Isolationsmessung

Die Isolierung eines Leiters hat eine einzige, aber zentrale Aufgabe: Sie trennt den stromführenden Leiter zuverlässig von allem, was nicht Strom führen soll – vom Gehäuse, von benachbarten Leitern, vom Schutzleiter, von der Erde. Ein neues Kabel erfüllt das mühelos. Über die Jahre arbeiten aber Wärme, Feuchtigkeit, mechanische Belastung, UV-Licht und Verschmutzung gegen die Isolierung. Sie wird spröde, bekommt feine Risse, nimmt Feuchtigkeit auf.

Sobald das passiert, fließt ein winziger Strom dort, wo eigentlich keiner fließen dürfte – ein Ableitstrom, auch Kriechstrom genannt. Anfangs sind das Bruchteile eines Milliampere. Das klingt harmlos, ist es aber nicht: Ein dauerhafter Kriechstrom über eine verschmutzte Oberfläche erwärmt diese, der Kohlenstoff in der Verschmutzung wird leitfähiger, der Strom steigt, die Erwärmung steigt – ein Prozess, der bis zum Kriechstrombrand führen kann. Und ein Mensch, der ein Gehäuse berührt, dessen Isolierung versagt hat, schließt den Fehlerstrom über den eigenen Körper gegen Erde.

Hier liegt der Unterschied zur gewöhnlichen Widerstandsmessung. Bei einem Widerstand in einer Schaltung interessiert ein Wert von einigen Ohm bis Kiloohm. Beim Isolationswiderstand geht es um genau das Gegenteil: Er soll so hochohmig wie möglich sein. Gemessen wird im Bereich von Megaohm (MΩ) bis Gigaohm (GΩ). Ein intaktes Kabel hat oft mehrere hundert MΩ oder mehr. Fällt dieser Wert deutlich ab, ist das ein Frühwarnzeichen – die Isolierung baut ab, auch wenn die Anlage noch normal funktioniert.

Genau deshalb ist die Isolationsmessung fester Bestandteil jeder Erstprüfung einer neuen Anlage und jeder wiederkehrenden Prüfung. Sie deckt einen Mangel auf, der mit bloßem Auge und im laufenden Betrieb unsichtbar bleibt.

Wer einen Isolationswiderstand messen will, steht vor einem Problem: Die üblichen 230 V oder 400 V des Netzes reichen nicht aus, um eine beginnende Schwachstelle zuverlässig sichtbar zu machen. Eine Isolierung kann bei Betriebsspannung noch unauffällig wirken und erst bei höherer Spannung „durchschlagen“. Deshalb arbeitet ein Isolationsmessgerät with einer eigenen, eingebauten Hochspannungsquelle, die eine definierte Prüfspannung erzeugt – deutlich höher als die Betriebsspannung des geprüften Stromkreises.

Diese Prüfspannung ist Gleichspannung. Das hat einen handfesten Grund. Jedes Kabel, jede Wicklung bildet zwischen Leiter und Erde eine kleine Kapazität. Würde man mit Wechselspannung messen, flösse über diese Kapazität ein kapazitiver Blindwiderstand-Strom – ein Strom, der nichts mit der Isolationsqualität zu tun hat, das Ergebnis aber verfälscht. Mit Gleichspannung tritt dieser Effekt nach dem ersten Aufladen nicht mehr auf: Im eingeschwungenen Zustand fließt nur noch der echte Ableitstrom durch die Isolierung. Genau den will man messen.

Das Messgerät legt die Prüfspannung an und misst den daraufhin fließenden Ableitstrom. Aus beiden Größen ergibt sich der Isolationswiderstand nach dem Ohmschen Gesetz:

Ein kurzer Blick auf die Einheiten erklärt, warum sich das Ergebnis so bequem ergibt: Da 1 µA = 10⁻⁶ A und 1 MΩ = 10⁶ Ω entsprechen, kürzen sich die Zehnerpotenzen bei der Division von Volt durch Mikroampere genau so, dass das Ergebnis direkt in Megaohm vorliegt. Man teilt also schlicht die Spannung in Volt durch den Strom in Mikroampere und liest den Widerstand in MΩ ab.

Ein Zahlenbeispiel macht die Größenordnungen klar: Bei 500 V Prüfspannung und einem Ableitstrom von 1 µA ergibt sich ein Isolationswiderstand von 500 MΩ. Umgekehrt heißt das auch: Je schlechter die Isolierung, desto größer der Ableitstrom bei gleicher Prüfspannung. Die Beziehung lässt sich daher auch umstellen, um abzuschätzen, welcher Ableitstrom bei einem bestimmten Isolationswiderstand zu erwarten ist:

Diese zweite Form ist mehr als eine mathematische Spielerei. Sie zeigt direkt, wie schnell der Kriechstrom ansteigt, wenn der Isolationswiderstand abfällt – und macht damit die Gefahr aus Kapitel 1 greifbar.

