Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Vor allem in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen werden zylindrische Leiter aus Aluminium mit großen Durchmessern für den Energietransport eingesetzt. Um die Leiter mit anderen Bauteilen zu verbinden, werden i. d. R. lösbare Steckverbindungen mit federnden Kontaktelementen genutzt. Es ist zu prüfen, ob die Steckverbindungen in vielen Fällen durch nicht lösbare stromführende Verbindungen ersetzt werden können. Dadurch soll vorrangig die Kosten- aber auch die Energieeffizienz sowie die Zuverlässigkeit der gasisolierten Anlagen erhöht werden. Betriebserfahrungen lagen für diese Verbindungen bisher nicht vor. Deshalb ist zuerst sicherzustellen, dass diese, über die Lebenszeit der Anlagen von mehreren Jahrzehnten Dauerströme im Kiloampere-Bereich langzeitstabil führen können. Um nicht lösbare stromführende Verbindungen mit zylindrischen Leitern aus Aluminium herzustellen, können verschiedene Fügetechnologien eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit werden das Längs- und Querpressen sowie das elektromagnetische Umformen zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen betrachtet. Das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten, der mit diesen Fügetechnologien hergestellten Verbindungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Es wurde daher das elektrische Kontaktverhalten der zylindrischen Verbindungen abhängig von verschiedenen Fügeparametern experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen zur Vorbehandlung und zum Fügevorgang beim Längs- und Querpressen sowie zur Form der Innenteile beim elektromagnetischen Umformen erarbeitet. Mit mechanischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente-Methode wurde der Fügevorgang beim Längs- und Querpressen nachgebildet. Ein Zusammenhang zwischen dem Kraftschluss in den Verbindungen und dem ermittelten Kontaktverhalten der Verbindungen konnte damit hergestellt werden. Um das elektrische Langzeitverhalten der Verbindungen zu bewerten, wurden diese bei thermischer und elektrisch-thermischer Belastung unter normaler Atmosphäre für eine Zeit von mindestens 20.000 h untersucht. Dabei zeigten die Verbindungen mit unbeschichteten Kontaktpartnern, im Gegensatz zu Verbindungen mit einem silberbeschichteten und einem unbeschichteten Kontaktpartner, ein sehr stabiles Langzeitverhalten. Die sehr große scheinbare Kontaktfläche und die relativ geringe mittlere mechanische Spannung sind für die untersuchten zylindrischen Verbindungen charakteristisch. Mit dem Kontaktwiderstandsbelag wurde ein elektrisches Vergleichs- und Bewertungskriterium für kraftschlüssige Flächenkontakte eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kontaktverhalten quergepresster Verbindungen mit dem von Stromschienen mit deutlich kleinerer Kontaktfläche bei homogener Verteilung der Kontaktkraft vergleichbar und somit skalierbar ist.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / Especially in Gas Insulated Switchgears and Gas Insulated Lines (GIS/GIL), cylindrical aluminum conductors with huge diameters are used for transportation of energy. To connect the conductors with other parts of the system, separable connections with contact elements are the common and most used solution. In many cases, the separable connections can be replaced with permanent connections in order to reduce costs as well as operating power losses and to increase the reliability. Until now, there had been no data of operating experience for these connections. Therefore a stable long-term behavior of the connections during the projected lifetime of the assets needs to be ensured. Different joining technologies can be used to set up these permanent electrical connections with cylindrical aluminum conductors. This work focuses on the press- and shrink-fit technology as well as the electromagnetic forming. Until now the electrical contact- and long-term behavior of connections joined through these technologies had not yet been sufficiently investigated. Therefore, the electrical contact behavior of the cylindrical connections was determined experimentally regarding different joining parameters. From these results, recommendations for the pretreatment and the joining processes when using press- and shrink-fit technologies as well as suggestions regarding the shape of the inserts when using electromagnetic forming were derived. Mechanical models based on the finite element method were used to calculate the joining processes of the press- and shrink-fit technologies. Through these models, a relation between the contact force and the contact behavior of the connections could be established. To evaluate the electrical long-term behavior, the connections were investigated under thermal- and electrical-thermal load for a minimum of 20,000 h within normal atmosphere. As a result, the connections with uncoated contact partners showed very stable long-term behavior compared to those connections with one silver-plated and one uncoated contact partner. Typical for the investigated cylindrical connections are the very large apparent contact area and the comparatively low average mechanical stress. The resistance of contact layer was established as an electrical criteria to compare and evaluate force closure based connections. It could be shown that the contact behavior of shrink-fit connections is comparable to that of joints with busbars, loaded with a homogenous distributed contact force, which have much smaller contact areas. The contact behavior is therefore scalable.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

Für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb des gesamten Elektroenergieversorgungs-systems ist der langzeitstabile und möglichst wartungsfreie oder wartungsarme Betrieb jeder einzelnen Komponente wichtig. Eine Wartung aller stromführenden Verbindungen ist aufgrund der Anzahl und ihrer Zugänglichkeit nicht möglich. Eine Großzahl der Verbindungen wird deshalb montiert und muss über die geforderte Lebensdauer der Anlagen von mehreren Jahrzehnten wartungsfrei funktionieren. Um dies gewährleisten zu können, müssen die richtigen Leiter- und Beschichtungswerkstoffe gewählt, eine langzeitstabile Konstruktion vorhanden, die richtige Montage durchgeführt und eine gesicherte Grenztemperatur für die gewünschte Lebensdauer unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen bekannt sein. In dieser Arbeit werden stromführende Verbindungen betrachtet, die keinen Lichtbogen führen müssen. Es werden die wichtigsten Leiter- und Beschichtungswerkstoffe, die Kontaktphysik insbesondere von Flächenkontakten, der Zusammenhang zwischen mechanischem und elektrischem Kontaktverhalten, die Physik der Alterung und die Wirkung auf das Langzeitverhalten bei unterschiedlichen Einsatz- und Umgebungsbedingungen betrachtet. