeit

Das grundlegende Testprotokoll sieht eine Reihe von Impulsschüssen auf den vorgesehenen Uimp vor:

• Anzahl der Impulsprüfungen: Der typische Impulsfestigkeitsbereich beträgt gemäß Produktnorm normalerweise 15 Impulsimpulse pro Polarität für Typprüfungen. Bei Routineprüfungen mit niedrigeren Spannungen werden üblicherweise weniger Impulsimpulse angewendet, um die Produktkonsistenz zu gewährleisten, ohne das vollständige Typprüfungsprotokoll wiederholen zu müssen.
• Polaritätsfolge: Es werden positive und negative Impulse angelegt. Bestimmte Isolationsgeometrien reagieren unterschiedlich auf die Polarität: Bei einem asymmetrischen Elektrodensystem, das positive Impulse von 75 kV übersteht, können negative Impulse bei niedrigerer Spannung einen Überschlag verursachen.
• Zwischenschussintervall: Ein Intervall von mindestens 1 Sekunde zwischen den Schüssen. Da die kurzzeitige Ionisation im Luftspalt bis dahin durch Abklingen nachgelassen hat.
• Bewertungskriterien: Einzigartige Entladung, Überschlag oder Perforation, kann beim Test zu einer Prüfung führen, was beim Lanzieren definitiv der Fall ist. Die gesamte Verschlechterung des Isolationszustands muss als eine Verschlechterung des Tests angesehen werden.

Impulsprüfung mit abgehackter Welle

Zusätzlich zu den spezifizierten Vollwellenprüfungen fordern einige Produktnormen (am häufigsten IEC 60076-4 für Leistungstransformatoren und verschiedene IEEE BIL-Protokolle) auch eine Zerhackerprüfung. Dabei steigt die Spannung bis zu einem vordefinierten Überspannungspegel (üblicherweise etwa 1.1–1.15 des Vollwellenspitzenwerts) an, bevor eine Funkenstrecke die Spannung innerhalb von 2–6 µs abrupt absinken lässt. Die Zerhackerwellenform erzeugt ein charakteristisches Spannungsmuster in der Wicklungsisolierung, das mitunter Schwachstellen aufdeckt, die bei der Vollwellenprüfung weniger deutlich erkennbar sind.

Windungsschlussprüfung der Isolationsleistung an Motor- und Transformatorwicklungen, DEMIKS Stoßspannungsprüfer Es wird ein spezieller Impuls eingeführt, um Schäden an der Windungsisolation bei der Wicklungsprüfung frühzeitig zu erkennen. Es ist mit der gesamten Impulsfestigkeitsprüfung von Anlagen im Allgemeinen kompatibel.

Im Inneren des Impulsspannungsgenerators: Vom Marx-Schaltkreis zur Messung

Eine Wellenform von 1.2/50 µs bei Testspannungen von 40 kV bis 7200 kV lässt sich mit keiner Schaltungstopologie direkt aus einem einzelnen Hochspannungsnetzteil erzeugen. Die Lösung – die auf die 1923 von Erwin Marx entwickelte Schaltungstopologie zurückgeht, welche die Konstruktion konventioneller Impulsspannungsgeneratoren bis heute prägt – besteht darin, mehrere Kondensatoren parallel zu laden und sie anschließend in Reihe über eine Kaskade von Funkenstrecken zu entladen.

Wie der Marx-Kreislauf funktioniert

Ein Marx-Schaltkreis besteht aus n identischen Stufen. Jede Stufe enthält einen Kondensator C, einen Ladewiderstand und eine Funkenstrecke. Die Hochspannungs-Gleichstromquelle lädt während der Ladephase alle Kondensatoren gleichzeitig auf die Spannung Vc auf.

In den Ladungen sorgen Widerstände dafür, dass alle Elemente parallel geschaltet sind, während die Stufen voneinander getrennt sind.

Sobald der Auslöser die erste Funkenstrecke zündet, setzt eine sofortige Kettenreaktion ein: Die Spannung am ersten Kondensator addiert sich mit der bereits vorhandenen Ladung am zweiten, wodurch 2 Vc an der zweiten Funkenstrecke anliegen. Dies führt zu einem Kurzschluss und einem Elektronenfluss, da der dritte Kondensator 3 Vc erhält. Diese Kaskade setzt sich innerhalb von Nanosekunden über alle n Stufen fort, und die Kondensatoren sind effektiv in Reihe geschaltet, sodass die Ausgangsspannung n Vc beträgt.

