Überblick mit realen Beispielen aus der Praxis­

Whisker in NS­‑An­lagen – als Problem oft unerkannt

11. Juli 2018

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Kurzschlüsse oder Lichtbögen mit Kurzschlussfolgen sind immer wieder auftretende Ereignisse in elektrischen Geräten oder Anlagen mit teilweise erheblichen Personen- oder/und Sachschäden. Die Ursachen sind sehr vielfältig
und nicht immer vermeidbar, da eine absolut sichere Technik nicht zur Verfügung steht. Wichtig aber ist, dass jede Lichtbogenstörung gründlich auf der Grundlage der physikalischen Gesetze und unabhängig von ökonomischen Interessen analysiert wird.

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Es darf und kann nicht sein, dass Untersuchungsergebnisse beim heutigen Stand der Technik mit dem Ergebnis abschließen, die Ursache der Lichtbogenstörung sei nicht ermittelbar. Ein Blick in die allgemeinen statistischen Unterlagen zeigt aber, dass der handelnde Mensch häufig direkt aber auch indirekt als Verursacher der Störungen im Vordergrund steht. Direkt, wenn er – aus welchen Grund auch immer – an Geräten oder Anlagen in der Nähe von unter Spannung stehenden oder direkt an diesen Anlagen handelt, ohne die notwendigen Handlungsanweisungen oder Schutzmaßnahmen ordnungsgemäß zu berücksichtigen. Indirekt, wenn er Geräte oder Anlagen plant, baut und in Betrieb nimmt, ohne die physikalischen Gesetze und geltenden Normen und Vorschriften im sinnvollen Rahmen zu berücksichtigen.

Eine hohe Zuverlässigkeit über die geplante Gesamtlebensdauer der Geräte und Anlagen unter Beachtung der ökonomischen und auch ökologischen Gesamtbilanz sollte stets Vorrang vor kurzfristigen ökonomischen Vorteilen haben. Rein technische Fehler treten relativ selten auf. Wenn ja, dann sind Einsatzbedingungen, Klima, Verschmutzung oder auch thermische Probleme häufig mit im Spiel. Ein besonderes Problem in den letzten 40 Jahren sind Lichtbogenereignisse, die durch Whisker hervorgerufen, aber selten mit der Whiskerbildung in Verbindung gebracht wurden. Eine Konzentration auf das Whiskerproblem erfolgte in Verbindung mit erheblichen Ausfällen im Bereich der Raum- und Luftfahrt durch die Nasa.

Was sind Whisker und wo entstehen sie?

Whisker sind nadelförmige, metallische Einkristalle mit einem Durchmesser im Bereich von einigen Nanometern bis hin zu Mikrometern. Die beobachteten Längen liegen im Bereich zwischen Nanometern und Zentimetern. In den vergangenen Jahrhunderten sind diese Einkristalle im Bergbau als Haarsilber beobachtet und verwertet worden. Aus dem Englischen wurde dann für die auch als Bart- oder Schnurrhaar bezeichneten Phänomene der Begriff Whisker geprägt. Mit der Entwicklung der Technik wurden die Grundlagen der Einkristallbildung und mögliche Verwertung gefördert. Whisker in elektrotechnischen Geräten und Anlagen entstehen überwiegend an galvanisch veredelten Bauteilen. Beobachtet wurde die Whiskerbildung in der galvanischen Kombination verschiedener Grundmaterialien mit den Metallen Zinn, Silber, Zink, Gold, Cadmium, Blei und Indium, sehr selten auch mit Wismut. Ein Schwerpunkt der Whisker-Problematik liegt im Bereich der Löttechnik der Mikroelektronik.

Folgen der Korrosionsbehandlung

Bild 1: Vergrößerte Schnittdarstellung eines verzinnten Kupferbauteils

Bild 1: Vergrößerte Schnittdarstellung eines verzinnten Kupferbauteils

In der allgemeinen Starkstromtechnik wird im wesentlichen Kupfer und Aluminium als Leitermaterial verwendet. Zur Vermeidung von Korrosionen an Kontaktstellen werden die Kupfer- und Aluminiummaterialien galvanisch versilbert oder verzinnt. Häufig spielt auch eine vordergründige, aber technisch nicht notwendige Verbesserung der Ansichtsgüte durch Blankverzinnung eine Rolle. Da die Whiskerbildung mit verschiedenen Materialkombinationen sehr komplex ist, soll in diesem Beitrag an Hand der Verzinnung von Kupfer das grundsätzliche Problem dargelegt werden.