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden genormte Prüfverfahren bewertet und Ansätze zum Weiterentwickeln vorgestellt. Die Erkenntnisse dieser Arbeit basieren auf Ergebnissen, die in 40 Jahren Forschung an der TU Dresden erarbeitet wurden. Als Modellgeometrie für die grundlegenden experimentellen Untersuchungen wurden insbesondere Schrauben¬verbindungen mit Stromschienen verwendet, da diese Verbindungsart eine der am häufigsten verwendeten ist und millionenfach im Elektroenergieversorgungssystem eingesetzt wird.:1 Einleitung 2 Funktion und Anforderung an stromführende Verbindungen 3 Kontaktwerkstoffe 3.1 Leiter 3.2 Beschichten von Leitern 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen 4.1 Physikalische Grundlagen zum Flächenkontakt 4.2 Schraubenverbindung mit Stromschienen 4.2.1 Mechanisches Kontaktverhalten 4.2.2 Elektrisches Kontaktverhalten 4.2.3 Zusammenhang elektrisches und mechanisches Kontaktverhalten 4.2.4 Montage stromführender Verbindungen 4.2.5 Verallgemeinern der gewonnenen Erkenntnisse 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen 5.1 Alterungsmechanismen 5.1.1 Kraftabbau 5.1.2 Diffusion 5.1.3 Chemische Reaktionen 5.1.4 Reibverschleiß 5.1.5 Elektromigration 5.2 Mathematische Ansätze zum Beschreiben der Alterung 5.3 Experimentell ermittelte Lebensdauerkennlinien 5.3.1 Typische Lebensdauerkennlinie von Schraubenverbindungen 5.3.2 Leiterwerkstoffe - Aluminium, Kupfer und deren Legierungen 5.3.3 Beschichtungswerkstoffe - Silber, Nickel, Zinn 6 Prüfverfahren 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis / For a safe and reliable operation of the electric power supply system, the long-term stable and low-maintenance or maintenance-free operation of each component is important. Maintenance of all current-carrying joints is not possible due to their number and accessibility. A large number of joints is installed and must operate during the required life-time of the system of several decades maintenance-free. In order to warrant this, the appropriate conductor and coating material must be selected, a long-term stable construction design must be provided, the correct installation must be guaranteed, and a safe temperature limit for the desired life-time must be known according to the ambient conditions. In this work, non-arcing current-carrying joints are investigated. It considers the most important conductor and coating materials, the physics of surface contacts, the relationship between mechanical and electrical contact behavior, the physics of aging and the effects on the long-term behavior under different conditions of use and environmental conditions. Based on these scientific findings, standardized test methods are evaluated and approaches for further development are presented. The findings of this work are based on the results obtained in 40 years of research at the TU Dresden. As a model geometry for the basic experimental investigations bolted joints with bus bars are used, because this type of joint is one of the most commonly used millions of times in the electric power supply system.:1 Einleitung 2 Funktion und Anforderung an stromführende Verbindungen 3 Kontaktwerkstoffe 3.1 Leiter 3.2 Beschichten von Leitern 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen 4.1 Physikalische Grundlagen zum Flächenkontakt 4.2 Schraubenverbindung mit Stromschienen 4.2.1 Mechanisches Kontaktverhalten 4.2.2 Elektrisches Kontaktverhalten 4.2.3 Zusammenhang elektrisches und mechanisches Kontaktverhalten 4.2.4 Montage stromführender Verbindungen 4.2.5 Verallgemeinern der gewonnenen Erkenntnisse 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen 5.1 Alterungsmechanismen 5.1.1 Kraftabbau 5.1.2 Diffusion 5.1.3 Chemische Reaktionen 5.1.4 Reibverschleiß 5.1.5 Elektromigration 5.2 Mathematische Ansätze zum Beschreiben der Alterung 5.3 Experimentell ermittelte Lebensdauerkennlinien 5.3.1 Typische Lebensdauerkennlinie von Schraubenverbindungen 5.3.2 Leiterwerkstoffe - Aluminium, Kupfer und deren Legierungen 5.3.3 Beschichtungswerkstoffe - Silber, Nickel, Zinn 6 Prüfverfahren 7 Zusammenfassung und Ausblick 8 Literaturverzeichnis 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis

Stationary electrical connections and contacts, such as power connections, are commonly applied in electric power systems used for generation, transmission and distribution of electric energy. Several different degradation mechanisms can increase the contact resistance and might therefore reduce the power connection’s lifetime. The degradation by film development as a result of chemical reactions is often considered as a reason for contact failure. In this research work, the impact of film development produced by chemical reactions, such as oxidation, on the long-term behavior of stationary electrical connections and contacts was studied with crossed rods. Analytical, numerical and experimental methods were applied. Typical material systems for electric power systems were considered in this study: Cu-ETP (CW004A) bare, silver-, nickel- or tin-coated, Al99.5 (EN AW-1050A) and AlMgSi0.5 (EN AW-6060). By applying numerical methods, the mechanical stress distribution was determined within a circular contact point. The initial contact resistance and the plastic deformed area of the considered material systems was measured in experimental tests. The film’s impact was further determined through comparative experimental studies in air (standard atmosphere) and N2 (inert gas). During the experimental tests on perpendicularly crossed rods, other degradation mechanisms such as force reduction were suppressed. The film’s impact within the formation phase was studied on copper rods in an oven at 200 °C for 1000 h. Moreover, the dependency on different environments at 90 °C (laboratory, botanical garden and outdoor) was tested for 12000 h. Additional long-term tests over 12000 h were conducted at 200 °C. The contact resistance was determined dependent on time. Furthermore, the plastic deformed area was ascertained by microscopy. It was found that the time dependent film development caused by chemical reactions such as oxidation might possibly not result in a significant degradation of stationary electrical contacts with circular contact points and a constant force. Supplementary studies were performed at 200 °C for 1000 h with perpendicularly crossed rods at low forces (3.5 N) as well as analytical assessment of radial and axial film growth on circular contact points. The measured long-term behavior of perpendicularly crossed rods was similar for low and high forces. In order to study the long-term behavior of power connections operated in areas with harsh environmental conditions, experimental field tests on bolted busbar joints were conducted in desert and tropical rainforest environments. For over two and a half years, long-term field tests investigating bolted busbar joints made of Cu-ETP, Al99.5 (EN-AW-1350A) or AlMgSi0.5 (EN AW-6060) either with or without coating (silver, tin or nickel) were conducted in Belém (Brazil), Ismailia (Egypt) and Dresden (Germany).

