IEC 60601-1 Kriech- und Luftstrecken für LINAC-Hochspannungskondensatoren

IEC 60601-1 Kriech- und Luftstrecken für LINAC-Hochspannungskondensatoren

Abstract

Ein Linearbeschleuniger (LINAC) arbeitet mit 50 kV und 2 kA, und der Patient befindet sich in unmittelbarer Nähe dieses Stromkreises. Die Norm IEC 60601-1 schreibt für solche Knotenpunkte eine verstärkte Isolierung vor und legt damit strenge Grenzwerte für Luftspalte und Oberflächenpfade fest. Vier Eingangsgrößen bestimmen die Messwerte: Spitzenspannung, Isolationspegel, Verschmutzungsgrad und Materialgruppe. Dieser Artikel enthält die Tabellenwerte, die Höhenregel und ein durchgerechnetes Beispiel mit 25 kV.

1. Einleitung

Ein Pulsmodulator eines Linearbeschleunigers schaltet 50 kV bei bis zu 2 kA. Der Patient befindet sich in einem Umkreis von einem Meter um diesen Schaltkreis, und eine Fraktionierung dauert 15 bis 30 Minuten. Eine Störung kann die Behandlung abbrechen oder eine falsche Dosis verabreichen.

IEC 60601-1 unterteilt den Schutz in vier Stufen: Basis-, Zusatz-, Doppel- und verstärkter Schutz. Ein Stromkreis mit einer medizinischen Funktion am Patienten erfordert eine verstärkte Isolierung gemäß 2 MOPP.

Die Abstände sind nicht geschätzt. Zwei Tabellen in der Norm geben die Kriechstrecke gegen Spitzenspannung an. Eine Formel berechnet die Kriechstrecke aus der Effektivspannung. Verschmutzungsgrad und Materialgruppe skalieren das Ergebnis.

Dieser Artikel beschreibt den Ablauf: Spannungen ablesen, Pegel einstellen, Verschmutzungsgrad und Füllstand auswählen, anschließend nachschlagen und korrigieren. Ein Beispiel mit 25 kV und eine Überprüfung mit 50 kV schließen den Artikel ab.

2. Kernmechanismus

2.1 Die vier Isolationsstufen

Eine Basisdämmung besteht aus einer Schicht um ein spannungsführendes Bauteil. Eine Zusatzdämmung ist eine zweite, unabhängige Schicht außerhalb dieser Schicht. Eine Doppeldämmung kombiniert beide. Eine verstärkte Dämmung ist ein System, das die gleichen Anforderungen wie eine Doppeldämmung erfüllt.

Ein Linearbeschleuniger (LINAC) sendet einen Impuls an den Patienten, daher benötigt die Hochspannungsseite zwei MOPP (Multi-Operating Protection Planes). Das bedeutet zwei Schutzmechanismen für den Patienten, und der Schutzpegel muss auch bei einem einzelnen Fehler aufrechterhalten werden.

2.2 Abstand von der Spitzenspannung

Der Luftspalt ist der kürzeste Weg durch die Luft zwischen zwei Leitern. Er wird durch die maximale Betriebsspannung, das Isolationsniveau und die Standorthöhe bestimmt.

Tabelle 13 der IEC 60601-1 behandelt 1 MOPP, Tabelle 14 die verstärkte Isolierung. Bei 1 kV Spitze beträgt die Verstärkung 2.0 mm, bei 5 kV 6.0 mm, bei 10 kV 11 mm und bei 20 kV 20 mm.

Oberhalb von 20 kV steigen die Zahlen rapide an. Ein 30-kV-Knoten benötigt 28 mm, ein 50-kV-Knoten 44 mm. Tabelle 13 gibt die 1-MOPP-Werte bei der Hälfte dieser Werte an.