Soll ein Bauteil galvanisch verzinnt werden, muss man es vorher gründlich reinigen. Entweder erfolgt eine mechanische Reinigung durch die Bürstentechnolgie oder es wird eine chemische Reinigung durchgeführt. Beide Verfahren erfolgen zeitlich getrennt vom Galvanisier-Prozess. Beim Eintauchen des Bauteiles in das chemisch aktive Galvanikbad entsteht im ersten Augenblick eine intermetallische Diffusionsschicht, da das Zinn nicht schlagartig auf das Kupferbauteil übertragen wird. In dieser Diffusionsschicht werden Restpartikel der Reinigung und Fremdpartikel des Galvanikbades eingebunden. Bild 1 zeigt an einer vergrößerten Schnittdarstellung eines verzinnten Kupferbauteiles die Diffusionsschicht. Der Zinnauftrag liegt im Bereich von ca. 4 … 8  µm.

Vorgänge innerhalb molekularer Strukturen

Bild 2: Modelldarstellung der Zinn-Whiskerbildung

Bild 2: Modelldarstellung der Zinn-Whiskerbildung

Mit dem heutigen Stand der Untersuchungen lässt sich herleiten, dass in den galvanotechnisch erzeugten Zinnschichten auf Kupfermaterial in der Diffusionsschicht zwischen dem Kupfer und dem Zinnbelag Bronzen gebildet werden, die auf Grund ihres Kristall­aufbaues mechanische Spannungen zwischen den Zinn- und Bronzekristallen hervorrufen. Eine besondere Rolle spielt hier die intermetallischen Kupfer-Zinn-Phase Cu6Sn5. Im Bild 2 ist ein grobes Modell dieser Zinn-Whiskerbildung dargestellt. In Abhängigkeit vom Galvanikverfahren, dem Reinigungszustand des Kupfers, der Reinheit des Zinnmaterials oder der Zinnsubstanzen sowie der Zusammensetzung und Reinheit des Galvanikbades bilden sich im Bereich der Diffu­sionszone Inseln mit Kupfer-Zinn-Bronzen.

Die inneren Materialspannungen in der Grenzschicht können noch durch Fremdmaterial, erzeugt durch Additive im Galvanikbad, verstärkt werden. Entscheidend für die Whiskerbildung ist auch die gewählte Korngröße der Zinnschicht. Bei einer Glanzverzinnung wird bewusst eine kleine Korngröße angestrebt, gegenüber der Mattverzinnung mit einer großen Korngröße. Der innere Kristalldruck erhöht sich bei der kleineren Korngröße erheblich, auch ist der Einfluss der additiven Fremdmaterialen größer.

Entdeckung und Erkenntnis­gewinn

In der Starkstromtechnik sind Whisker seit 1950 vereinzelt festgestellt worden, ohne dass es dazu eine gründliche Analyse gab. Mit dem Bleiverbot (RoHS-Richtlinie, EG-Richtlinie 2002/95/EG zur Beschränkung der Verwendung bestimmter gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten) traten aber bestimmte Schäden an Elektroanlagen häufiger auf.

Erste eigene Beobachtungen des Autors ergaben sich 1969 bei der Auswertung der Langzeituntersuchungen an Kontakten von Transformatoren-Stufenschaltern, die über einen Zeitraum von einem Jahr unter konstanter Öltemperatur Schaltzyklen unter Last durchführten. Bei Teilentladungsmessungen an Geräten der Spannungsebenen 10 … 30  kV konnten bei Erstbeaufschlagung mit der Prüfspannung Teilentladungen beobachtet werden, die plötzlich verschwanden. Detailuntersuchungen zeigten bei Neugeräten Whisker und bei geprüften Geräten Reste abgeschmolzener Whisker.

Kritische Anzahl an Whisker zündet Lichtbogen

In Niederspannungsanlagen konnten Whisker in Schaltgeräten, NH-Sicherungselementen, Schaltanlagen und an Kabelschuhen nachgewiesen werden (Bilder 3 bis 5). Whisker in elektrischen Bauteilen bedeuten eine grundsätzliche Verkürzung der durch Typprüfung oder Baumusternachweis bestimmten Luft- und Kriechstrecken. Dabei ist zu berücksichtigen, dass ein einzelner Whiskerfaden nicht unbedingt zu einer Lichtbogenzündung führt. Die Stromtragfähigkeit eines Whiskers ist sehr gering. Erfolgt ein Spannungsdurchschlag zu diesem Whisker, schmilzt er, ohne eine ausreichende Ionisierung der Luft­strecke zu erzeugen, um einen Lichtbogen zu zünden.