Welche Prüfspannung verwendet wird, richtet sich nach der Nennspannung des geprüften Stromkreises. Übliche Stufen sind 250 V, 500 V und 1000 V. Für Stromkreise im üblichen Niederspannungsbereich bis 500 V Nennspannung wird typischerweise mit 500 V geprüft. Die genaue Zuordnung und die zugehörigen Mindestwerte folgen im nächsten Kapitel.

Ein gemessener Isolationswiderstand für sich allein sagt noch nichts aus. Erst der Vergleich mit einem Mindestwert entscheidet, ob die Isolierung als ausreichend gilt. Diese Mindestwerte und die zugehörigen Prüfspannungen sind in der österreichischen Errichternorm für elektrische Niederspannungsanlagen, der ÖVE/ÖNORM E 8101, festgelegt. Das Prinzip dahinter: Je höher die Nennspannung eines Stromkreises, desto höher die Prüfspannung und desto höher der geforderte Mindestwiderstand.

Für die gängigen Bereiche gilt vereinfacht:

Der praktisch wichtigste Fall ist die Zeile in der Mitte: Eine normale Hausinstallation oder ein Maschinenstromkreis mit 230 V oder 400 V wird mit 500 V geprüft, und der Wert muss mindestens 1 MΩ erreichen. Wird dieser Mindestwert unterschritten, gilt die Messung als nicht bestanden – die Anlage darf in diesem Zustand nicht in Betrieb genommen oder weiterbetrieben werden.

Wichtig ist die Einordnung dieser Zahl: 1 MΩ ist die absolute Untergrenze. Ein intakter, neuer Stromkreis liegt um Größenordnungen darüber, oft bei hunderten MΩ. Ein Wert, der zwar noch über 1 MΩ liegt, aber gegenüber einer früheren Messung stark abgefallen ist, ist deshalb ebenfalls ein Warnsignal. Genau deshalb lohnt es sich, Messwerte über die Zeit zu dokumentieren statt nur das einmalige Bestehen abzuhaken.

Zwei Umgebungseinflüsse verzerren das Ergebnis regelmäßig und müssen mitgedacht werden. Feuchtigkeit auf oder in der Isolierung senkt den gemessenen Wert teils dramatisch – ein Kabel, das morgens im feuchten Schacht 0,8 MΩ liefert, kann nach dem Abtrocknen wieder bei 200 MΩ liegen. Auch Temperatur spielt hinein: Mit steigender Temperatur sinkt der Isolationswiderstand vieler Materialien. Wer Messwerte über Jahre vergleichen will, muss also wissen, unter welchen Bedingungen gemessen wurde, sonst vergleicht er Äpfel mit Birnen.

Die Theorie ist überschaubar – die meisten Fehler bei der Isolationsmessung passieren bei der praktischen Durchführung. Zwei Dinge stehen über allem: Sicherheit und das Vermeiden von Schäden an angeschlossener Elektronik.

Zuerst die Sicherheit. Der zu prüfende Anlagenteil wird spannungsfrei geschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert. Die Isolationsmessung an einer unter Spannung stehenden Anlage ist nicht nur sinnlos, sondern gefährlich und zerstört in der Regel das Messgerät. Hinzu kommt: Das Messgerät selbst erzeugt eine hohe Prüfspannung von bis zu 1000 V. Während der Messung liegt diese Spannung an den Messleitungen und am geprüften Objekt an – hier nicht hingreifen. Kabel und Leitungen mit nennenswerter Kapazität speichern diese Spannung außerdem nach der Messung. Deshalb gehört das Entladen nach jeder Messung dazu; gute Messgeräte übernehmen das automatisch und zeigen es an.

Der zweite kritische Punkt ist die angeschlossene Elektronik. Elektronische Betriebsmittel – Steuerungen, Frequenzumrichter, Netzteile, LED-Treiber, Überspannungsschutzeinrichtungen – vertragen die hohe Prüfspannung nicht. Sie werden vor der Messung abgeklemmt oder der betreffende Stromkreis wird so vorbereitet, dass die Prüfspannung nicht an die empfindlichen Bauteile gelangt. Ein bewährter Weg, um genau das zu erreichen, ist eine Brücke zwischen L und N: Verbindet man die aktiven Leiter miteinander und misst dann gemeinsam gegen den Schutzleiter, liegt zwischen L und N keine Prüfspannung an – die dort eingebauten Elektronikkomponenten bleiben unbelastet, während die Isolierung gegen Erde trotzdem geprüft wird.