2.3 Kriechverhalten in Abhängigkeit von der Effektivspannung und der Materialgruppe

Die Kriechstrecke ist der kürzeste Weg entlang einer festen Oberfläche. Sie wird durch die Effektivspannung (RMS) bestimmt, und die Materialgruppe legt fest, wie viel Oberfläche der Knoten benötigt.

CR = f × √V_rms + f × (V_rms − 250) × K

Dabei ist CR die Kriechstrecke in mm, V_rms die Effektivspannung in V, f der Materialgruppenfaktor und K der Faktor für einen wiederkehrenden Spannungspeak. Gruppe I verwendet f = 0.25, Gruppe II 0.4, Gruppe IIIa 0.5 und Gruppe IIIb 0.8.

Ein 17.7 kV RMS-Knoten in Gruppe I ergibt 0.25 × 133 = 33 mm aus dem ersten Term. Mit K = 0.02 addiert sich im zweiten Term ein Wert von 87 mm, sodass CR bei etwa 120 mm liegt.

Die Materialgruppierung richtet sich nach dem CTI der Füllung. Gruppe I beginnt bei CTI 600, Gruppe II bei 400, Gruppe IIIa bei 175 und Gruppe IIIb bei 100.

CR_I = 0.8 × CR_IIIa

Dabei ist CR_I die Kriechstrecke in einer Gruppe-I-Füllung und CR_IIIa die Kriechstrecke für denselben Knoten in einer Gruppe-IIIa-Füllung. Ein Keramikkörper reduziert eine 50 mm lange Epoxidharz-Verbindung auf 40 mm und spart so Leiterplattenfläche.

2.4 Höhe und Belastbarkeit

Die Luft wird mit zunehmender Höhe dünner, daher kann eine Lücke, die auf Meereshöhe dicht ist, in den Bergen überspringen. Korrigieren Sie den Tabellenwert oberhalb von 2,000 m.

D_h = D_0 × (1 + (h − 2000) / 20000)

Dabei ist D_h der korrigierte Lichtraum in mm, D_0 der Tabellenwert in mm bei 2,000 m und h die Standorthöhe in m. Bei 3,650 m beträgt der Faktor 1.0825, sodass ein Wert von 28 mm auf 30.3 mm anwächst.

Der dielektrische Spannungsfestigkeitstest schließt den Regelkreis.

V_test = 1.5 × V_rated

Dabei ist V_test die 60 s lang angelegte Spannung in kV und V_rated die Nennspannung in kV. Ein 30-kV-Bauteil wird mit 45 kV und ein 50-kV-Bauteil mit 75 kV geprüft.

Abb. 1 — Der verstärkte Luftspalt vergrößert sich von 2 mm bei 1 kV auf 44 mm bei 50 kV Spitze, und die 1 MOPP-Werte liegen bei der Hälfte dieser Linie.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Auslegung nur auf die Betriebsspannung

Eine 50-kV-Modulatorleitung ist am Magnetron transienten Spannungen von 70 kV ausgesetzt. Eine für 50 kV ausgelegte Schaltung weist einen Luftspalt von 44 mm auf, der von der transienten Spannung überbrückt wird. Um dies zu vermeiden, sollte ein 1.5-facher Sicherheitszuschlag berücksichtigt werden: Der 50-kV-Knoten sollte für 75 kV und einen Luftspalt von 60 mm ausgelegt werden.

Problempunkt 2: Verschmutzungsgrad eines Reinraums an einem Nassstandort

In einem Behandlungsraum wird Desinfektionsmittel versprüht, und der Boden trocknet langsam ab. Ein Pfad, der für Verschmutzungsgrad 2 eingestuft ist, kann nach einigen Monaten eine Fläche von 20 mm zurücklegen. Bewerten Sie den Pfad für Grad 3 und addieren Sie 20 % der Flächenlänge.