Wellenformformung: Eingangs- und Ausgangswiderstände

Die 1.2/50 μs-Form wird durch zwei RC-Netzwerke außerhalb der Marx-Bank bestimmt:

• Der Eingangswiderstand (Rf) befindet sich zwischen Generator und Prüfling. Dieses Schaltungselement steuert die Anstiegszeit (T1). Eine Erhöhung von Rf verlangsamt den Anstieg, eine Verringerung beschleunigt ihn.
• Der Endwiderstand (Rt) ist parallel zum Prüfling geschaltet. Er bestimmt die Abklingzeit (T2). Je größer der Wert von Rt, desto länger dauert das Abklingen.

Der Generatorhersteller wählt die Werte für Rf und Rt so, dass die gewünschte Wellenform innerhalb der Toleranzgrenzen der IEC 60060-1 erreicht wird. Abweichungen in der Kapazität des Prüfobjekts, z. B. beim Testen eines kurzen Kabelstücks im Vergleich zu einer großen Transformatordurchführung, führen zu einer anderen effektiven Wellenform. Daher müssen die Widerstände am Ein- und Ausgang gegebenenfalls feinjustiert werden, um innerhalb der Toleranzgrenzen zu bleiben.

Die Messkette

Zur Messung eines hundert Kilovolt-Fehlers mit einer Dauer von Mikrosekunden ist eine spezielle Messkette erforderlich, die aus drei wesentlichen Komponenten besteht:

1. Hochspannungsimpulsteiler – teilt die Impulsspannung in einem genau festgelegten Verhältnis, z. B. 1000:1 oder höher, sodass das Messgerät ein Signal in akzeptabler Größenordnung empfängt. DEMIKS AC/DC-Spannungsteiler sind in den für IEC 60060-2 spezifizierten Verhältnissen und Genauigkeiten erhältlich. Bei ausreichender Bandbreite gibt der Teiler die Impulswellenfront genau wieder (z. B. 1.2 μs Anstiegszeit).
2. Verlustarmes Koaxialkabel – überträgt das skalierte Signal vom Teilerausgang zum Aufnahmegerät ohne Verzerrung der Wellenform. Länge und Impedanz des Kabels sind an die Impedanz des Teilerausgangs angepasst.
3. Digitale Impulsschreiber erfassen Wellenformen mit einer zeitlichen Auflösung im Nanosekundenbereich zur Aufzeichnung und anschließenden Wellenformanalyse. Die Norm IEEE Std 1122-2024 definiert nun die Bandbreite, die Abtastrate und die Gesamtgenauigkeit, die ein Impulsschreiber aufweisen muss, damit die gemessenen Impulswerte in verlässlichen Prüfberichten verwendet werden können.

Die Kombination aus einem kalibrierten Spannungsteiler und einem digitalen Schreiber mit hoher Bandbreite hat in der digitalen Ära bei Impulsmesssystemen das analoge Voltmeter als durch IEC 60060-1:2025 motiviertes Standardsystem abgelöst. Die Aufzeichnung der Koronaionisationsaktivität neben der Hauptwellenform ermöglicht zusätzliche Einblicke in die Vorüberschlagsaktivität.

Spannungsfestigkeit vs. Impulsfestigkeit: Welcher Test beweist was?

Sowohl die Spannungsfestigkeitsprüfung (Hochspannungsprüfung) als auch die Impulsfestigkeitsprüfung bewerten die Isolationsqualität eines Isolationssystems – sie wenden jedoch unterschiedliche Belastungsbedingungen an und identifizieren daher unterschiedliche Fehler. Werden die beiden Prüfungen verwechselt, führt dies zu einer suboptimalen Gerätekonstruktion in einer oder beiden Prüfungen. Umfassende Kenntnisse über die jeweiligen Prüfkriterien sind daher entscheidend für die Auslegung der Konstruktionsspezifikationen und die Beurteilung, ob eine oder beide Prüfungen kritisch sind.