Elektrische Verbindungen in der Elektroenergietechnik sind aus technologischen und konstruktiven Gründen beim Zusammenschalten von Betriebsmitteln in Schaltanlagen und auf den Übertragungswegen bei Kabeln und Freileitungen notwendig. Als elektrischer Kontakt wird die Berührung zweier stromführender Leiter verstanden. Eine Verbindungsart, die häufig bei Stromschienen eingesetzt wird, ist die Schraubenverbindung. Um eine Lebensdauer dieser Verbindung von üblicherweise 50 Jahren und mehr zu gewährleisten, ist es notwendig, die Alterung abhängig von der Zeit und der Temperatur zu kennen. Neben dem Kraftabbau und den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung bei Verbindungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern ist die Interdiffusion bei Bimetallverbindungen und bei Verbindungen mit beschichteten Kontaktpartnern von Bedeutung. In dieser Arbeit wurde der Kraftabbau bei Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Cu-ETP (Werkstoff-Nr. CW004A) und CuAg0,1P (Werkstoff-Nr. CW016A) im Temperaturbereich zwischen 105 °C und 160 °C untersucht. Es wurde die Kraft und der Widerstand an stromdurchflossenen Verbindungen abhängig von der Zeit bis zu 2,4 Jahren gemessen. Des Weiteren wurde der Einfluss von verschiedenen federnden und nicht federnden Elementen im Verbindungssystem auf den Kraftabbau untersucht. Es wurde eine statische Mindestverbindungskraft bestimmt, der Kraftabbau bis zu einer Lebensdauer von 50 Jahren berechnet und daraus eine Grenztemperatur für diese Verbindungsart bestimmt. Neben dem Kraftabbau wurde die Alterung durch Interdiffusion an Schraubenverbindungen mit verzinnten und versilberten Cu-ETP Stromschienen im Temperaturbereich zwischen 115 °C und 140 °C untersucht. Es wurde an stromdurchflossenen und im Wärmeschrank gelagerten Verbindungen der Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit bis zu 2 Jahren gemessen. Die Langzeitversuche wurden durch mikroskopische Untersuchungen ergänzt, in denen die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Phasen gemessen und bewertet wurde. Ergänzend zu den Langzeituntersuchungen wurden aktuelle Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung auf Kupfer-, Silber- und Zinnoberflächen zusammengestellt und bewertet.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS / Electrical joints are necessary for technological and design reasons to connect electric equipment and to realize the transmission of electrical energy by cables and overhead lines. The contact between two current-flown electrical conductors is called electrical joint. One joint type often used is the bolted joint. To allow a lifetime of this joint of 50 years and longer it is necessary to know the ageing depend on time and temperature. In addition to ageing by force reduction and the chemical reactions / impurity layers at joints with copper und aluminium conductors, the interdiffusion has a great influence at bi-metal joints and joints with plated conductors. In this work the force reduction was analysed at bolted joints with bus bars made of Cu-ETP (material number CW004A) and CuAg0.1P (material number CW016A) in a temperature range between 105 °C and 160 °C. The joint force and the joint resistance were measured time-depended at current-flown joints up to 2.4 years. Furthermore the influence on the force reduction by different resilient und non-resilient elements in the joint system was tested. There was a minimum static joint force appointed and the force reduction calculated to a lifetime of 50 years. Out of these results a category temperature for these joints was defined. Additionally the ageing due to interdiffusion at bolted joints with tin and silver plated Cu-ETP bus bars was analysed at the temperatures 115 °C and 140 °C. At joints aged by current-flown and in the heating cabinet the joint resistance was measured time-dependent up to 2 years. These long-term tests were supplemented by microscopic examinations. The thickness of the grown intermetallic compounds was measured and stated. Additional to the long-term tests the topical knowledge to chemical reactions / impurity layers at copper, silver and tin surfaces was composed and stated.:1 EINLEITUNG 2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE 2.1 Elektrische Verbindung 2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen 2.3 Alterung elektrischer Verbindungen 3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL 4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER 4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau 4.1.1 Setzen 4.1.2 Dynamische Erholung 4.1.3 Dynamische Rekristallisation 4.1.4 Kornvergröberung 4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus 4.2 Aufgabenstellung 4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P 4.4 Langzeitversuche 4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen 4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen 4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer) 4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung 4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen 4.6.1 Langzeitversuche 4.6.2 Versuchsergebnisse 4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung 4.6.4 Oberflächenstruktur 4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern 4.8 Mikroskopische Untersuchungen 4.9 Zusammenfassung 5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER 5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion 5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu 5.2 Aufgabenstellung 5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen 5.4 Langzeitversuche 5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Mikroskopische Untersuchungen 5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen 5.7 Zusammenfassung 6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG 6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen 6.2 Oxidation auf Kupfer 6.3 Oxidation auf Zinn 6.4 Fremdschichten auf Silber 6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen 6.6 Zusammenfassung 7 AUSBLICK 8 LITERATURVERZEICHNIS 9 BILDVERZEICHNIS 10 TABELLENVERZEICHNIS