Problempunkt 3: Kriechlinien wurden für die falsche Materialgruppe gezeichnet

Auf einer Leiterplatte wurde eine 40 mm lange Kriechstrecke für ein Epoxidharz der Gruppe IIIa benötigt. Derselbe Knoten in einem Keramikmaterial der Gruppe I benötigt 32 mm. Das Layout verschwendete 8 mm Leiterplattenfläche ohne jeglichen Vorteil.

Problempunkt 4: Umtopfen als Ersatz für Abstand

Dickes Epoxidharz ersetzt keinen Luftspalt. Ein vergossenes Bauteil benötigt weiterhin einen Luftspalt an der Stelle, an der ein Anschluss aus dem Gehäuse austritt. Hohlräume in der Vergussmasse senken den Überschlagpegel und erhöhen die Teilentladungsrate.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Spitzen- und Effektivspannung am Knoten ablesen

Notieren Sie vor Beginn der Layoutarbeiten die Spitzenspannung des Impulses und den Effektivwert. Bei einem 25-kV-Impuls beträgt der Effektivwert 17.7 kV. Diese beiden Werte fließen in alle nachfolgenden Schritte ein, und ein falscher Effektivwert verschiebt die Kriechstrecke um mehrere zehn Millimeter.

Strategie 2: Stellen Sie den Isolationsgrad vom Anwendungsbereich aus ein.

Das zu behandelnde Bauteil bestimmt den erforderlichen Schutzgrad. Eine Liege oder ein Laser benötigt eine Basisisolierung. Eine Oberflächenelektrode benötigt 1 MOPP. Ein über den Patientenkontaktpfad abgegebener Impuls benötigt 2 MOPP verstärkt, wodurch sich der Sicherheitsabstand verdoppelt.

Strategie 3: Wähle den Verschmutzungsgrad aus dem Raum aus.

Klasse 1 gilt für den Einsatz in einem geschlossenen Behälter. Klasse 2 eignet sich für Reinräume. Klasse 3 eignet sich für Behandlungsräume mit Sprührückständen und Kondenswasserbildung. Klasse 4 umfasst Außenbereiche und Feuchträume. Die meisten Linearbeschleunigerräume fallen unter Klasse 3.

Strategie 4: Wählen Sie eine Keramikfüllung der Gruppe I

A Dielektrikum der Klasse I Beispielsweise weist N4700 einen CTI-Wert über 600 auf und gehört damit zur Gruppe I. Der Kriechstrompfad verringert sich dadurch um 20 % gegenüber einem Epoxidharz der Gruppe IIIa. Die gleiche Reduzierung gilt für den Oberflächenpfad über der Vergussmasse.

Strategie 5: Höhenkorrektur für den Sicherheitsabstand

Für Standorte über 2,000 m ist der Höhenfaktor zu berücksichtigen. Der Sicherheitsabstand ist bereits in der Planungsphase einzuplanen, da sich die Luftspalte eines fertigen Schaltschranks nicht vergrößern lassen. Ein 30-kV-Knotenpunkt in 3,650 m Höhe benötigt einen Sicherheitsabstand von 30.3 mm.

Strategie 6: Überprüfen Sie die Konstruktion mit Spannungsfestigkeits- und Teilentladungsprüfungen.

Legen Sie für 60 s die 1.5-fache Nennspannung an und messen Sie anschließend die Teilentladung. Halten Sie den Innenwiderstand (IR) bei der 1.5-fachen Nennspannung über 10 GΩ und die Teilentladung unter 3 pC. Lagern Sie die Probe 1,000 h bei 85 °C und überprüfen Sie, ob der Wert innerhalb von 5 % bleibt.

