Passive Bauelemente Ausfälle von X2- und Y2-Kondensatoren unter der Lupe

Autor / Redakteur: Nach Unterlagen der Bajog electronic GmbH, Pilsting / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Wenn X2- oder Y2-Kondensatoren ausfallen, liegt das nicht immer an mangelnder Qualität oder eindringender Feuchtigkeit. Hier erfahren Sie die Hauptursachen für Ausfälle und wie sie sich verhindern ließen.

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(Bild: Schindler)

Der verstärkte Ausfall von X2- und Y2-Kondensatoren ist nicht allein auf einen möglichen Herstellermangel oder auf eindringende Feuchtigkeit zurückzuführen. Die Qualität vieler Hersteller ist beachtlich – und dennoch häufen sich die Ausfälle. Es ist nicht selten, dass Geräte und Anlagen nach anfänglicher 100%iger Funktionsweise nach wenigen Wochen oder Monaten nur noch Teilfunktionen aufweisen und danach komplett ausfallen. Woran das liegt fragen sich zum Beispiel viele Hersteller von Smart-Metern.

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Warum X2- und Y2-Kondensatoren plötzlich ausfallen

Transienten zwischen 1 und 10 kV/µs (dU/dt) können im Stromnetz durchaus häufig auftreten und sie verursachen einen überhöhten Stromanstieg im Kondensator. Dieser überhöhte Stromwert verursacht beim Kondensator das Freibrennen zwischen Anschlussdraht (Punkt A in Bild 1) und der Schuppierungsschicht sowie zwischen Wickelfolie und der Schuppierungsschicht (Punkt B in Bild 1). Dadurch entstehen hohe Übergangswiderstände, die auch den ESR massiv verändern.

Runde Löcher in der Folie

Erste Isolationsdurchschläge im Dielektrikum weisen runde Löcher in der Folie auf. Dies ist die erste Stufe der Zerstörung (Bild 2). Aufgrund der dU/dt-Spitzenwerte entstehen in der Folge sehr hohe Ströme und sowie extrem überhöhte Temperaturen im Kondensator. Die extremen Temperaturunterschiede zwischen Erhitzen und Abkühlen verändern das als Vergussmaterial im Becher dienende Epoxidharz in seiner Konsistenz und beschleunigen das Ausgasen des Härters.

Die Metallisierung löst sich auf

Das Epoxidharz wird brüchig und porös, sodass zusätzlich Feuchtigkeit eindringen kann. Wegen der extrem hohen Stromwerte von teilweise bis 11.000 A und dem eindringenden Feuchteanteil verdampft die Metallisierungsschicht bei wiederholten dU/dt-Belastungen. Die Zerstörung ist damit eingeleitet. Zum Teil blähen sich die Kondensatoren auf, wenn die entstehenden Verdampfungsgase das Epoxidharz nicht durchdringen können. Wenn das Harz durchlässig wird, dringt zudem Feuchtigkeit ein und beschleunigt den Zerstörungsprozess: Die Metallisierung löst sich komplett auf (Bild 3 und 4).

Die Hintergründe der Ausfälle

Ein handelsüblicher X2-Kondensator mit 2,2 µF wird vom Hersteller mit einer maximalen dU/dt-Verträglichkeit von 150 bis 200 V/µs definiert. Bei 200 V/µs handelt es sich bereits um einen qualitativ sehr hochwertigen Kondensator. Aufgrund der Spannungsbelastungen, je nach Umgebung- und Netzverhältnissen, können im Netz zwischen 1 und 10 kV/µs gemessen werden – inzwischen sind 3 bis 5 kV/µs keine Seltenheit mehr (Bild 5).

Dieses dU/dt wird vorrangig von Schützen, defekten Schaltern, Induktionsanlagen, Schweißgeräten, Röntgengeräten in Laboren und Kurzschlüsse, aber unter anderem auch von Frequenzumformern (Aufzüge), Stromrichtern, Solarwechselrichtern, Thyristorsteuerungen, Schaltnetzteilen oder Phasenanschnittsteuerungen verursacht. Diese dU/dt-Werte erzeugen im Kondensator einen erhöhten Strom.

Zerstörerisch hohe dU/dt-Werte

Die Ladung, die ein Kondensator enthält, wird ermittelt über Q = C U, d.h. dQ/dt = d(C U)/dt bzw. dQ/dt = C dU/dt. Die Kapazität (Ladung) eines Kondensators ist zeitkonstant und kann deshalb aus dieser Ableitung ausgeklammert werden: dQ/dt = I. Daraus ergibt sich I = C (dU/dt). Aus dieser Formel ist ersichtlich, dass ein großes dU/dt auch einen sehr großen Strom zur Folge hat und der Strom in Abhängigkeit dieses Spannungshubes ausreichende Leistung zur Zerstörung des Bauteils hat, z.B. eines Kondensators, da sich die Leistung aus P = U0 I0 0,52 errechnet.

