Designprobleme in Hochspannungssteckverbindern

Steckverbinder für solche Anwendungen müssen bestimmten Sicherheitsanforderungen gerecht werden und spezielle Designs aufweisen.

Was ist „Hochspannung”?

Die numerische Definition von Hochspannung hängt vom Kontext ab. Zwei Faktoren bezüglich der Klassifizierung einer Spannung als „Hochspannung” sind die Möglichkeit von Funkenbildung in der Luft und das Risiko eines elektrischen Schlags bei Berührung oder Nähe. Die Definitionen können sich auf die Spannung zwischen zwei Leitern eines Systems oder eines jeglichen Leiters zum Boden beziehen.

Einerseits können an trockener unversehrter menschlicher Haut angelegte Spannungen über 50 V zu Herzflimmern führen, wenn diese elektrische Ströme im Körpergewebe des Brustbereichs verursachen. Andererseits wird in der elektrischen Energieübertragungstechnik erst eine Spannung über ~35,000 V als Hochspannung bezeichnet.

Tabelle 1 zeigt die IEC Definitionen für Nieder- und Hochspannung sowie ihre definierten Risiken.

IEC Spannungsbereich	AC	DC	Risikodefinition
Hochspannung	> 1000 Vrms	>1500 V	Elektrische Bogenbildung
Niederspannung	50 – 1000 Vrms	120 – 1000 V	Elektrischer Schlag
Sehr niedrige Spannung	50 Vrms	<120 V	Geringes Risiko

Tabelle 1: IEC Spannungsdefinitionen (Quelle: Wikipedia)

Designprobleme bei Hochspannung

Hochspannung stellt eine starke Belastung für alle Verbindungskomponenten im System dar. Eine Isolation, die für 12 V völlig angemessen ist, kann bei 12 kV  schnell geschwächt werden oder ganz ausfallen. Im Allgemeinen bildet sich bei Zunahme der Spannung eine Korona um den Hochspannungsleiter, gefolgt von einem dielektrischen Zusammenbruch, was wiederum zu Bogenbildung oder katastrophalem Ausfall führen kann.

Koronaentladung

Eine Koronaentladung ist eine durch Ionisierung der sich um einen elektrisch geladenen Leiter befindlichen Luft hervorgerufene elektrische Entladung. Die Korona tritt auf, wenn die Stärke (Potentialgefälle) des elektrischen Felds um den Leiter groß genug ist, um einen leitenden Bereich um den Leiter zu bilden, jedoch nicht groß genug, um einen elektrischen Ausfall oder eine Bogenbildung zu sich in der Nähe befindlichen Elementen zu verursachen. Dies kann bei Spannungen ab 300 V passieren. Eine Korona kann ebenfalls durch die Ionisierung von Luft in einem Loch in der Dielektrik oder in einer Schnittstelle innerhalb eines Steckverbinders auftreten.

Korona ist zwar ein energiearmer Prozess, dennoch kann sie Isolierungen über längere Zeit erheblich schwächen, was zu Systemausfall aufgrund dielektrischen Zusammenbruchs führen kann.

Um Koronaeffekte im Steckverbinderdesign zu minimieren, ist es wichtig, den Abstand zwischen Leitern mit großen Spannungsdifferenzen so groß wie möglich zu halten, Leiter mit großen Radien und Dielektriken ohne Löcher zu verwenden sowie Designs mit scharfkantigen Spitzen oder Ecken zu vermeiden.

Bogenbildung und dielektrischer Zusammenbruch

Ein elektrischer Bogen oder Bogenentladung ist eine elektrische Gasentladung, die eine selbsterhaltende Plasmaentladung auslöst, hervorgerufen durch einen Stromfluss durch normalerweise nicht leitfähige Medien wie zum Beispiel Luft.  Bei STP entlädt sich Luft bei etwa 3 kV/mm.  

Im Falle eines soliden Mediums wie einem Dielektrikum findet ein dielektrischer Zusammenbruch statt, wenn die Spannungsbelastung signifikant genug ist, um einen Bogen zwischen dem Leiter und dem Boden durch die Dielektrik hervorzurufen. Dieser Fehler ist katastrophal, da der Stromfluss durch die Dielektrik mit Kohlenstoff gefüllte Leerräume hinterlässt und die Dielektrik nicht länger in der Lage sein wird, der erforderlichen Spannung standzuhalten.

