Inhaltsverzeichnis

• EN61558 (Sicherheit von Transformatoren, Drosseln, Stromversorgungseinheiten und Kombinationen davon) und andere Sicherheitsnormen
• Was ist die Laufstrecke?
• Was ist die Kriechstrecke?
• Grafische Darstellung von Kriech- und Luftstrecken
• Indirekte Pfade
• Einige gängige Beispiele in Transformatoren
• Wie bestimmt man die richtige Kriech- und Luftstrecke?
  • Spannung über und zwischen den Wicklungen
  • Arten von Isolierung
  • Überspannungskategorien
  • Verschmutzungsgrad
  • CTI von Dämmstoffen
  • Höhe
• Ein typischer Transformator

Einer der Aspekte, der in der Anfangsphase des Elektronikdesigns oft vernachlässigt wird, ist die Definition der von den Normen geforderten Kriech- und Luftabstände.

In vielen Fällen führt dies zu einer späten Wiederholung des Designs, die den Transformator, die Leiterplatte, EMV-Tests usw. umfasst, was zu Verzögerungen und zusätzlichen Kosten führt.

Wenn dieser Aspekt nicht schon zu Beginn des Designprozesses berücksichtigt wird, liegt das in der Regel daran, dass seine potenziellen Auswirkungen unterschätzt werden, oder einfach an mangelnden Kenntnissen zu diesem Thema.

Dieser Artikel dient als allgemeine, nicht umfassende Orientierung über die Anforderungen an Kriech- und Luftstrecken für Transformatoren.

Die meisten der hier behandelten Konzepte lassen sich auch auf Stromversorgungen (PSUs – Stromversorgungseinheiten) anwenden, sodass mehrere Kategorien von Lesern von diesem Leitfaden profitieren können.
Es ist jedoch wichtig klarzustellen, dass sich alle Beispiele und Begriffe in diesem Leitfaden auf Transformatoren beziehen.

Der Transformator ist in der Regel eine der wenigen Komponenten, neben anderen wie Optokopplern, Y-Kondensatoren und Leiterplatten, die für die Gewährleistung einer angemessenen Isolierung verantwortlich sind.

Bevor wir uns mit den Sicherheitsabständen bei Transformatoren befassen, hier ein kurzer Überblick über den rechtlichen Rahmen.

EN61558 (Sicherheit von Transformatoren, Drosseln, Stromversorgungseinheiten und Kombinationen davon) und andere Sicherheitsnormen

Die Norm EN 61558 wird in Ermangelung ausdrücklicher Anforderungen in der jeweiligen Produktnorm angewendet.
Sie definiert alle Sicherheitsanforderungen an Transformatoren, einschließlich der Kriech- und Luftstrecken (Cr & Cl).

In den letzten Jahren haben viele technische Komitees ihre Normen an die EN 60664 „Isolationskoordination für Ausrüstungen in Niederspannungsnetzen“ angeglichen, soweit dies je nach Referenzprodukt und -sektor sinnvoll ist.
„Horizontale“ Normen wie die EN 60664 haben eigentlich die Funktion von Leitlinien für technische Ausschüsse, um die Anforderungen für homogene Themen so weit wie möglich zu standardisieren.
Aus diesem Grund ist es üblich, dass die Anforderungen verschiedener Normen im Wesentlichen aneinander angeglichen sind.

Darüber hinaus schließen EN 60335, EN 62368, EN 60950, EN 61347, EN 60598, EN 62115 und viele andere Normen explizite Verweise auf EN 61558 für die Konformität von Transformatoren ein.

In einigen Fällen unterscheiden sich die Anforderungen an die elektrische Sicherheit in den spezifischen Produktnormen (z. B. Elektromedizin, Eigensicherheit – Ex i usw.) jedoch erheblich von denen der EN 61558.

Kommen wir nun aber zum Hauptthema dieses Artikels: Kriech- und Luftstrecken.

Was ist die Laufstrecke?