Strategie 7: Das Gelände entlang eines langen Oberflächenpfades planieren

Ein langer Kriechweg weist an seinen Enden eine hohe Oberflächenspannung auf. Bemessung von Widerständen Die Spannung wird entlang der Leitung verteilt. Dieser Schritt ist oberhalb von 30 kV wichtig, da ein blanker Leiter bei etwa 3 kV/mm überschlägt.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	-
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC-Kondensatoren für die Auslegung mit Isolationsabstand

Der auf der Platine eingezeichnete Abstand gilt nur, wenn die Oberfläche des Bauteils sauber bleibt. Drei Eigenschaften sind dafür entscheidend: der Wärmeleitfähigkeitsindex (CTI) des Bauteilkörpers, der Oberflächenwiderstand nach dem Vergießen und der Anteil der Teilentladungen. HVC fertigt die Bauteile für alle drei Bereiche in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan für Spannungen von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• CTI über 600. Die Keramikkörper N4700 und X7R gehören zur Materialgruppe I, sodass sich ein 50 mm langer Pfad der Gruppe IIIa auf 40 mm reduziert und das Gehäuse klein bleibt.
• Der IR-Wert liegt über 10 GΩ. Der Körper behält seinen Widerstand bei 85 °C und 500 V Gleichspannung bei, sodass der Leckstrompfad deutlich unter dem Grenzwert von 10 µA für Patienten bleibt.
• Teilentladungen unter 3 pC bei 1.5-facher Nennspannung. Die geringe Entladungsaktivität verhindert Kriechströme und schützt so den Kriechpfad über die gesamte Lebensdauer.
• Kriechstrom über 20 mm/kV auf der HVCT8G und HVCT9G Die Schraubklemmen sind in Reihe geschaltet. Sie führen die Leiterbahn in ihrer eigenen Kontur, sodass die Platine dies nicht tun muss.
• Vergossene und ummantelte Varianten. Vakuum-Epoxidharzverguss und Keramikummantelungen verlängern den Leiterbahnverlauf auf 50 mm für Knotenpunkte über 50 kV, und eine äußere Polyimidschicht hält Temperaturen von 260 °C stand.
• Zusammenwirkende Teile. HVRGXP-Abtastwiderstände für den Trenner, schnelle Erholungsdiode Stapel für den Gleichrichter, und HVR-BSP Die Widerstände können zusammen mit den Kondensatoren als ein Satz angegeben werden.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen geliefert, vergossene oder mit Sockel versehene Baugruppen innerhalb von 6–10 Wochen. Im Vergleich dazu beträgt die übliche Lieferzeit für importierte Marken 20–30 Wochen. Der Anschlussabstand reicht von 5 mm bis 40 mm, die Toleranzen sind in den Bereichen ±1 %, ±2 % und ±5 % verfügbar. Die Mindestbestellmenge beträgt ein Stück.

Senden Sie die Spitzen- und Effektivspannung am Knotenpunkt, den Verschmutzungsgrad, die Standorthöhe und die Montagezeichnung. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen ein entsprechendes Datenblatt mit Teilenummern, CTI- und Kriechspannungswerten sowie den Prüfdaten für Spannungsfestigkeit und Teilentladungen. Das Team führt außerdem folgende Arbeiten durch: Querverweis Arbeiten gegen die Vorgaben von Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Welchen Sicherheitsabstand benötigt ein 50-kV-LINAC-Knoten?

44 mm für verstärkte Isolierung in 2,000 m Höhe und Verschmutzungsgrad 2, entnommen aus IEC 60601-1 Tabelle 14. Ein 1-MOPP-Knoten benötigt 22 mm gemäß Tabelle 13. Für einen höher gelegenen Standort ist der Höhenfaktor zu berücksichtigen, und bei Magnetron-Transienten oberhalb des Betriebspegels ist eine 1.5-fache Spannungsreserve hinzuzufügen.

Frage 2: Kann das Vergießen den Luftspalt ersetzen?

Nein. Vergussmasse erhöht zwar den Oberflächenwiderstand und verhindert die Ionenwanderung, beseitigt aber nicht die erforderliche Luftspaltweite an den Austrittsstellen der Anschlüsse. Lufteinschlüsse in der Vergussmasse senken zudem die Überschlagsfestigkeit. Verwenden Sie Vergussmasse, um die Kriechstrecke zu schützen und den Luftspalt auf dem Tabellenwert zu halten.