Anwendbare Sicherheitsstandards

Diese Effekte können ernsthafte, möglicherweise fatale Folgen in Hochspannungsausstattungen haben, darunter auch Steckverbinder. Daher wurden zahlreiche Sicherheitsstandards für verschiedene Anwendungen entwickelt.

Sicherheitsstandard	Anwendung
IEC/EN-61558-2-17	Transformatoren, Netzteile,  Schaltnetzteile
IEC/EN-60950	IT Ausstattung
IEC/EN-60601-1	Elektronische Medizinausstattung
IEC/EN-60079	Elektrische Betriebsmittel für gasexplosionsgefährdete Bereiche
IEC/EN-60335	Elektrische Haushalts- und haushaltsähnliche Anwendungen
IEC/EN-60065	Elektrische Betriebsmittel für Audio, Video und Ähnliches

Tabelle 2: Einige geläufige Sicherheitsstandards (Quelle: Feryster)

Andere Bereiche wie die Automobilbranche haben ihre eigenen Standards, die von Organisationen wie der SAE eingeführt wurden.

Luft- und Kriechstrecken

Um das Ausfallrisiko in Hochspannungsausstattungen zu minimieren und einen adäquaten Sicherheitsabstand zu gewährleisten muss bei Hochspannungsleitern ein Mindestabstand eingehalten werden (Separierung). Diese Abstände werden als Luft- und Kriechstrecken bezeichnet. Sie unterscheiden sich je nach Anwendungen und sind im entsprechenden Sicherheitsstandard spezifiziert.

 

Abbildung 1: Luft- und Kriechstrecke. (Quelle: Feryster)

Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei leitenden Teilen wie zum Beispiel Steckerbinderpins gemessen in Luftlinie. Eine angemessene Luftstrecke hilft, durch Luftionisierung verursachten dielektrischen Zusammenbruch zwischen Pins zu verhindern. Die Auslösung dielektrischen Zusammenbruchs wird ebenfalls von relativer Feuchtigkeit, Temperatur und Verschmutzungsgrad der Umgebung beeinflusst.

Die Kriechstrecke ist der kürzeste Weg zwischen zwei leitenden Teilen (oder einem leitenden Teil und der Außenseite des Bauteils) gemessen längs der Oberfläche der Isolation. Eine geeignete und angemessene Kriechstrecke schützt vor Kriechspurbildung. Bei diesem Prozess bildet sich ein teilweise leitender Pfad auf der lokal beschädigten Oberfläche des Isolierstoffs als Folge von elektrischen Entladungen auf oder nahe der Isolationsoberfläche. Die Kriechstrecke ist gleich wie oder größer als die Luftstrecke.

Der Comparative Tracking Index (CTI) wird verwendet, um die die elektrischen Durchschlags- (Tracking-) Eigenschaften eines Isolierstoffs zu messen. Für eine gegebene Anwendung ist die von den Sicherheitsbehörden wie UL geforderte minimale Kriechstrecke abhängig vom CTI-Wert des Isolierstoffs.

Verschmutzungsgrad

Für eine gegebene Spannung und einen gegebenen Isolierstoff sind die Luft- und Kriechstrecke ebenfalls von trockener Verschmutzung und Kondensation, auch Verschmutzungsgrad genannt, in der Umgebung beeinflusst. Die Verschmutzungsgrade sind in Kategorien eingeteilt von 1 (sehr niedrig, entspricht einem sauberen Raum) bis 4 (beständige Leitfähigkeit durch leitfähigen Staub, Regen oder Schnee). Der Verschmutzungsgrad kann einen großen Einfluss auf die Konnektivität haben, da Luft- und insbesondere Kriechstrecke mit steigendem Verschmutzungsgrad zunehmen.

Beispielsweise werden D-subminiature (Dsub) Steckverbinder normalerweise in vielen Anwendungen verwendet. Sie sind bei vielen Händlern erhältlich und kostengünstig. Der Abstand zwischen Steckverbinderpin und und Abschirmung beträgt etwa 1,6 mm. Dieser Abstand entspricht den UL Sicherheitsstandards für Kriechstrecken sowohl für Verschmutzungsgrad 1 (0,3 mm) als auch für Verschmutzungsgrad 2 (1,6 mm) bei 150 V.