Mit der zunehmenden Elektrifizierung von Fahrzeugen wächst das Bedürfnis nach zuverlässigen stromführenden Verbindungen. Im Elektroenergieversorgungsnetz sowie im Bordnetz von Elektrofahrzeugen treffen beim stromführenden Verbinden verschiedener Komponenten im Kontakt häufig unterschiedliche Leiter- oder Beschichtungswerkstoffe aufeinander. Dabei wird Aluminium aufgrund seiner geringen Dichte und relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie der Verfügbarkeit und des geringeren Preises gegen-über Kupfer bevorzugt eingesetzt. Für Anwender ist dieser Leichtbauwerkstoff hinsichtlich des Kontakt- und Langzeitverhaltens herausfordernd. In der Vergangenheit wurden intermetallische Phasen zwischen Aluminium und Silber sowie zwischen Aluminium und Kupfer als vorrangige Ursache für auftretende Ausfälle von nicht stoffschlüssigen, stromführenden Verbindungen mit den entsprechenden Werkstoffkombinationen untersucht. Der dabei festgestellte Anstieg des Widerstands lässt sich jedoch nicht vollständig durch die wachsenden Phasen erklären. Das Ziel dieser Arbeit besteht deshalb darin, den Einfluss des Sauerstoffs auf die Alterung von stromführenden Bimetall-Verbindungen zu quantifizieren. Es wurden Schraubenverbindungen mit Stromschienen der Werkstoffkombinationen Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al und Ni-Al untersucht. Durch Versuchsreihen in atmosphärischer Luft und in einer N2-Atmosphäre konnten für die jeweilige Werkstoffkombination Unterschiede im Langzeitverhalten aufgezeigt werden, die durch den von außen in die Verbindung eindringenden Sauerstoff entstehen. Die ablaufenden Prozesse unterscheiden sich dabei je nach Werkstoffkombination. Sauerstoff, der nach dem Fügen in die Kontaktebene gelangt, ist bei den Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen ausschlaggebend für das Erhöhen des Verbindungswiderstands. Im Gegensatz dazu reagiert in den Verbindungen mit Kontakten zwischen Zinn und Aluminium der bereits vor dem Fügen auf den Kontaktpartnern vorhandene Sauerstoff zu Al2O3. An den Verbindungen mit Kontakten zwischen Nickel und Alumini-um konnte kein Einfluss des Sauerstoffs festgestellt werden. Neben dem Flächenkontakt der Schraubenverbindung mit Stromschienen wurde der Punktkontakt in einer Modell-Verbindung untersucht. An diesem konnten aufgrund der nahezu konstanten Flächenpressung in der Kontaktebene Berechnungsmodelle für das Langzeitverhalten von Ag-Al- und Al-Cu-Verbindungen aufgestellt werden. Metallographische Untersuchungen wurden an Verbindungen mit Kontakten zwischen Silber und Aluminium sowie Zinn und Aluminium durchgeführt, um die elektrisch bestimmten Phänomene näher zu charakterisieren. Auf dem Kontaktpartner aus Aluminium einer gealterten Verbindung zwischen Zinn und Aluminium konnte mittels Transmissionselektronenmikroskopie eine Al2O3-Schicht sichtbar gemacht werden. Ist eine stromführende Verbindung gasdicht, kann dies bei den untersuchten Werkstoffkombinationen einen großen Einfluss auf das Langzeitverhalten haben. Die Ergebnisse bestehender Berechnungsmodelle zur Gasdichtigkeit von Verbindungen wurden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Als Neuerung wurde ein zusätzliches Kriterium eingeführt, das es ermöglicht, nach 24 h bei Belastungstemperatur zu beurteilen, ob eine stromführende Verbindung gasdicht ist. Anwender aus der Elektroenergie-versorgung und der Automobilindustrie können so nach einer kurzen Belastungsdauer Aussagen zur Langzeitstabilität einer Verbindung ableiten.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang / With the increasing electrification of vehicles, the demand for reliable current-carrying connections grows. In the electrical power grid as well as in the electric grid of an electric vehicle, different material combinations occur frequently, when current-carrying connections are joined. Aluminum is commonly applied due to its lightweight proper-ties and its price advantage compared to copper. For users, this lightweight material is challenging regarding its contact and long-term behavior. In the past, intermetallic compounds between aluminum and silver as well as between aluminum and copper have been investigated as possible cause for the emerging failures of firmly bonded, force-fitted, and force-form-fitted current-carrying connections. The witnessed rise in resistance cannot be explained completely by the growing intermetallic phases. Therefore, the goal of this work is to quantify the influence of oxygen on the aging of bimetallic connections. Bolted joints with busbars of the material combinations Ag-Al, Al-Cu, Sn-Al and Ni-Al were examined. Through test series in atmospheric air and in a N2-atmosphere, differences in the long-term behavior could be shown that result from oxygen entering into the contact interface from the outside. The processes taking place differ depending on the material combination. Oxygen entering into the connection after the joining is responsible for the rise in resistance in Ag-Al- and Al-Cu-connections. In contrast, the oxygen which is already present in the contact interface before the joining reacts to Al2O3 in connections between tin and aluminum. No influence of the oxygen was detected in connections between nickel and aluminum. Beside the flat surface contacts of the bolted joints with busbars, a model geometry with a point contact was examined. Due to the uniform surface pressure over the entire contact surface, a calculation model of the long-term behavior for Ag-Al- and Al-Cu-connections was set up based on these connections. Metallographic investigations were performed on Ag-Al- and Sn-Al-connections for further analysis of the electrically measured phenomena. An Al2O3-layer was visualized by transmission electron microscopy on the aluminum contact member of an aged connection between tin and aluminum. If a current-carrying connection of the examined material combinations is joined in a gas-tight manner, it can have a great effect on the long-term behavior. The results of existing calculation models on gas-tightness were compared to the experimental results. In addition, a novel criterion was introduced. It enables to evaluate after 24 h at loading temperature whether a current-carrying connections is gas-tight. Users in the electrical power system and the automotive industry can thereby derive predictions on a connection’s long-term stability after a short loading time.:1 Einleitung 2 Kontakt- und Langzeitverhalten stromführender Verbindungen 2.1 Allgemeine Kontakttheorie 2.2 Bilden der Mikrokontakte, Berechnen des Kontaktwiderstands 2.3 Alterung stromführender Verbindungen 2.3.1 Kraftabbau 2.3.2 Interdiffusion 2.3.3 Chemische Reaktionen 2.3.4 Weitere Einflüsse 3 Reaktionen zwischen Sauerstoff und Metallen der Elektroenergietechnik 3.1 Oxidation der Oberfläche 3.2 Umbilden von Oxiden an der Oberfläche 3.3 Innere Oxidation 3.4 Reaktionsprodukte des Sauerstoffs mit verschiedenen Metallen 3.4.1 Aluminium 3.4.2 Zinn 3.4.3 Nickel 3.4.4 Silber 3.4.5 Kupfer 3.5 Eindringen des Sauerstoffs 3.5.1 Diffusion von Sauerstoff 3.5.1.1 Modell nach Izmailov 3.5.1.2 Modell nach Dzektser 3.5.2 Berechnen der Gasdichtigkeit 4 Präzisierung der Aufgabenstellung 5 Langzeitversuche an Bimetall-Verbindungen 5.1 Versuchsaufbau und Durchführung 5.1.1 Punktkontakt 5.1.2 Flächenkontakt - Schraubenverbindungen mit Stromschienen 5.2 Versuchsergebnisse im System Ag-Al 5.2.1 Versuche an versilberten Aluminiumblechen 5.2.2 Punktkontakt mit zwei versilberten Kontaktpartnern aus Aluminium 5.2.3 Punktkontakt zwischen einem versilberten Kontaktpartner und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.2.4 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen mit versilberten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.2.5 Diskussion der Ergebnisse 5.2.5.1 Einfluss der IMP 5.2.5.2 Einfluss des Sauerstoffs 5.3 Versuchsergebnisse im System Sn-Al 5.3.1 Punktkontakt mit einem verzinnten Kontaktpartner aus Kupfer und einem blanken Kontaktpartner aus Aluminium 5.3.