Isolationswiderstand
Unter Isolationswiderstand versteht man den ohmschen Widerstandsanteil zwischen elektrischen Leitern untereinander beziehungsweise gegenüber dem Erdpotential. Da es keinen idealen Isolator gibt, bildet jede Isolierung auch einen ohmschen Widerstand, dessen Wert zwar sehr hoch sein kann, aber trotzdem immer endlich ist.
Vernachlässigung frequenzabhängiger Faktoren
Jede Isolationsbarriere hat auch eine Kapazität, die bei Wechselspannung einen zusätzlichen, nicht vom Isolationswiderstand verursachten Strom verursacht. Um den Isolationswiderstand zu messen, muss daher mit Gleichspannung gemessen werden. Für die Höhe des Ableitstromes (zulässiger Strom im Schutzleiter) spielen dagegen alle Kapazitäten und auch Störschutzkondensatoren eine Rolle, weshalb Ableitstrommessungen mit der Nennwechselspannung durchgeführt werden. Bei der Hochspannungsprüfung wird ebenfalls oft mit Wechselspannung geprüft, u. a. um die Vorentladungsfreiheit zu ermitteln und auch weil viele Isolierstoffe im Hochspannungsbereich zu inhomogen sind, um sie längere Zeit mit hohen Gleichspannungen belasten zu können.
Messverfahren
Da der Isolationswiderstand mit zunehmender Spannung abnimmt, ergibt es keinen Sinn, ihn bei Spannungen von wenigen Volt mit einem gewöhnlichen Ohmmeter oder Multimeter zu messen. Auch wenn manche dieser Geräte mittlerweile Widerstände im Giga-Ohm-Bereich messen können, liefern sie keine verlässliche Aussage über die Spannungsfestigkeit eines Gerätes oder einer Anlage. Die Widerstandsmessung muss zwingend mit höheren Spannungen durchgeführt werden.
Bei der Geräteprüfung ist daher in den einschlägigen Normen die Höhe der Prüfspannung abhängig von der Schutzklasse definiert. Der typische Wert beträgt 250 Volt, 500 Volt, 1000 Volt, 2500 Volt oder 5000 Volt.
Bei einem Gerät der Schutzklasse I wird üblicherweise mit einer Prüfspannung von 500 V Gleichspannung (engl. VDC) gemessen. Für Geräte der Schutzklasse II gilt im Allgemeinen eine Prüfspannung von 1000 V Gleichspannung. Eine genaue Spezifikation ist den einschlägigen Normen zu entnehmen. Es ist auch zwischen der Erstprüfung und der Wiederholungsprüfung zu unterscheiden.
Insbesondere bei Geräten der Schutzklasse II ist eine Prüfung der Isolation spannungsführender Leiter oder Teilen gegenüber betriebsmäßig spannungsfreien Metallteilen wichtig. Bei schadhafter Isolation kann Spannung auf berührbare Teile gelangen, die zu einer Verletzung, unter Umständen auch zu einer lebensgefährlichen Bedrohung werden könnten. Alternativ zur Isolationsprüfung mit Gleichspannung kann auch eine Prüfung mit Wechselspannung durchgeführt werden. Für eine normenkonforme Prüfung sind aber jedenfalls die in der Norm angegebenen Spannungsformen einzuhalten. Auch die erforderliche Prüfzeit ist den Normen zu entnehmen.
Bei der Prüfung von kapazitiven Elementen oder Strukturen kann es im ersten Moment zu einem kapazitiven Ladestrom kommen. In diesen Fällen ist die Prüfzeit um diese Ladezeiten zu verlängern. Ein kapazitiver Ladestrom ist zudem nicht als fehlerhafte Isolation zu interpretieren. Zur Bewertung des Isolationswiderstandes ist nur der ohmsche Anteil des Widerstandes zu berücksichtigen.
Bei einem 400-VAC-Netz (VAC, englischsprachiges Kurzzeichen der Wechselspannung) werden alle spannungsführenden Leiter mit einer Gleichspannung von 500 V gegen Erde gemessen. Die Außenleiter untereinander werden mit einer Gleichspannung von 1000 V gemessen.
Änderung des Isolationswiderstandes mit zunehmendem Anlagenumfang
Der Isolationswiderstand ist neben dem Isolationsmaterial auch von der Länge der Leitungen abhängig. Betrachtet man zum Beispiel eine zweiadrige Leitung, so bildet die Isolation auf eine gewisse Längeneinheit einen bestimmten Widerstandswert. Je länger nun die Leitung ist, desto mehr dieser Widerstände werden parallel geschaltet, so dass mit jeder Längenzunahme der Gesamtisolationswiderstand antiproportional sinkt. Das gilt für alle Bauteile eines elektrischen Systems, so dass man davon ausgehen muss, dass mit größerem Anlagenumfang auch der Isolationswiderstand kleiner wird.
Änderung des Isolationswiderstandes durch andere Faktoren
Isolationswiderstände können sich durch Alterungsprozesse, Feuchtigkeit, Verschmutzung, Beschädigung, Strahlung und chemische oder physikalische Einflüsse verändern. Insbesondere die früher üblichen papier- und stoffisolierten Kabel waren sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit, während z. B. PVC-isolierte Leitungen eine erhöhte Empfindlichkeit gegen Sonnenlicht, Wärme und chemische Atmosphären haben. Bei luftisolierten Systemen (z. B. Freileitungen und Sammelschienen) muss die Schmutzempfindlichkeit besonders beachtet werden.
Gefährdungen durch zu niedrige Isolationswiderstandswerte
Durch Isolationsfehler können unkontrollierte Fehlerströme entstehen, die ausreichend hoch sind, um Menschenleben zu gefährden, Brände auszulösen oder andere Sachschäden hervorzurufen. So entstanden in früheren Jahren oft Brände in der Landwirtschaft, bei denen sich Heu oder andere leicht entflammbare Lagergüter durch Kriechströme – Folge schlechter Isolationswerte – entzündeten.
Überwachung des Isolationszustandes
Bei Industrieanlagen, die man vor Ausfall schützen will, werden oftmals sogenannte Isolationswächter eingesetzt, die eine kontinuierliche Überwachung des Isolationswiderstandes ermöglichen. Unterschreitet dieser einen bestimmten Wert, so werden Störmeldungen abgegeben und eventuell Anlagenteile abgeschaltet. Auch bei anderen Anlagen sollten zur Sicherheit regelmäßig Isolationsmessungen durchgeführt werden.
Literatur
- Alfred Hösl, Roland Ayx, Hans Werner Busch: Die vorschriftsmäßige Elektroinstallation, Wohnungsbau-Gewerbe-Industrie. 18. Auflage, Hüthig Verlag, Heidelberg, 2003, ISBN 3-7785-2909-9
- Hans-Günter Boy, Uwe Dunkhase: Elektro-Installationstechnik Die Meisterprüfung. 12. Auflage, Vogel Buchverlag, Oldenburg und Würzburg, 2007, ISBN 978-3-8343-3079-6