Für den Betrieb bei 300 V erhöht sich die Kriechstrecke für den Verschmutzungsgrad 2 auf 3,0 mm, somit entspricht der Steckverbinder nur bei Verschmutzungsgrad 1 den Sicherheitsstandards. Dementsprechend entspricht die Verwendung eines Dsub Steckverbinders über 150 V in einer typischen Testumgebung mit Verschmutzungsgrad 2 nicht den anwendbaren Sicherheitsstandards und wird als unsicher eingestuft.

Hochspannungssteckverbinderkonstruktion

Wie minimieren Designer von Hochspannungssteckverbindern die Auswirkungen von Hochspannung und wie maximieren sie die Sicherheit?

Abbildungen 2 und 3 zeigen einen typischen runden Hochspannungssteckverbinder und Hülse für einen Betrieb bei bis zu 27 kV. Typischerweise ist eine tiefe Buchse, wie sie rechts zu sehen ist, auf der Hochspannungsseite platziert. Die Steckverbinderpins sind in einzeln isolierten Kanälen angebracht.

 

Abbildung 2: LGH Hochspannungssteckverbinder kreisförmig. (Quelle: TE Connectivity)  

Abbildung 3 zeigt die innere Konstruktion. Sie sehen, wenn die zwei Hälften zusammengeführt werden, umschließt der männliche Isolationsring das die Buchse, bevor die zwei Pins elektrischen Kontakt herstellen. Um Bogenüberschlag zwischen den nebeneinanderliegenden Pins im gleichen Gehäuse zu vermeiden, muss Vergussmasse hinzugefügt werden, damit die hinteren Hohlräume hinter den Pins in die Gehäusewand integriert werden.

 

Abbildung 3: LGH Steckverbinder Querschnitt. (Quelle: TE Connectivity)  

Um sie vor dielektrischem Zusammenbruch zu schützen, sind Hochspannungssteckverbinder wie dieser aus Material mit sehr hoher Durchschlagsfestigkeit wie beispielsweise PTFE, auch unter dem Markennamen Teflon® bekannt, gefertigt. PTFE-Harz hat eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit (23,6 kV/mm für 1,5 mm Dicke gemessen nach dem ASTM Kurzzeit-Test), die sich nicht durch Temperatur und Wärmealterung verändert.

Sicherheit auf Systemebene

Wenn der Steckverbinder getrennt werden kann, während noch Strom fließt, können andere Methoden zur Gewährleistung der Sicherheit angewendet werden. Einen High Voltage Interlock (HVIL)-Schaltkreis zu integrieren, ist eine auf Systemebene basierende Methode zur Verbesserung der Steckverbindersicherheit. Ein HVIL-Schaltkreis ist ein separater geschlossener Schaltkreis im Steckverbinderdesign. Es handelt sich dabei um eine Mate-Last/Break-First (MLBF) Verbindungsart.  

Wenn ein Hochspannungssteckverbinder getrennt wird, erkennt der HVIL-Schaltkreis vor der endgültigen Trennung des Anschlusses die Bewegung und sendet ein Signal an die Leistungselektronik zur Entladung der am Anschluss vorhandenen Hochspannung unter einem vorgegebenen Niveau. Dies muss in der Regel innerhalb einer halben Sekunde nach Erkennung des Beginns der Verbindungsunterbrechung zur Leistungselektronikeinheit durch den HVIL geschehen. Dies bewirkt im Idealfall, dass nach Trennung des Steckverbinders keine hohen Spannungen mehr an den Anschlüssen vorhanden sind.

Diese Methode wird in Hochspannungssteckverbindern verwendet, die für die Verwendung in Elektroautos konzipiert sind und eine potentiell tödliche Spannung haben.

Hochspannungssteckverbinder von Arrow

Steckverbinder für Hochspannungsanwendungen zu spezifizieren ist eine Aufgabe für Fachkundige: Arrow und TE Connectivity bieten eine Auswahl an Hochspannungssteckverbindern und die technische Unterstützung, die Ihnen hilft, die richtige Wahl zu treffen.