Warum das Bestehen einer Prüfung nicht bedeutet, dass man auch die andere Prüfung besteht

Die Spannungsfestigkeitsprüfung ist bei Niederspannungsgeräten (ca. 2Ui + 1,000 V, IEC 60947-1) von der Größenordnung her vergleichbar mit dem Uimp-Wert desselben Geräts. Beispielsweise beträgt die Prüfspannung für einen 690-V-Leistungsschalter mit Nennspannung Ui ca. 2,380 V AC; sie liegt damit deutlich unter dem Spitzenwert von 8,000 V Uimp. Durch die unterschiedliche Belastung bewerten die beiden Prüfverfahren völlig unterschiedliche Aspekte der Isolationsleistung: Das eine prüft die Isolationsmasse unter einer langsam ansteigenden Belastung, das andere die Geometrie des Zielspalts während eines kurzzeitigen Überschwingens.

Das Bestehen einer 60-sekündigen dielektrischen Prüfspannung bei einem Gerät mit einem bestimmten Luftspalt bedeutet nicht, dass das Gerät auch bei einem Impulsüberschlag gleicher Stärke bestehen würde, selbst wenn das Isolationssystem identisch ist. Umgekehrt kann ein Gerät mit großzügigem Luftspalt für die Impulsüberschlagsprüfung die Netzfrequenzprüfung nicht bestehen, wenn es auf eine Weise verunreinigt ist, die keinen Einfluss auf den Kurzzeitimpulsüberschlag hat. Beide Prüfungen sind erforderlich, um den Widerstand zuverlässig zu bestimmen.

Bestens geeignet für dielektrische Prüfung Bei der Inbetriebnahme in der Produktion oder vor Ort unterstützen die Netzfrequenz-Spannungsprüfgeräte von DEMIKS alle routinemäßigen Hochspannungsprüfungen von der Fertigung bis zur Inbetriebnahme. Falls hohe Isolationswiderstandswerte Teil Ihrer dielektrischen Prüfung sind, konsultieren Sie bitte unseren Leitfaden: Isolationswiderstandsmessgeräte verstehen.

Was verursacht wirklich Fehler bei Impulstests – und wie man sie interpretiert

Ein Fehler im Impulstest ist nicht nur ein Ergebnis (bestanden/nicht bestanden), sondern ein diagnostisches Signal. Die Kenntnis der vier typischen Fehlermuster im Impulstest, die in Prüflaboren und Felduntersuchungen beobachtet werden, wandelt ein aussortiertes Prüfstück in wertvolle Konstruktionsinformationen um.

Fehlermodus 1: Oberflächenüberschlag

Oberflächenüberschläge sind die häufigste Fehlerursache bei Impulsprüfungen. Anstatt die massive Isolierung zu durchdringen, sucht sich die Spannung den Weg des geringsten Widerstands an der Oberfläche – entlang einer Durchführung, über eine Leiterplatte oder entlang der Kriechstrecke des Isolators. Der entstehende Lichtbogen erlischt, sobald der Impuls abklingt, und hinterlässt eine Kohlenstoffspur auf der Oberfläche.

Drei Hauptursachen können zu Oberflächenüberschlägen führen: unzureichende Kriechstrecke in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad und der Spannung; Oberflächenverunreinigung durch leitfähigen Staub oder Wasserfilm; oder eine geometrische Struktur, die das elektrische Feld an einer bestimmten Isolierkante oder -ecke konzentriert. Durch Vergrößerung der Kriechstrecke, Aufbringen einer Schutzbeschichtung oder Modifizierung der Elektrodengeometrie lassen sich die meisten Oberflächenüberschläge beheben, ohne dass das Isoliermaterial vom Bauteil entfernt werden muss.

Fehlermodus 2: Durchstoß der Isolierung

Ein Durchschlag tritt auf, wenn die Impulsspannung das gesamte Isoliermaterial durchdringt und einen dauerhaften leitenden Kanal bildet. Im Gegensatz zu einem Oberflächenüberschlag ist ein Durchschlag irreparabel. Das Prüfobjekt wird zerstört und kann nicht wieder in Betrieb genommen werden. Durchschlagsfehler bei oder unterhalb der Nennstoßspannungsfestigkeit deuten darauf hin, dass die Konstruktion die angegebenen Nennwerte nicht erfüllt – entweder ist die Isolationsdicke unzureichend oder das Material weist Herstellungsfehler wie Hohlräume, Einschlüsse oder Delaminationen auf.