Die Luftstrecke (Cl) ist der kürzeste Abstand in der Luft zwischen zwei leitenden Teilen.

Die Bewertung der Luftstrecke erfolgt durch Messung der Länge des kürzesten Pfades durch die Luft, wobei berücksichtigt wird, dass dieser Pfad nicht durch isolierende Körper, wie Isolierband, Schläuche, Beschichtungen, Kunststoffteile usw. verläuft.

Beachten Sie auch, dass zwei eng beieinander liegende Teile aus Dämmstoffen, selbst wenn sie verklebt sind, nicht die gleiche Wirkung haben wie ein einteiliges Teil.
In der Tat können Kriech- und Luftstrecken durch die Verbindung zwischen den beiden Teilen verlaufen.

Die leitenden Teile (oder leitenden Körper) des einfachsten Transformators sind die Primärwicklung, die Sekundärwicklung und der Metall- oder Ferritkern.

Bei einem Transformator wie diesem sprechen wir in den meisten Fällen von Sicherheitsabständen, die zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung gewährleistet sein müssen.

Die möglicherweise leitenden Teile anderer Wicklungen oder Komponenten, die elektrisch mit der Primärwicklung verbunden sind, müssen zur Sekundärwicklung hin die gleichen Mindestabstände gewährleisten, die zwischen Primär- und Sekundärwicklung (und umgekehrt) erforderlich sind.

Was ist die Kriechstrecke?

Die Kriechstrecke (Cr) ist der kürzeste Abstand entlang der Oberfläche eines Dämmstoffes zwischen zwei leitenden Teilen.

Die gleichen Überlegungen, die für die Luftstrecke angestellt wurden, gelten auch für die Kriechstrecke, mit dem Unterschied, dass die Kriechstrecke nicht durch Luft verläuft, sondern an die Oberfläche von Isolierkörpern gebunden ist.

Grafische Darstellung von Kriech- und Luftstrecken

Die folgende Abbildung kann Ihnen helfen, Kriechstrecke und Luftstrecke anhand eines einfachen Beispiels besser zu verstehen. Die leitenden Teile werden durch kupferfarbene Würfel dargestellt, während die isolierenden Teile grün gefärbt sind (um eine Leiterplatte zu symbolisieren).

Einige gängige Beispiele in Transformatoren

Kriechstrecken und Laufstrecken sind per Definition die kürzesten Entfernungen, die zwischen allen möglichen Pfaden zwischen den interessierenden Konditiven ermittelt wurden.

Die folgenden Zeichnungen zeigen einige Beispiele für Laufstrecken, die bei der Bewertung der Kriechstrecke und der Laufstrecke zwischen Primär- und Sekundärwicklung von Transformatoren häufig berücksichtigt werden.

Doch zunächst eine Klarstellung zu der Art der für die Wicklungen verwendeten Drähte:

der Lack eines einfachen Lackdrahtes ist für die Sicherheitsabstände nicht relevant, sodass diese Art von Draht als nicht isoliert, also leitend, betrachtet werden muss;

im Gegenteil, Drähte mit fester und durchgehender Isolierung, wie beispielsweise Drähte mit fester Mehrschichtisolierung (TIW), Drähte mit hochfester Lackierung (FIW) oder elektrische Kabel mit entsprechendem Wärmeindex, müssen im Hinblick auf die Bewertung der Kriechstrecke und der Laufstrecke als isoliert betrachtet werden.
Daher sind die einzigen Teile einer Wicklung aus isoliertem Draht, die für die Bewertung der Kriechstrecke und der Laufstrecke relevant sind, diejenigen, von denen die Isolierung entfernt wurde: in der Regel die an den Stiften angelöteten Enden und die Stifte selbst.

Der Einfachheit halber wird in den folgenden Beispielen nur der TIW-Draht als Beispiel für jede Art von Draht mit fester Isolierung genannt.