Gemessen wird grundsätzlich zwischen den Punkten, zwischen denen die Isolierung trennen soll:

• jeder aktive Leiter gegen den Schutzleiter PE (L gegen PE, N gegen PE)
• die aktiven Leiter gegeneinander (L gegen N), sofern keine empfindliche Elektronik dazwischen liegt

Bei einer Installation arbeitet man sich von der Verteilung aus durch die einzelnen Stromkreise. Bei einem einzelnen Gerät misst man zwischen den aktiven Anschlüssen und dem berührbaren leitfähigen Gehäuse beziehungsweise dem Schutzleiteranschluss. Die Messdauer beträgt üblicherweise einige Sekunden, bis sich der angezeigte Wert stabilisiert hat – bei großen Kabellängen oder Wicklungen dauert das länger, weil sich zuerst die Kapazität aufladen muss.

Das verwendete Messgerät ist kein gewöhnliches Multimeter, sondern ein Isolationsmessgerät, das die Anforderungen der ÖVE/ÖNORM EN 61557-2 erfüllt – jener Norm, die Mess- und Überwachungsgeräte für die Prüfung des Isolationswiderstands in Niederspannungsanlagen festlegt. Der Messablauf selbst und die einzuhaltenden Grenzwerte richten sich nach der ÖVE/ÖNORM E 8101.

Das folgende Schema zeigt eine typische Messanordnung an einem Abzweig: Die aktiven Leiter L und N sind durch eine Brücke verbunden und werden gemeinsam gegen den Schutzleiter PE gemessen. So bleibt eine empfindliche elektronische Last unbelastet, während die Isolierung gegen Erde geprüft wird.

Zeigt die Messung einen zu niedrigen Wert, beginnt die eigentliche Arbeit: die Ursache finden. Ein niedriger Isolationswiderstand hat in der Praxis einige typische Verdächtige. Feuchtigkeit ist der häufigste – in Schächten, in Außenanlagen, in Anlagen, die länger stillstanden. Mechanische Beschädigung der Isolierung durch Quetschen, Scheuern oder Nagetiere ist der zweite Klassiker. Dazu kommen Verschmutzung mit leitfähigen Ablagerungen und schlicht Alterung der Isolierstoffe.

Ein wichtiger Point ist die Unterscheidung, ob der niedrige Wert vom geprüften Leiter selbst kommt oder von einem parallel angeschlossenen Verbraucher. Bei der Messung liegen alle parallel angeschlossenen Pfade gemeinsam am Messgerät – ein einziges feuchtes Gerät am Ende eines Stromkreises drückt den Wert für den gesamten Kreis. Deshalb arbeitet man sich beim Eingrenzen schrittweise vor: Verbraucher und Teilstrecken nacheinander auftrennen und einzeln messen. Steigt der Wert nach dem Abklemmen eines bestimmten Geräts sprunghaft an, ist die Ursache gefunden.

Hilfreich ist auch die Beobachtung des Messwerts über die Zeit. Bei intakter, aber feuchter Isolierung steigt der angezeigte Wert während der Messung oft langsam an – ein Effekt der Polarisation: Die Ladungsträger in der Isolierung ordnen sich unter der Gleichspannung allmählich, der Strom geht zurück, der Widerstand steigt. Bei einer dauerhaft geschädigten Isolierung bleibt dieser Anstieg dagegen aus, der Wert verharrt niedrig.

Genau aus diesem Verhalten leiten sich zwei Kennzahlen ab, die in der industriellen Instandhaltung – etwa bei Motorwicklungen großer Antriebe – zum Standard gehören:

Der Polarisationsindex (PI) vergleicht zwei Messwerte über eine längere Zeitspanne:

Ein hoher PI (deutlich über 1, oft 2 oder mehr) zeigt eine trockene, gesunde Isolierung, deren Widerstand über die Zeit deutlich ansteigt. Ein PI nahe 1 deutet auf Feuchtigkeit oder Alterung hin – der Widerstand steigt kaum noch an.

Das Dielektrische Absorptionsverhältnis (DAR) ist die schnellere Variante desselben Gedankens über eine kürzere Zeitspanne:

Beide Kennzahlen haben einen großen praktischen Vorteil: Sie sind Verhältniszahlen. Temperatur und Feuchtigkeit beeinflussen beide Einzelmessungen ähnlich, kürzen sich im Verhältnis also weitgehend heraus. Damit lassen sich Wicklungen über Jahre vergleichen, auch wenn die Bedingungen nicht exakt gleich waren – ein Vorteil, den die punktuelle Einzelmessung nicht bietet.