Ein Durchstoßversagen am Ende eines Impulstests deutet auf einen Konstruktionsfehler und nicht auf einen Herstellungsfehler hin. Die Gerätekonstruktion muss überarbeitet werden, bevor die Zertifizierungsprüfung fortgesetzt werden kann.

Fehlermodus 3: Fortschreitende Teilentladung (Verschlechterung unterhalb des Überschlags)

Interne Hohlräume mit geringer Energie, Kanten von Entladungselektroden oder Grenzflächen zwischen Isolierstoffen führen nicht zu einem sofortigen Überschlag. Stattdessen entsteht durch wiederholte Entladungen ein fortschreitender Schaden. Teilentladung Die Aktivität mehrerer ansteigender Impulse führt zu einer allmählichen Versprödung des Isoliermaterials. Geräte können die Impulsfestigkeitsprüfung beim ersten Einsatz bestehen, doch die Langzeitwirkungen von Teilentladungen in der Widerstandsisolierung führen nach längerem Betrieb zu einer fortschreitenden Verschlechterung – insbesondere in Anlagen mit häufigen Schaltvorgängen, die die Isolierung wiederholt unterhalb der Impulsüberschlagsschwelle belasten.

Die von CIGRE durchgeführte Analyse kommt zu dem Schluss, dass weit über 20 % der Leistungsschalterausfälle bei Betriebsspannungen auf Isolationsmängel zurückzuführen sind. Viele dieser Ausfälle entstehen durch kumulative Schäden infolge von Teilentladungen und nicht durch einzelne Durchschläge, die der Impulsfestigkeitstest hätte erkennen können. Kurzfristig Teilentladungsprüfung Parallel zu Impulsprüfungen während der Typprüfung werden potenzielle Teilentladungsfehler und deren Vorläufer vor dem Veröffentlichungsdatum identifiziert – ein Erkenntnisgrad, den das Kriterium „bestanden/nicht bestanden“ allein nicht bieten kann.

Fehlermodus 4: Verwechslung von Typprüfung und Routineprüfung

Ein weiterer Fehlermechanismus ist ein Beschaffungsfehler, nicht ein tatsächlicher physischer Defekt – die Folgen im praktischen Einsatz können jedoch genauso kostspielig sein. Der Uimp-Wert in jedem Gerätedatenblatt wird aus einer Typprüfung abgeleitet, die von einem zugelassenen Labor an Mustergeräten durchgeführt wird. Normale Produktionsprüfungen, die üblicherweise an jedem Gerät durchgeführt werden, überprüfen die Fertigungsqualität mit einer niedrigeren Spannung und kürzerer Prüfdauer. Es ist falsch, einen routinemäßigen Prüfbericht allein als Nachweis für den ermittelten Uimp-Wert des Geräts zu akzeptieren: Die routinemäßigen Prüfungen belegen die Gleichmäßigkeit der Produktion im Werk, nur die Typprüfung weist den tatsächlichen Impulsfestigkeitswert der Konstruktion nach.

Anschließend wurde festgestellt, dass Feldausfälle nach Blitzeinschlägen auf Geräte zurückzuführen sind, bei denen bei der Beschaffung lediglich der routinemäßige Prüfbericht geprüft wurde und bei denen ein solches Gerät in einer Überspannungskategorie installiert worden war, für die es gemäß Uimp unterdimensioniert war – nicht versehentlich seitens des OEM, sondern weil die Beschaffungsspezifikation nicht zwischen zwei Prüfstufen differenzierte.

Die Zukunft der Impulsprüfung: IEC 60060-1:2025 und ihre Änderungen

Die Impulsprüftechnik entwickelt sich ständig weiter. Die vierte Ausgabe der IEC 60060-1, die 2025 erscheinen soll, und ein neuer IEEE-Standard für digitale Schreiber berücksichtigen bereits die konkreten Veränderungen, die sich heute in führenden Prüflaboratorien bemerkbar machen.