Beispiel 1

Die Zeichnung zeigt einen Transformator mit Primärwicklung (orangefarbener Draht) und Sekundärwicklung (gelber Draht), die durch gelbes Isolierband getrennt sind, im Querschnitt.

In diesem Fall wurde für beide Wicklungen ein einfacher Lackdraht verwendet, was bedeutet, dass Isolierband die einzige Isolierung ist, die die Windungen der beiden Wicklungen in Bezug auf Kriechstrecke und Laufstrecke trennt.

Daher sind die kürzesten Pfade zwischen den Windungen der beiden Wicklungen, die um das Isolierband herumführen, wie Cr1 und Cl1, zu berücksichtigen.

Beispiele 2 und 3

Diese Zeichnung zeigt ein Ende der Primärwicklung, das durch ein Rohr isoliert und mit einem Stift verlötet ist.

Wie in Beispiel 1 ist der für die Sekundärwicklung verwendete Draht nicht TIW.
Bei der Primärwicklung haben wir zwei Fälle:

1. neben dem Rohr ist der Draht einfach emailliert;
2. neben dem Rohr wurde auch ein TIW-Draht verwendet.

Im ersten Fall könnten die kürzesten Entfernungen (Cr2 und Cl2) die zwischen dem Ende des Rohrs an der Primärwicklung und dem nächstgelegenen Punkt an den Windungen der Sekundärwicklung sein.

Im zweiten Fall ist das Ende der Primärwicklung bis zur Lötstelle am Stift vollständig isoliert, sodass die kürzesten Entfernungen (Cr3* e Cl3*) die zwischen dem Stift auf der Primärseite und dem nächstgelegenen Punkt auf den Windungen der Sekundärwicklung sein könnten.

Cl3* wird durch zwei verschiedene Pfeile dargestellt, was anzeigt, dass es viele Kriechstrecken und Laufstrecken gibt, die überprüft werden müssen.

Beispiel 4

Dies ist ein Beispiel für indirekte Pfade.

In einigen Fällen können die kürzesten Entfernungen die zwischen den Klemmen der Primärwicklung und den Klemmen der Sekundärwicklung sein, die durch den Kern verlaufen.

In diesem Beispiel

• sind die Entfernungen Cr4-A und Cl4-A die zwischen einer Klemme der Primärwicklung und dem nächstgelegenen Punkt auf dem Kern, jeweils durch Luft und entlang der Spulenoberfläche;
• sind die Entfernungen Cr4-A und Cl4-A die zwischen einer Klemme der Sekundärwicklung und dem nächstgelegenen Punkt auf dem Kern, jeweils durch Luft und entlang der Spulenoberfläche;
• werden die Pfadlängen wie folgt berechnet: Cr4 = Cr4-A + Cr4-B und Cl4 = Cl4-A + Cl4- B.

Beispiel 5

Dieses andere Beispiel für indirekte Pfade gilt für Wicklungen aus einfachem Lackdraht.

In diesem Fall könnten die kürzesten Pfade zwischen den Windungen der Primär- und der Sekundärwicklung verlaufen und durch den Kern führen.

Die Pfadlängen werden wie folgt berechnet: Cr5 = Cr5-A + Cr5-B und Cl5 = Cl5-A + Cl5-B.

Beispiel 6

Andere mögliche Pfade, die Sie in Betracht ziehen sollten, sind die zwischen den Windungen der Primärwicklung und den Stiften der Sekundärwicklung.

Die Zeichnung zeigt zwei derartige Pfade zwischen einem Stift der Sekundärwicklung und dem nächstgelegenen Punkt der Primärwicklung (der sich zufällig unter dem Isolierband befindet), die mit einfachem Lackdraht hergestellt wurden.

In diesem Beispiel ist die Sekundärwicklung mit TIW-Draht ausgeführt, während bei einer reinen Lackierung der kürzeste Pfad zwischen den Primärwindungen und den Sekundärwindungen um das Isolierband herum verlaufen wäre, wie in Beispiel 1.