Frage 3: Warum reduziert eine Keramikfüllung die Kriechstrecke um 20 %?

Da die Kriechstromfestigkeit mit der Materialgruppe skaliert und die Gruppe dem CTI-Wert folgt, weist ein Keramikkörper einen CTI-Wert über 600 auf (Gruppe I). Ein Epoxidharzkörper hingegen weist einen CTI-Wert zwischen 175 und 400 auf (Gruppe IIIa). Das Verhältnis 0.25 / 0.5 ergibt die 20%ige Reduzierung bei gleicher Knotenspannung.

Frage 4: Wie korrigiere ich die Höhe?

Multiplizieren Sie den Tabellenwert mit 1 + (h − 2000) / 20000. Bei 3,650 m beträgt der Faktor 1.0825, sodass aus 28 mm 30.3 mm werden. Wenden Sie die Korrektur nur auf das Spaltmaß an, da die Kriechstrecke der Oberflächenrichtung folgt und sich mit dem Luftdruck kaum verändert.

Frage 5: Welches Testniveau beweist die Funktionsfähigkeit des Designs?

Die 1.5-fache Nennspannung wird 60 s lang gehalten, wobei die Teilentladung bei gleichem Pegel unter 3 pC liegt. Ein 50-kV-Teil wird bei 75 kV geprüft. Anschließend werden 1,000 h bei 85 °C getestet und sichergestellt, dass die Verluste unter 5 % bleiben und der Isolationswiderstand über 10 GΩ liegt.

Frage 6: Beeinflusst die Temperatur den Kriechstromwert?

Die Tabellenwerte bleiben gültig, und das Bauteil verändert sich mit der Temperatur. Eine Füllung der Klasse II verliert zwischen 25 °C und 85 °C 30 % ihres Wertes und 20 % ihres Innenwiderstands. Eine feuchte Oberfläche verringert ihren Widerstand bei 80 % relativer Luftfeuchtigkeit um das 10- bis 100-Fache. Halten Sie die Füllung gemäß Klasse I N4700 mit einer Abweichung von ±30 ppm/°C ein und vergießen Sie den Korpus.

7. Referenzen

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Medizinische elektrische Geräte – Teil 1: Allgemeine Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen LeistungsmerkmaleGenf: IEC, 2012.
2. IEC 60601-2-1:2009, Medizinische elektrische Geräte — Teil 2-1: Besondere Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Elektronenbeschleunigern im Bereich von 1 MeV bis 50 MeVGenf: IEC, 2009.
3. IEC 60384-8, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, und Robbins, WP, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. IEC 60664-1:2020+AMD1:2025 CSV, Isolationskoordination für Betriebsmittel in Niederspannungsversorgungssystemen – Teil 1: Grundlagen, Anforderungen und Prüfungen, Ed. 3.1. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2025.
8. A. Boudiaf, S. Bouazabia, N. Harid und ML Amrani, Analytische Berechnung der Teilentladungsschwelle in einem Gashohlraum innerhalb der Isolierung eines HochspannungskabelsElektrotechnik, Band 104, Nr. 2, S. 555–565, 2021. https://doi.org/10.1007/s00202-021-01310-9
9. US 6,760,215, Kondensator mit hoher Durchbruchspannungsschwelle, DF DeVoe (Presidio-bezogen), erteilt 2004, https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
10. Zinke, O., und Seither, H., Widerstände, Kondensatoren, Spulen und ihre Werkstoffe, 2. Aufl. Berlin: Springer, 1982.
11. Technische Hinweise zu Kondensatordesign und Zuverlässigkeit (Index inkl. Lichtbogensaison, Koronaeffekte und Einfluss des Leiterplattenlayouts auf Hochspannungsausfälle), Johanson Dielectrics, Inc., https://www.johansondielectrics.com/tech-notes/capacitors-all/ .
12. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com