IEC 60060-1:2025 (Ausgabe 4) — Drei Änderungen, die es wert sind, bekannt zu sein

• Die Anforderungen an Anwendungen im Höchstspannungsbereich (UHV) wurden erfüllt. Ausgabe 4 richtet sich speziell an Geräte, die mit Spannungen über 1,000 kV AC oder 1,500 kV DC betrieben werden – eine Geräteart, die in den riesigen neuen UHV-Übertragungskorridoren, die sich in Asien und dem Nahen Osten rasant ausbreiten, immer häufiger anzutreffen ist. Bisher boten die IEC-Normen dort zwar Prüfmethoden, aber keine konkreten Prüfverfahren. Impulsprüflaboratorien, die UHV-Gerätehersteller betreuen, verfügen nun über formale Verfahren und müssen keine projektspezifischen Kompromisse mehr eingehen.
• Die neue Ausgabe aktualisiert die Verfahren zur Wellenformverifizierung. Bei den höchsten Spannungspegeln kann die Belastung durch sehr hohe kapazitive Lasten im Prüfobjekt die Wellenform verfälschen. Generatorspannung Die Wellenform kann die Berechnung der zu messenden Parameter verfälschen – die genaue Vorgehensweise wird in der neuen Auflage erläutert. Labore, die mit Leistungstransformatoren arbeiten und große Testobjekte untersuchen, hatten in der dritten Auflage eine Lösung entwickelt; die neue Auflage beschreibt dieses Verfahren.
• Die vierte Ausgabe enthält einen Anhang zur formalen digitalen Wellenformanalyse. Dieser ergänzt die manuellen Berechnungsmethoden in Anhang C der dritten Ausgabe um ein spezielles softwarebasiertes Framework zur Wellenformanalyse. Damit wird formal anerkannt, dass der digitale Vergleich – bei dem Wellenformen bei reduzierter und voller Spannung automatisch verglichen werden – nun die Standardanalysemethode und nicht mehr nur ein ergänzender Ansatz ist.

IEEE Std 1122-2024 — Mindeststandard für digitale Aufnahmegeräte

Zusammen mit der IEC-Aktualisierung veröffentlichte das IEEE den Standard IEEE Std 1122-2024, der die Betriebsparameter – Mindestbandbreite, Abtastrate, Dynamikbereich und Genauigkeit – für digitale Schreiber zur Messung von Impulsspannungen und -strömen festlegt. Dieser Standard ist hilfreich, da nicht alle digitalen Oszilloskope über ausreichende Bandbreite oder Genauigkeit verfügen, um die in IEC 60060-1 spezifizierte Anstiegszeit von 1.2 ms zu bewältigen. Prüflaboratorien und Einkäufer können sich nun bei der Anforderung oder Bewertung digitaler Schreiber für Impulsmessungen direkt auf den IEEE-Standard Std 1122-2024 beziehen, anstatt sich auf allgemeine Bandbreitenspezifikationen zu verlassen, die möglicherweise nicht für Impulsmessungen geeignet sind.

Automatisierung und Impulstests vor Ort

Zwei längerfristige Trends, die die gängige Anwendung von Impulstests beeinflussen, sind:

• Automatisierte Testplattformen vereinen Impulsgeneratorsteuerung, Wellenformerfassung, Berechnung eines Wetterkorrekturfaktors, Gut/Schlecht-Entscheidung und Testberichterstellung in einer einzigen Software-Suite. Dies minimiert menschliche Fehler in der Testsequenz, beschleunigt den Durchsatz bei großen Testvolumina und erstellt einen standardisierten Bericht, der die Dokumentationsanforderungen der IEC 60060-1 erfüllt – ganz ohne manuelle Übertragung.
• Mobile Impulsprüfungen von Verteilnetzausrüstungen vor Ort sind möglich, da Miniatur-Marx-Generatoren im Bereich von 100–500 kV feldtauglich sind. Jüngste Untersuchungen zu Blitzstoßprüfungen von Verteilschaltanlagen vor Ort zeigen, dass die Kalibrierung der Prüfgeräte nicht im Werk des Herstellers, sondern vor Ort mit werkseitiger Kalibrierung und Prüfqualität durchgeführt werden kann – insbesondere für Geräte, die nicht in ein zentrales Labor transportiert werden können. Diese Information ist für DEMIKS-Kunden, die Verteilnetzbetreiber unterstützen, von großer Bedeutung.

Häufig gestellte Fragen zur Bemessungsstoßspannungsfestigkeit