Laufstrecken und Kriechstrecken überschneiden sich, weil es keine Entfernungen durch die Luft gibt, die kürzer sind als die entlang der Spulenoberfläche.

Beispiel 7

Die Positionierung anderer Komponenten neben dem Transformator kann die Einhaltung der Kriechstrecke und der Laufstrecke beeinträchtigen.
Bei der Bewertung der Kriechstrecke und der Laufstrecke müssen auch die leitenden Teile möglicher Komponenten berücksichtigt werden, die elektrisch mit den Wicklungen des Transformators verbunden sind.

In diesem Beispiel

• ist die Primärwicklung aus einfachem Lackdraht gefertigt;
• ist die Sekundärwicklung aus TIW-Draht gefertigt;
• ist ein Kondensator elektrisch mit der Sekundärwicklung verbunden.

Ein möglicher Pfad, den Sie für die Bewertung der Laufstrecke in Betracht ziehen sollten, verläuft zwischen den Windungen der Primärwicklung (unter dem Klebeband) in Richtung der nicht isolierten Oberseite des Kondensators, durch den Kern.

Wie bestimmt man die richtige Kriech- und Luftstrecke?

Da wir nun wissen, was Kriechstrecken und Entfernungen sind, müssen wir noch verstehen, wie wir die angemessenen Sicherheitsabstände für unsere Anwendung bestimmen können.

Dieser Leitfaden enthält keine spezifischen Angaben zur Festlegung der für Ihre Anwendung erforderlichen Entfernungen.
Dazu müssen Sie sich auf die Anforderungen der entsprechenden Normen beziehen.

Nichtsdestotrotz finden Sie hier eine Beschreibung der zu berücksichtigenden Elemente und wie diese die erforderliche Kriechstrecke und Laufstrecke beeinflussen.

Dabei handelt es sich um folgende Faktoren:

• Spannung zwischen den Wicklungen, zwischen benachbarten Wicklungen und zwischen Primär- und Sekundärwicklungsgruppen;
• Erforderliche Isolierungsart (funktional, einfach, zusätzlich, doppelt/verstärkt);
• Überspannungskategorie (I, II, III, IV);
• Verschmutzungsgrad (P1, P2, P3);
• CTI von Dämmstoffen;
• Maximale Höhe, wenn über 2000 m;
• Betriebsfrequenz;
• Homogenes/inhomogenes elektrisches Feld.

Die folgenden Abschnitte behandeln jeden dieser Faktoren, mit Ausnahme der letzten beiden, die bei den gängigsten Schaltfrequenzen einen begrenzten oder vernachlässigbaren Einfluss haben.

Spannung über und zwischen den Wicklungen

Zunächst einmal hängen die erforderlichen Cr & Cl von den Spannungen über den Wicklungen und über den Isolierungen zwischen den Wicklungen ab.

Je höher diese Spannungen sind, desto höher ist der Bedarf an Cr & Cl.

Die Spannungen, die sich auf die Kriechstrecke und die Laufstrecke auswirken, sind insbesondere folgende:

• Maximale RMS-Spannung und wiederkehrende Spitzenspannung, gemessen an den Wicklungen oder einer Reihe von Wicklungen;
• Maximale RMS-Spannung und wiederkehrende Spitzenspannung gemessen über die Eingangs-/Ausgangsisolierungd. h. zwischen einem beliebigen Stift auf der Primärseite und einem beliebigen Stift auf der Sekundärseite, und zwar sowohl bei der maximalen Nennspannung (z. B. für den 90-264-V-Weitbereich sind das normalerweise 230 V oder 240 V, nicht 264 V), bei Nulllast und bei maximaler Last. Während der Tests muss der Ausgangspol, an dem die höchste Spannung gemessen wird, geerdet sein.
• Maximale RMS-Spannung und wiederkehrende Spitzenspannung, gemessen zwischen jedem Paar physisch benachbarter (nur durch Dämmstoffe getrennter) und nicht miteinander verbundener Wicklungen, bei der maximalen Hauptnennspannung, bei Nulllast oder bei maximaler Last.