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen verzinnten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.3.3 Diskussion der Ergebnisse 5.3.3.1 Einfluss der Vorbehandlung 5.3.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.3.3.3 Versagen der Oxidschicht 5.4 Versuchsergebnisse im System Ni-Al 5.4.1 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen vernickelten und blanken Stromschienen aus Aluminium 5.4.2 Diskussion der Ergebnisse 5.5 Versuchsergebnisse im System Al-Cu 5.5.1 Punktkontakt mit einem Kontaktpartner aus Kupfer und einem aus Aluminium 5.5.2 Flächenkontakt – Schraubenverbindungen zwischen Stromschienen aus Aluminium und Kupfer 5.5.3 Diskussion der Ergebnisse 5.5.3.1 Einfluss der IMP 5.5.3.2 Einfluss des Sauerstoffs aus der Umgebungsluft 5.5.3.3 Einfluss der thermischen Dehnung 5.5.3.4 Einfluss der Montageparameter 6 Modellbildung zur Wirkung von Oxidschichten 6.1 Elektrischer Widerstand bei Alterung durch Oxidation 6.1.1 Punktkontakte zwischen Silber und Aluminium 6.1.2 Punktkontakte zwischen Kupfer und Aluminium 6.2 Gasdichtigkeit der untersuchten Verbindungen 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Verzeichnisse 10 Anhang

NH-Sicherungseinsätze (Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungseinsätze) für allgemeine Anwendung (gG) werden in der Niederspannungstechnik in großer Stückzahl in Schaltgeräten wie Schalter-Sicherungs-Einheiten oder Sicherungslasttrennschaltern eingesetzt und dienen dem Schutz von Betriebsmitteln vor Fehlerströmen. Die Sicherungseinsätze besitzen einen Schmelzleiter, der im Normalbetrieb den Betriebsstrom zuverlässig und verlustarm führen und im Fehlerfall durch ein rasches Aufschmelzen Fehlerströme sicher unterbrechen soll. Langzeit- und Betriebsverhalten der Schmelzleiter hängen dabei stark von der Temperatur ab. Aus der Literatur ist bisher nicht bekannt, inwieweit die Temperatur der Schmelzleiter im Normalbetrieb erhöht werden kann, ohne die Zuverlässigkeit des gesamten NH-Sicherungseinsatzes zu beeinträchtigen. In der vorliegenden Arbeit wurde daher das Langzeitverhalten von Schmelzleitern experimentell untersucht. Es wurden Schmelzleiter bei verschiedenen Temperaturen für eine Zeit von 10.000 h thermisch beansprucht und anschließend das Erwärmungs- und Schaltverhalten der Schmelzleiter ermittelt. Es konnte gezeigt werden, dass bereits eine dauerhaft hohe thermische Beanspruchung im festen Zustand des Lotes besonders das Schaltverhalten im Bereich kleiner Überströme beeinträchtigen kann. Die Auswirkungen auf den Normalbertrieb der Schmelzleiter sind in der Regel vernachlässigbar. Das Langzeitverhalten wird wesentlich von der Alterung der Schmelzleiter durch Interdiffusion im Normalbetrieb bestimmt. Es wurde ein Zusammenhang zwischen dem Wachstum intermetallischer Phasen an der Grenzfläche zwischen Schmelzleiter und Lot und der Schmelzzeit im Bereich kleiner Überströme hergestellt. Auf Basis der Ergebnisse wurden Grenztemperaturen für einen langzeitstabilen Betrieb der untersuchten Schmelzleiter hergeleitet. Die Temperatur des Schmelzleiters kann in der Praxis nicht zerstörungsfrei gemessen werden. Stellvertretend wird häufig die Temperatur des Sicherungsmessers als alternatives Bewertungskriterium empfohlen. Um den Zusammenhang zwischen der Erwärmung des Schmelzleiters und des Sicherungsmessers zu untersuchen, wurde das thermische Verhalten der Sicherungseinsätze mit der Wärmenetzmethode berechnet und verifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass die Temperaturdifferenz zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser eine charakteristische Kenngröße eines Sicherungseinsatzes ist. Es wurden die Einflussparameter auf die Temperaturdifferenz im Betrieb untersucht und empirische Gleichungen entwickelt, mit denen Grenztemperaturen der Sicherungsmesser für unterschiedliche Einbausituationen berechnet werden können. Die ermittelten Grenztemperaturen sind belastungsabhängig und werden insbesondere von der individuellen Dimensionierung des Sicherungseinsatzes bestimmt.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang / In low-voltage power systems, NH fuse-links for general use (gG) are widely used to protect electrical devices in case of overloads or short-circuit currents. Mainly they are installed in switchgears like fuse-combination units or fuse-switch-disconnetors. The fuse-links are equipped with a fuse element, which, in normal operation, should conduct the load current reliably and with low losses and, in the event of a fault, should interrupt the current by melting quickly. Thereby, the long-term and operational behaviour of the fuse elements depends strongly on the temperature. It is not yet known from the literature to what extent the temperature of the fuse element can be increased during normal operation without impairing the reliability of the whole NH fuse-link. Therefore, the long-term behaviour of fuse elements was experimentally investigated in this thesis. Fuse elements were subjected to constant thermal stress at various temperatures for a period of 10,000 h and then the temperature rise performance and the tripping behaviour were determined. It could be shown that even a high thermal stress in the solid state of the solder can impair the tripping behaviour in the range of small over-current. The effects on the normal operation of the fuse elements are usually negligible. The long-term behaviour is essentially determined by the ageing of the fuse elements due to interdiffusion in normal operation. A correlation was established between the growth of intermetallic compounds at the interface between the fuse element and the solder and the melting time in the range of small over-current. Based on these results limiting temperatures were derived for a long-term stable operation of the investigated fuse elements. The temperature of the fuse element cannot be measured non-destructively in practice. The temperature of the blade contact is often recommended as an alternative evaluation criterion. In order to investigate the correlation between the temperature rise of the fuse element and the blade contact, the thermal behaviour of the fuse-links was calculated using the thermal network method. It could be shown that the temperature difference between the fuse element and the blade contact is a characteristic parameter of a fuse-link. The influencing parameters on the temperature difference were investigated and empirical equations were developed with which limiting temperatures of the blade contacts for different assembly situations can be calculated. The limiting temperatures are load-dependent and are determined in particular by the individual dimensioning of the fuse-link.:1 Einleitung 2 Das NH-Sicherungssystem 2.1 Aufbau und Einteilung 2.2 Funktion im Normalbetrieb und Überstrombereich 3 NH-Sicherungseinsätze der Betriebsklasse gG 3.1 Normen für die Anwendung von NH-Sicherungseinsätzen 3.2 Thermisches Verhalten von NH-Sicherungseinsätzen im Normalbetrieb 3.2.1 Aktuelle Randbedingungen im Praxiseinsatz 3.2.2 Die Erwärmung bei stationärer Belastung 3.3 Langzeitverhalten von Schmelzleitern 3.3.1 Alterung durch Interdiffusion 3.3.2 Alterung durch Oxidation 3.4 Untersuchte Sicherungseinsätze und Schmelzleiter 4 Präzisierte Aufgabenstellung 5 Langzeitverhalten von Schmelzleitern im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Der elektrische Widerstand des Schmelzleiters im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.1.2 Die Temperatur im Bereich der Engstelle mit Lotdepot 5.2 Einfluss hoher thermischer Beanspruchung auf die Alterung des Schmelzleiters im Normalbetrieb 5.2.