Tabelle 1: Strombelastung am Beispiel eines 2,2-µF-Kondensators
Tabelle 1: Strombelastung am Beispiel eines 2,2-µF-Kondensators
(Bild: Bajog)
Tabelle 1 zeigt typische Werte am Beispiel eines 2,2-µF-Kondensators.
Tabelle 2: typische Taktfrequenzen
Tabelle 2: typische Taktfrequenzen
(Bild: Bajog)
Alle genannten dU/dt-Quellen entstehen im unteren Frequenzbereich zwischen 2 und 200 kHz (Tabelle 2) und erzeugen dadurch in einem normalen 250-VAC-Haushalts-Versorgungsnetz auch einen Störspannungspegel von bis zu 160 dBµV zwischen 1 und 500 kHz. Störspannungen von etwa 160 dBµV verursachen einen zusätzlichen Spitzenspannungswert im Netz von bis zu 141 V (Peak) und beschleunigen den genannten Zerstörungsprozess zusätzlich.

Die heutigen Normen sind nicht mehr zeitgemäß

Entgegen der allgemeinen Annahme, dass ein dU/dt-Spitzenwert im µs-Bereich (Burst ist nicht die richtige Definition) keine zerstörerische Leistung besitzt, zeigt die Praxis, dass diese Annahme falsch ist. Die Grundzüge der Normen EN 61000-4-4, und 61000-4-5, welche die Störfestigkeit und Immunität eines Gerätes nachweisen soll, reicht bei weitem nicht mehr aus, da die Testparameter aus den achtziger Jahren stammen, als noch fast ausschließlich Trafo-Netzteile die Netzqualität bestimmten.

Probleme mit immer kleineren Komponenten

Bauelemente wie Kondensatoren mussten in der Vergangenheit immer kleiner werden. Die Folienstärken und die Metallisierung auf den Folien reduzierten sich von 7 auf 3 µm. Ferrite wurden nicht nach frequenzabhängiger Eignung in EMV-Mitteln eingesetzt, sondern hauptsächlich nach ihrer Baugröße und kleinstem Preis. Daher ist es nicht verwunderlich, dass selbst bei geringen asymmetrischen Störströmen von wenigen mA das Kernmaterial in die Sättigung geht und dadurch keine Filterwirkung zustande kommt, sondern in vielen Fällen der Filter noch zur zusätzlichen Netzbelastung wird.

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Notwendige Maßnahmen zur Vermeidung von Ausfällen

Bestehende Normen wie EN 55011 bis 55022 müssen auf den Frequenzbereich von derzeit 150 kHz bis 30 MHz auf 1 kHz bis 30 MHz erweitert und der maximale Störgrenzwert im Bereich von 1 kHz bis 150 kHz stufenweise von 80 auf 60 dBµV reduziert werden. Darüber hinaus müssen die aktuellen Surge- und Burst-Normen den aktuellen Netzbelastungen angepasst und die zu verwendeten Bauelemente klassifiziert und ausreichend immunisiert werden

Robuste EMV-Bauelemente

Die zu verwendenden Bauelemente für EMV-Maßnahmen, vorrangig Ferrite, müssen in der Lage sein, energiereiche Transienten und dU/dt-Größen aufzunehmen und zu absorbieren, was zur Eliminierung von Störspannungen im kHz-Bereich enorm wichtig ist. Kondensatoren müssen ebenfalls hohe asymmetrische Ströme verkraften, ebenso aber auch den dU/dt-Belastungen von bis zu 10 kV/µs widerstehen.

Dabei kommt es bei Kondensatoren auch darauf an, dass der ESR konstant bleibt und der Kondensator selbst keine Störreflektionen auslöst. Diese technischen Lösungen basieren dabei nicht auf einer gewünschten Ideologie oder Theorie, sondern werden von Bajog electronic in allen Filterprodukten, die zum Teil seit über 22 Jahren im Dauerbetrieb ohne Leistungsverlust betrieben werden, nachgewiesen.

Bewährte EMV-Filter in Aufzügen

Filter für das Militär, für Mess- und Testkabinen, Hochspannungslabore, Mittelspannungsanwendungen (35.000 V) wie Wind-, Wasser-, Solar-, Bio- und Heizkraftanlagen sowie dU/dt-Filter in Aufzügen werden aufgrund ihres Einsatzzwecks täglich Prüfungen unterzogen, denn TE- und EMV-Messungen würden zu keinem zulassungsfähigem Ergebnis führen, wenn die Kabinen selbst und speziell die verwendeten Filter nicht die erforderlichen Leistungsdaten erfüllen würden.

Speziell in Aufzügen würden ältere Motoren sofort mit Isolationsdurchschlägen und Kurzschlüssen reagieren, wenn das eingesetzte dU/dt-Filter an Leistung verlieren würde und die im Frequenzumrichter-Ausgang erzeugten dU/dt-Größen von 10 kV/µs nicht auf max. 500 V/µs reduziert würden. Auch dort haben sich diese Filter zum Großteil seit Anfang der 90er Jahre in allen Schindler-Aufzügen im Dauerbetrieb bewährt.

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