Wiederkehrende Spitzenspannungen haben Auswirkungen auf die Kriechstrecke und die Laufstrecke, wenn sie 750 Vpk überschreiten und wenn eine doppelte Isolierung (siehe Abschnitt „Arten von Isolierung“) durch isolierte Drähte erreicht wird.
In diesem Fall sind auch Teilentladungstests erforderlich.
Zufällige transiente Spannungen müssen außer Acht gelassen werden.

Arten von Isolierung

Es gibt fünf Arten der Isolierung mit vier verschiedenen Sicherheitsstufen.
Je höher das Isolationsniveau, desto höher die erforderliche Kriechstrecke und Laufstrecke.

Die Isolierung zwischen den netzseitigen und den ausgangsseitigen Wicklungen bzw. zwischen einer beliebigen Wicklung und einer anderen kann auf folgende Weise erfolgen:

• Funktional: erfordert keine minimale Kriechstrecke, Laufstrecke oder Isolationsstärke.
  Der gewöhnliche Wickeldrahtlack ist ein Beispiel für eine funktionelle Isolierung.
  Diese Art der Isolierung kann zwischen Wicklungen, die miteinander verbunden werden sollen, oder in Komponenten ohne Sicherheitsfunktion verwendet werden.
• Standard: grundlegende Standardanforderung; es ist keine Mindestdicke für die Isolierung erforderlich.
• Ergänzend: eine weitere Isolierung mit der erforderlichen Mindestdicke, um ein gewisses Maß an Sicherheit im Falle eines Versagens der Grundisolierung zu gewährleisten.
• Doppelt: Standard + ergänzend.
• Verstärkt: ein einfaches Isoliersystem mit höherer Mindestdicke, das das gleiche Sicherheitsniveau wie eine doppelte Isolierung garantiert.

Sicherheitstransformatoren, die bei weitem am häufigsten in elektronischen Ausrüstungen eingesetzt werden, müssen die Normen EN 61558-1 und EN 61558-2-6 sowie EN 61558-2-16 erfüllen, wenn es sich um Schalttransformatoren handelt.
Für alle Sicherheitstransformatoren ist eine doppelte oder verstärkte Isolierung erforderlich.

Üblicherweise ist eine doppelte oder verstärkte Isolierung für netzbetriebene Transformatoren mit einem Strom für Kleinspannung (Extra Low Voltage, ELV) erforderlich, die mit Menschen in Kontakt kommen können.

Eine doppelte oder verstärkte Isolierung ist auch dann erforderlich, wenn kein direkter Kontakt möglich ist, aber bestimmte Isolierungen, Kriechstrecken, Laufstrecken usw. gegenüber den Ausgangsleitern nicht garantiert sind.

• OVC-I: Überspannungskategorie der Ausrüstung für den Anschluss an Stromkreise, in denen Maßnahmen getroffen werden, um transiente Überspannungen auf ein angemessen niedriges Niveau zu begrenzen (Versorgung durch Trenntransformator).
  Beispiele für solche Ausrüstungen sind solche mit elektronischen Schaltkreisen, die auf diesem Niveau geschützt sind.
  Ausrüstungen der Überspannungskategorie I können jedoch nicht direkt an das Stromnetz angeschlossen werden, es sei denn, die Stromkreise sind so ausgelegt, dass die vorübergehenden Überspannungen berücksichtigt werden.
• OVC-II: Überspannungskategorie der Ausrüstung, die von der Festinstallation versorgt werden soll, aber nicht dauerhaft mit ihr verbunden ist.
  Üblicherweise werden mobile Ausrüstungen über einen Stecker an das Stromnetz angeschlossen.
  Beispiele für diese Ausrüstung sind Transformatoren für Haushaltsgeräte, Telekommunikation, Spielzeug und ähnliche Verbraucher.
• OVC-III: Überspannungskategorie der Ausrüstung, die in Festinstallationen verwendet wird, und für Fälle, in denen an die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit der Ausrüstung besondere Anforderungen gestellt werden.
  Beispiele für solche Ausrüstungen sind Transformatoren in Festinstallationen und Transformatoren für den industriellen Einsatz mit festem Anschluss an die Festinstallation.
  Üblicherweise eine fest installierte Ausrüstung, die einem Niederspannungszähler (<500 Vac) nachgeschaltet ist.
• OVC-IV: Überspannungskategorie der Ausrüstung, die am Ausgangspunkt der Installation verwendet wird.
  Beispiele sind Transformatoren in Festinstallationen von Stromanlagen oder unmittelbar an solchen Anlagen.