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.2.2 Ergebnisse der Versuche im Wärmeschrank 5.2.3 Ergebnisse der Versuche bei Strombelastung in unterschiedlichen Atmosphären 5.3 Einfluss der Alterung auf die Funktion im Normalbetrieb und im Bereich kleiner Überströme 5.3.1 Versuchsaufbau 5.3.2 Versuchsdurchführung, Randbedingungen und Bewertungskriterien 5.3.3 Versuchsergebnisse 5.4 Vergleichende Langzeitversuche an NH-Sicherungseinsätzen bei hoher thermischer Beanspruchung im Normalbetrieb 5.4.1 Versuchsaufbau 5.4.2 Versuchsergebnisse 5.5 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Langzeitverhalten von Schmelzleitern 6 Berechnen des thermischen Verhaltens von NH Sicherungseinsätzen bei stationärer Belastung 6.1 Grundlagen der Erwärmungsberechnung mit Wärmenetzen 6.2 Aufbau von Berechnungsmodellen für NH-Sicherungseinsätze in verschiedenen Einbausituationen 6.2.1 Wärmenetzmodelle der NH-Sicherungseinsätze 6.2.2 Berechnungsmodell für die Einbausituation frei in Luft 6.2.3 Berechnungsmodell für die Einbausituation in einer NH-Sicherungs-Lastschaltleiste 6.3 Die Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser 6.3.1 Einfluss der Temperatur der Anschlüsse der Sicherung 6.3.2 Einfluss der Umgebungstemperatur des Sicherungseinsatzes 6.3.3 Einfluss des Belastungsstromes durch den Sicherungseinsatz 6.3.4 Berechnen der Temperaturdifferenz  zwischen Schmelzleiter und Sicherungsmesser in der Einbausituation 6.4 Die Temperatur der Sicherungsmesser als Kriterium zum Bewerten der zulässigen thermischen Beanspruchung im Betrieb 7 Zusammenfassung 8 Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhang

Stromführende Schraubenverbindungen werden als Verbindung zwischen Leitern in elektrischen Komponenten im Automotiv-Bereich sowie im Bereich der Elektroenergietechnik aufgrund der Austauschbarkeit und der Reparaturmöglichkeit bevorzugt eingesetzt. Dabei werden diese Verbindungen insbesondere im Automotiv-Bereich permanent mit statischen bzw. wechselnden Umweltbelastungen beaufschlagt. Abhängig von der geometrischen Gestalt der Komponente, der elektrischen sowie der elektrothermischen und der mechanischen Anforderungen an diese kommen verschiedene Leiterquerschnitte sowie Verbindungsgeometrien zum Einsatz. Die Leiter, die in elektrischen Fahrzeugen eingesetzt werden, haben meistens eine Dicke im Bereich (1…5) mm, da die zu übertragenden Ströme im Vergleich zu den Anwendungen in der Elektroenergietechnik kleiner sind. Insbesondere bei diesen niedrigeren Dicken der Leiter können wechselnde Umweltbelastungen zu einer beschleunigten Alterung der stromführenden Schraubenverbindungen und damit zu einer unzulässigen Erhöhung des Verbindungswiderstands führen. Für die Auslegung von langzeitstabilen stromführenden Schraubenverbindungen müssen daher die Konstruktions- und Montageparameter sowie die Leiter- und Beschichtungswerkstoffe abhängig von den erwarteten Umweltbelastungen aufeinander abgestimmt werden. In dieser Arbeit wurde basierend auf dem Ersatzquerschnitt das Kontaktverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Leiter- und Schraubengeometrie, vom Bohrloch sowie vom Leiter- und Beschichtungswerkstoff untersucht. Die Ergebnisse wurden mit den Ergebnissen aus früheren Arbeiten für Schraubenverbindungen mit deutlich größeren Dicke des Leiters verglichen und daraus allgemeingültige Mindestflächen-pressungen für ein gutes Kontaktverhalten hergeleitet. Dabei wurden Leiter aus Cu-ETP, AlMgSi und AlMgSi0,5 T7 und die Beschichtungswerkstoffe Zinn, Silber und Nickel-Phosphor betrachtet. Unterkopfreibwerte und Setzbeträge wurden abhängig vom Leiter- und Beschichtungswerkstoff, der Schraubenunterkopfform, der Drehzahl und dem Anzugsverfahren bestimmt und mit den Werten aus dem VDI 2230-1 verglichen. Zusätzlich wurde der Einfluss der Temperatur auf das Setzen in Schraubenverbindungen untersucht. Der Einfluss der Temperatur auf das Werkstoffverhalten von Cu-ETP R240, Cu-OFE R240, Cu-HCP R240, CuFe0,1P und CuFe2P sowie Al99,5 O, Al99,5 H14, AlMgSi und AlMgSi0,5 T7 wurde mittels der Grenzflächenpressung und der Härte bewertet. Für ausgewählte Schraubenverbindungen mit Leitern aus Aluminium- bzw. Kupferleiterwerkstoffen wurde der Einfluss der Temperatur (bis 180 °C) auf das Vorspannkraft- und Langzeitverhalten untersucht. Damit wurden die Grenztemperaturen für diese Leiterwerkstoffe bestimmt. Abhängig von der Montagevorspannkraft sowie der Leiter- und Schraubengeometrie wurde der Einfluss des Temperaturschocks und von Vibrationen auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen untersucht. Darauf aufbauend wurden die oberflächenspezifischen Mindestflächenpressungen für ein gutes Langzeitverhalten hergeleitet. Bei einigen Werkstoffpaarungen wurde die Eignung auf Wiederholmontage untersucht. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden Anhaltspunkte für die konstruktive Auslegung, die Montage und das Prüfen von langzeitstabilen stromführenden Schraubenverbindungen, insbesondere im Automotiven-Bereich.:1 Einleitung 2 Stand der Erkenntnisse 2.1 Kontakttheorie bei Schraubenverbindungen 2.2 Ersatzquerschnitt und Mindestflächenpressung 2.3 Kontaktoberfläche und Beschichtungswerkstoffe 2.4 Thermomechanisches Verhalten der Leiterwerkstoffe 2.4.1 Grenzflächenpressung 2.4.2 Entfestigen und Kriechen von Aluminium- und Kupferleiterwerkstoffen 2.5 Grundlagen der Schraubenmontage 2.6 Alterung Stromführender Schraubenverbindungen 2.7 Vorspannkraftabbau bei Schraubenverbindungen bei statischen und wechselnden Belastungen 3 Aufgabenstellung 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen mit kleinen Leiterquerschnitten 4.1 Geometrische Parameter der Verbindungen und Werkstoffe 4.2 Bestimmen des temperaturäquivalenten Gütefaktors 4.3 Analytische, numerische und experimentelle Modelle zur Bestimmung der mechanisch tragenden Kontaktfläche 4.3.1 Modellbildung und Versuchsdurchführung 4.3.2 Einfluss der Klemmlänge und der Schraubengröße auf den Ersatzquerschnitt und auf die maximale mechanische Spannung 4.3.3 Einfluss der Schraubenunterkopfauflage und des Bohrlochs auf die mechanische Spannung 4.4 Experimentelles Ermitteln der Mindestflächenpressung für verschiedene Werkstoffpaarungen 4.4.1 Versuchsplan, Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik 4.4.2 Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse verschiedener Messmethoden 4.4.3 Einfluss des Beschichtungs- und Leiterwerkstoffes auf das Kontaktverhalten 