Bilder 3 bis  5

Aber, ist die Anzahl der Whisker-­Fäden auf einer Fläche ausreichend groß und der Leiter stromdurchflossen, wird durch das Eigenmagnetfeld des stromdurchflossenen Leiters die geringe Ionisierung des ersten schmelzenden Whiskers in den inhomogenen Bereich des nächsten Whiskers transportiert mit der Folge eines erneuten Spannungsdurchschlags. Somit steigt mit den weiteren Durchschlägen die Ionisierung auf einen Wert, der einen Leistungslichtbogen ermöglicht. In den Bildern 6 und 7 wird dieser Vorgang gezeigt. Bild 6 zeigt den Blick in einen Schienenkanal, in welchem bisher ­keine Lichtbogenzündung erfolgte. Das Bild 7 zeigt die Bildmontage einer Störung an einem baugleichen Schienenkanal. Man erkennt hier den Zündort an den demontierten Schienen L1 und L2. Das unterschiedliche Erscheinungsbild der Lichtbogenfußpunkte ergibt sich aus der anodischen und kathodischen Polarität im Augenblick der Lichtbogenzündung. Die Einwirkzeit des Lichtbogens im Bereich der Teilbilder liegt bei < 2 ms.

Bilder 6  bis 7

Nach dem Lichtbogen sind Whisker oft verschwunden

Schwierig ist der Nachweis von Whisker nach Lichtbogeneinwirkungen, da durch die thermischen Einwirkungen und Rußablagerungen Whiskerspuren zerstört oder verdeckt sind. Häufig trifft man bei der Ermittlung solcher Störungen auf eine Voreingenommenheit und Ignoranz der Auftraggeber, die auf Unwissenheit oder auch wirtschaftlichen Interessen beruht. Grundsätzlich muss man aber bei der galvanischen Verzinnung von Kupferflächen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit von Whiskerbildung ausgehen. Daraus ergibt sich die Frage der Notwendigkeit der Verzinnung von Kupferflächen. Aus der Sicht der thermischen Beanspruchung ist eine Zinnauflage, besonders der Blankverzinnung, eher nachteilig, da die Wärmeabstrahlung gegenüber einem Kupferrohmaterial ungünstiger ist. Die Ansichtsgüte dürfte bei industriell gefertigte Baueinheiten ebenfalls keine Rolle spielen. Bleiben also unnötige Kosten und Umweltprobleme.

Für Kontaktflächen muss beachtet werden, ob es einmalige, industriell gefertigte Verbindungen gibt oder Wechselmöglichkeiten notwendig sind. Bei industriell gefertigten Verbindung ist eine Verzinnung nicht notwendig, da eine sachgemäße Fertigung eine ausreichende Kontaktqualität liefert. Der praktische Nachweis ist in Anlagen, wo häufig Whisker auftraten und vom Auftraggeber zinnfreie Elemente gefordert und angewendet wurden, ohne Qualitätseinbußen erbracht.

Gezielte Suche nach Whisker

Wo traten häufig Whisker auf? Die Frage ist nicht eindeutig zu beantworten. Auffällig ist, dass da, wo einmal eindeutig Whisker als Störursache ermittelt wurden, später kritischer nachgesehen wird und weitere Whisker erkannt werden. Viele Störungen an gleichen Bauelementen an anderen Orten werden aber häufig als ungeklärt abgeschlossen, da die Whisker-Problematik relativ unbekannt ist oder ignoriert wird. Aus den bisher durchgeführten Störuntersuchungen lässt sich herleiten, dass in Anlagen mit konstanter Betriebstemperatur der Sammelschienen im Bereich von > 60 °C und 24-h-Betrieb eine Häufung zu beobachten ist.

Umwelteinflüsse sind nicht nachweisbar, aber auch nicht mit Sicherheit auszuschließen, da durch Poren in der Zinnschicht durchaus Fremdstoffe eindringen und die inneren Spannungen erhöhen können. In der Literatur wird auch auf Stressbeanspruchung des Materials durch mechanische Bearbeitung (z. B. Biegung) nach dem Verzinnen verwiesen. Anhand der Störuntersuchungen des Autors lässt sich das nicht belegen, da die Häufung der Whiskerbildung überwiegend an nicht durch Biegung beanspruchten Flächen beobachtet wurde. Bild 8 zeigt das Beispiel einer mechanisch beanspruchten verzinnten Fläche. Deutlich sind dort an den nachträglich aufgebrachten Kratzspuren auf der Zinnfläche Whisker unterschiedlicher Entwicklung zu erkennen. Bild 9 zeigt eine verzinnte Aluminiumschiene mit deutlichen Kratzspuren und sich aus diesen heraus entwickelnden Whisker.