Die Norm EN 61558 verlangt OVC-III für Transformatoren zur allgemeinen Verwendung.

Verschmutzungsgrad

Ist der Transformator an einem trockenen und sauberen Ort installiert, oder kann es leitfähigen Staub und Feuchtigkeit geben?
Diese Elemente beeinflussen die erforderliche Kriechstrecke.

Je stärker die Umwelt verschmutzt ist, desto höher ist die erforderliche Kriechstrecke, während es keine Auswirkungen auf die Laufstrecke gibt.

Die Normen definieren drei Verschmutzungsgrade:

• P1: keine Verschmutzung oder nur trockene, nicht leitfähige Verschmutzung tritt auf.
  P1 wird für gekapselte Transformatoren und dergleichen verwendet.
  Die Kriechstreckenanforderungen für diesen Verschmutzungsgrad sind natürlich nicht zu restriktiv, aber es sind zeitaufwändige Typentests erforderlich, um diese Entfernungen anwenden zu können.
• P2: nur nicht-leitende Verschmutzung tritt auf, außer, dass gelegentlich eine vorübergehende Leitfähigkeit durch Kondensation zu erwarten ist.
  Die Stufe P2, die am häufigsten vorkommt, wird Transformatoren zugewiesen, die ein einigermaßen hermetisches Gehäuse haben, aber nicht vollständig abgedichtet sind.
• P3: eine leitfähige Verschmutzung tritt auf, oder eine trockene, nicht leitfähige Verschmutzung tritt auf, die durch die zu erwartende Kondensation leitfähig wird.

Sich auf den gesamten Transformator zu beziehen, ist jedoch nicht ganz korrekt.
Es wäre sinnvoller, die Teile des Transformators zu nennen, für die die Anforderungen an die Kriechstrecke und die Laufstrecke tatsächlich relevant sind.

Bei einem harzgekapselten (und ordnungsgemäß getesteten) Transformator kann beispielsweise eine P1 Kriechstrecke auch in einer P3 Umgebung angewendet werden.
Das liegt daran, dass die Wicklungen und der Kern nicht mit der Umweltverschmutzung in Berührung kommen, da sie in Harz eingebettet sind.

CTI von Dämmstoffen

Einige Dämmstoffe neigen bei höheren Spannungen zu Oberflächenüberschlägen als andere.
Der vergleichende Tracking-Index (CTI) definiert die Eigenschaft, einer Spannung standzuhalten, ohne Oberflächenentladungen auszulösen.
CTI ist mit dieser Spannung korreliert.

Laut CTI werden die Materialien nach Gruppen klassifiziert:

Ein höherer CTI ermöglicht eine kürzere Kriechstrecke, während die Laufstrecke davon unberührt bleibt.

Höhe

Ein typischer Transformator

In diesem Fall sind Kriechstrecken und Laufstrecken von etwas weniger als 6 mm nach den meisten Normen ausreichend.

Diese Situation deckt die große Mehrheit der Fälle in der Leistungselektronik ab.

Dennoch ist es wichtig zu verstehen, dass es immer notwendig ist, spezifische Bewertungen vorzunehmen, da es besondere Merkmale geben kann, die berücksichtigt werden müssen, zusätzlich zu kleineren Standardanforderungen, die in diesem Artikel nicht behandelt werden.