In den bisher gezeigten Bildern sind neben den fadenförmigen Whisker auch Anhäufungen von Krümelwhisker vorzufinden – auch Hillocks genannt. Die Ursache dieser Whisker-Erscheinung ist die Struktur der Zinnkristalle. Im der Modelldarstellung der Whisker-Entwicklung (Bild 2) sieht man, dass die Zinnkristalle sehr unterschiedliche Größen und Lagen aufweisen. Die Whisker können im Bereich von 0 … 180 ° – bezogen auf die Oberfläche – austreten. Im Bereich kleiner Winkel zur Oberfläche ist die Ausbildung von Fäden, bedingt durch die raue Oberfläche, schwierig. Die austretenden Whisker stoßen auf Widerstand und zerbröseln. Die von innen nachstoßenden Zinn­atome drücken aber weiter, so dass ein Krümelhaufen entsteht. Aus den Krümelwhisker können sich auch Faden­whisker entwickeln. In den Bildern 10 und 11 ist ein Beispiel der unterschiedlichen Whisker-Ausbildung auf einer verzinnten Aluminiumschiene aus einem Schaltgerät dargestellt.

Bilder 10 bis 11

Suche nach wirksamen Maßnahmen

Wie lassen sich Whisker erkennen und was kann man dagegen tun? Eindeutig sichtbare Whisker (Bild 6) sind nicht immer anzutreffen. Häufiger sind es Krümelwhisker, die sich als kleine weiße Punkte mit einer sehr rauen und scharfen Oberfläche zeigen. Im Bild 12 ist ein Beispiel an einem Leistungsschalter-Anschluss wiedergegeben. Zu beachten sind hier auch die von der Anschlussschiene abgefallenen und auf dem Leistungsschalter liegenden Whiskerkrümel. Hier liegt die verborgene und häufig übersehene Gefahr der Whisker vor. Die Krümel- und auch Fadenwhisker stellen metallisch leitende Objekte dar. Fallen sie ab, können sie auf Isolationsstrecken fallen und Störungen einleiten. Besonders kritisch wird es, wenn diese Metall­partikel in jegliche Art von Schaltgeräten eindringen und deren Funktion gefährden.

Bild 12: Ansicht eines Leistungsschalteranschlusses in einem staubgeschützten Raum mit sehr viel Krümelwhisker

Bild 12: Ansicht eines Leistungsschalteranschlusses in einem staubgeschützten Raum mit sehr viel Krümelwhisker

Erkennt man auf einem beliebigen Bauteil der Starkstromtechnik Krümelwhisker, sollte das Bauteil zeitnah ausgetauscht werden. Auf keinem Fall helfen hier Reinigungsarbeiten irgendeiner Art. Mit bloßem Auge lassen sich Fadenwhisker unter Umständen nicht erkennen, können bei Reinigungsarbeiten übersehen werden und auf Isolationsstrecken fallen. Auch Herstellerangaben von Gefährdungsstufen in Abhängigkeit von den Abmessungen der Hillocks sind irrelevant und gefährlich, da bei dieser Betrachtung mögliche querliegende Fadenwhisker nicht berücksichtigt werden. Die Bilder 10 und 11 zeigen das sehr deutlich.

Der Fadenwhisker mit einer Länge von 41 mm wurde erst unter dem Mikroskop erkannt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Tatsache, dass die Bilder 10 und 11 von einem Schaltgerät herrühren, was in Reserve lag und noch nie im Betrieb war. Es wurde als Muster zu einem durch einen Lichtbogen zerstörten Schaltgerät untersucht. Vor der Anwendung von ­Fetten, Farben, Sprays und dergleichen ist dringend abzuraten, da die Aktivität der Whisker durch die tiefliegenden Inseln mit Kupfer-Zinn-Bronzen nicht unterbunden und unter Umständen sogar gefördert werden.

Fazit

Es fehlen wissenschaftliche Untersuchungen zu den Problemen der Whiskerbildung in der Starkstromtechnik. Außerdem liegen keine sicheren Aussagen zur zeitlichen Entwicklung von Whiskern vor. Im Gegensatz dazu existieren umfangreiche Untersuchungen aus dem Bereich der Mikroelektronik. In beiden Bereichen gibt es aber erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Reinheit, Materialbeschaffenheit, Umweltbedingungen und mechanisch einwirkenden Kräfte.

Herstellerangaben, die eine zusätzliche Nickelschicht zwischen Kupfer und Zinn als Maßnahme gegen Whisker deklarieren, sind nicht im vollen Umfang richtig. Aus der Literatur ist zu entnehmen, dass eine Nickelschicht die Whiskerbildung stark reduziert, jedoch nicht mit Sicherheit verhindert. Ferner wird durch diese Maßnahme die ökologische und ökonomische Gesamt­bilanz nicht besser. Den einzig sicheren Schutz vor Whisker-Störungen stellt der Verzicht auf galvanische »Veredlung« der Leitergrundmaterialien dar.

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