4.4.4 Einfluss der Verbindungsgeometrie 4.5 Übertragbarkeit der Parameter auf große Dicke des Leiters 4.6 Montage-Parameter 4.6.1 Reibwertuntersuchung verschiedener Leiter- und Beschichtungswerkstoffe 4.6.2 Einfluss der Reibung auf die Montagevorspannkraft 4.6.3 Ermitteln des zeitunabhängigen Setzverhaltens beschichteter Aluminium- und Kupferleiter 4.6.4 Einfluss der Temperatur auf das Setzverhalten beschichteter Leiter 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechselbelastung sowie unter Schwingungsbelastung 5.1 Temperatur- und zeitabhängiges Verhalten der Leiterwerkstoff-Kennwerte 5.1.1 Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik zum Bestimmen der Grenzflächenpressung 5.1.2 Versuchsergebnisse 5.2 Temperatur- und zeitabhängiges Vorspannkraftverhalten 5.2.1 Versuchsaufbauten und Beschreiben der Messprinzipien 5.2.2 Versuchsergebnisse zum Einfluss der Temperatur und der Montagevorspannkraft auf das Vorspannkraftverhalten und den Verbindungswiderstand 5.2.3 Abschätzen der Restvorspannkraft während der Belastungsdauer im Fahrzeug 5.3 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechsellast 5.3.1 Einfluss der additiven Belastung und der Belastungsreihenfolge auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.2 Einfluss des Schraubenunterkopfs und des Bohrlochs auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.3 Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Auslagerungstemperatur 5.4 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter Schwingungsbelastung 5.4.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.4.2 Einfluss der Anregungsart und der Belastungsrichtung auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit nicht beschichteten Leitern 5.4.3 Einfluss der Vibration auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit beschichteten Leitern 5.5 Kontakt- und Langzeitverhalten bei Wiederholmontage 6 Zusammenfassung 7 Ausblick 8 Literatur 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 11 Anhang / Electrical bolted joints are preferred for connecting conductors and electrical components in the automotive sector as well as in the field of electrical energy technology due to their interchangeability and the possibility of repair. In the automotive sector in particular, these joints are permanently exposed to static or changing environmental loads. Different conductor cross-sections and connection geometries are used depending on the geometric shape of the component, the electrical as well as the electrothermal and mechanical requirements. The conductors that are used in electric vehicles usually have a thickness in the range (1…5) mm, since the currents to be transmitted are smaller in comparison to the applications in electrical power engineering. Particularly with these lower thicknesses, changing environmental loads can lead to accelerated aging of the Electrical bolted joints and thus to an impermissible increase in the connection resistance. For the design of long-term stable Electrical bolted joints, the construction and assembly parameters as well as the conductor and coating materials must therefore be coordinated with one another depending on the expected environmental loads. In this work, based on the equivalent cross-section, the contact behavior of electrical bolted joints depending on the conductor and screw geometry, the hole diameter and the conductor and coating material was investigated. The results were compared with the results from earlier work for bolted joints with a significantly larger conductor thickness and generally applicable minimum surface pressures for good contact behavior were derived from them. Conductors made of Cu-ETP, AlMgSi and AlMgSi0.5 T7 and with the coating materials tin, silver and nickel-phosphorus were examined. Under-head friction values and settling amounts were determined depending on the conductor and coating material, the screw under-head shape, the speed and the tightening method and compared with the values in VDI 2230-1. In addition, the influence of temperature on the setting in bolted joints was investigated. The influence of temperature on the material behavior of Cu-ETP R240, Cu-OFE R240, Cu HCP R240, CuFe0.1P and CuFe2P as well as Al99.5 O, Al99.5 H14, AlMgSi and AlMgSi0.5 T7 was determined by means of the compressive yield point and rated by hardness. For selected bolted joints with aluminum or copper conductor materials, the influence of temperature (up to 180 °C) on the preload force and long-term behavior was investigated. The limit temperatures of these conductor materials were thus determined. The influence of temperature shock and vibration on the long-term behavior of electrical bolted joints was investigated depending on the assembly preload, the conductor and screw geometry. Based on this, the conductor surface-specific minimum surface pressures for good long-term behavior were derived. With some contact pairings, the suitability for repeat assembly was examined. The knowledge gained forms reference points for the structural design, assembly and testing of long-term stable electrical bolted joints, especially in the automotive sector.:1 Einleitung 2 Stand der Erkenntnisse 2.1 Kontakttheorie bei Schraubenverbindungen 2.2 Ersatzquerschnitt und Mindestflächenpressung 2.3 Kontaktoberfläche und Beschichtungswerkstoffe 2.4 Thermomechanisches Verhalten der Leiterwerkstoffe 2.4.1 Grenzflächenpressung 2.4.2 Entfestigen und Kriechen von Aluminium- und Kupferleiterwerkstoffen 2.5 Grundlagen der Schraubenmontage 2.6 Alterung Stromführender Schraubenverbindungen 2.7 Vorspannkraftabbau bei Schraubenverbindungen bei statischen und wechselnden Belastungen 3 Aufgabenstellung 4 Kontaktverhalten von Schraubenverbindungen mit kleinen Leiterquerschnitten 4.1 Geometrische Parameter der Verbindungen und Werkstoffe 4.2 Bestimmen des temperaturäquivalenten Gütefaktors 4.3 Analytische, numerische und experimentelle Modelle zur Bestimmung der mechanisch tragenden Kontaktfläche 4.3.1 Modellbildung und Versuchsdurchführung 4.3.2 Einfluss der Klemmlänge und der Schraubengröße auf den Ersatzquerschnitt und auf die maximale mechanische Spannung 4.3.3 Einfluss der Schraubenunterkopfauflage und des Bohrlochs auf die mechanische Spannung 4.4 Experimentelles Ermitteln der Mindestflächenpressung für verschiedene Werkstoffpaarungen 4.4.1 Versuchsplan, Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik 4.4.2 Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse verschiedener Messmethoden 4.4.3 Einfluss des Beschichtungs- und Leiterwerkstoffes auf das Kontaktverhalten 4.4.4 Einfluss der Verbindungsgeometrie 4.5 Übertragbarkeit der Parameter auf große Dicke des Leiters 4.6 Montage-Parameter 4.6.1 Reibwertuntersuchung verschiedener Leiter- und Beschichtungswerkstoffe 4.6.2 Einfluss der Reibung auf die Montagevorspannkraft 4.6.3 Ermitteln des zeitunabhängigen Setzverhaltens beschichteter Aluminium- und Kupferleiter 4.6.4 Einfluss der Temperatur auf das Setzverhalten beschichteter Leiter 5 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechselbelastung sowie unter Schwingungsbelastung 5.1 Temperatur- und zeitabhängiges Verhalten der Leiterwerkstoff-Kennwerte 5.1.1 Versuchsaufbau und Auswertungsmethodik zum Bestimmen der Grenzflächenpressung 5.1.2 Versuchsergebnisse 5.2 Temperatur- und zeitabhängiges Vorspannkraftverhalten 5.2.1 Versuchsaufbauten und Beschreiben der Messprinzipien 5.2.2 Versuchsergebnisse zum Einfluss der Temperatur und der Montagevorspannkraft auf das Vorspannkraftverhalten und den Verbindungswiderstand 5.2.3 Abschätzen der Restvorspannkraft während der Belastungsdauer im Fahrzeug 5.3 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter thermischer Dauer- und Wechsellast 5.3.1 Einfluss der additiven Belastung und der Belastungsreihenfolge auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.2 Einfluss des Schraubenunterkopfs und des Bohrlochs auf das Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen 5.3.3 Langzeitverhalten stromführender Schraubenverbindungen abhängig von der Auslagerungstemperatur 5.4 Elektrisches Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen unter Schwingungsbelastung 5.4.1 Versuchsaufbau und –durchführung 5.4.2 Einfluss der Anregungsart und der Belastungsrichtung auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit nicht beschichteten Leitern 5.4.3 Einfluss der Vibration auf das Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit beschichteten Leitern 5.5 Kontakt- und Langzeitverhalten bei Wiederholmontage 6 Zusammenfassung 7 Ausblick 8 Literatur 9 Abbildungsverzeichnis 10 Tabellenverzeichnis 11 Anhang

In Deutschland und Europa ist im Zuge der Energiewende erforderlich, mehr Elektroenergie mit bestehenden Freileitungen zu transportieren. Eine technische Lösung, mit der dieses Ziel erreicht werden kann, ist das Umbeseilen der Freileitung mit Hochtemperatur-Leiterseilen mit geringem Durchhang (High Temperature Low Sag – HTLS conductors). Diese Leiterseile haben gegenüber konventionellen Leiterseilen (z. B. Aluminium/Stahl-Leiterseilen) höhere Bemessungsströme und temperaturen. Die stromführenden Verbindungen mit HTLS-Leiterseilen werden damit ebenfalls höher thermisch belastet. Diese sind für den zuverlässigen und sicheren Betrieb der Freileitung sehr wichtige Betriebsmittel. Neben anderen Verbindungstechnologien hat sich bei den stromführenden Verbindungen mit konventionellen Leiterseilen das Sechskantpressen seit Jahrzehnten bewährt. Aus der Literatur sind fast ausschließlich empirische Untersuchungen mit dieser Verbindungstechnologie bekannt. Das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen wurde bisher nur unzureichend untersucht. In dieser Arbeit wird dazu ein elektrisches Modell vorgestellt und weiterentwickelt, mit dem das elektrische Kontaktverhalten von Pressverbindungen genauer beschrieben werden kann. Weiterhin werden prinzipielle Zusammenhänge zwischen der Stromverteilung in den Kontaktpartnern und deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand dargestellt. Als Ergebnis von theoretischen und experimentellen Untersuchungen konnten allgemeine Empfehlungen für das Dimensionieren von Pressverbindungen mit konventionellen und HTLS-Leiterseilen erarbeitet werden. Aus der prinzipiellen Funktionsweise einer Pressverbindung ist bekannt, dass der Form-, der Kraft- und der Stoffschluss in der Verbindung das elektrische Kontaktverhalten beeinflussen. Insbesondere der Kraftschluss wurde in der Literatur bislang nur näherungsweise berechnet. In den bekannten analytischen Modellen werden die Geometrie der Kontaktpartner sowie das Werkstoffverhalten vereinfacht und die mechanischen Belastungen beim Fügen der Verbindung nicht genau genug berücksichtigt. Aus den genannten Gründen wurde das Fügen von Pressverbindungen mit mehrdrähtigen Leiterseilen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnet. Die Press- und Kontaktkräfte konnten damit für alle Kontaktflächen in einer Verbindung ermittelt werden. Es konnte gezeigt werden, dass insbesondere hohe Press- und Kontaktkräfte die Ursache für ein gutes elektrisches Kontaktverhalten einer Pressverbindung sind. Die physikalischen Ursachen dieses Zusammenhangs werden diskutiert. Das Langzeitverhalten von Pressverbindungen mit Verbund-Leiterseilen wurde experimentell untersucht. Die Ergebnisse der durchgeführten Langzeitversuche zeigen den Einfluss der Kontaktkraft im elektrischen Langzeitverhalten qualitativ auf. Bei den Pressverbindungen, für die nur sehr geringe Kontaktkräfte berechnet wurden, war das elektrische Langzeitverhalten weniger stabil. / In Germany and in Europe it is due to the “Energiewende” necessary to transmit more electrical ener-gy with existing overhead transmission lines. One possible technical solution to reach this aim is the use of high temperature low sag conductors (HTLS-conductors). Compared to the common Aluminium Conductor Steel Reinforced (ACSR), HTLS-conductors have higher rated currents and rated tempera-tures. Thus the electrical connections for HTLS-conductors are stressed to higher temperatures too. These components are most important for the safe and reliable operation of an overhead transmission line. Besides other connection technologies, hexagonal compression connections with ordinary transmis-sion line conductors have proven themselves since decades. From the literature, mostly empirical stud-ies with electrical tests for compression connections are known. The electrical contact behaviour, i.e. the quality of the electrical contact after assembly, of these connections has been investigated insuffi-ciently. This work presents and enhances an electrical model of compression connections, so that the electrical contact behaviour can be determined more accurate. Based on this, principal considerations on the current distribution in the compression connection and its influence on the connection re-sistance are presented. As a result from the theoretical and the experimental work, recommendations for the design of hexagonal compression connections for transmission line conductors were devel-oped. Furthermore it is known from the functional principle of compression type connections, that the elec-trical contact behaviour can be influenced from their form fit, force fit and cold welding. In particular the forces in compression connections have been calculated up to now by approximation. The known ana-lytical calculations simplify the geometry and material behaviour and do not consider the correct me-chanical load during assembly. For these reasons the joining process of hexagonal compression con-nections with stranded overhead transmission line conductors was calculated with the finite element method. The compression forces and the residual contact forces were determined for all contacts be-tween barrel and conductor as well as between the wires of the conductor. It was shown, that high compression and residual contact forces are the main cause of good electrical contact behaviour. The physical relations are discussed. The electrical long-term behaviour was furthermore investigated in experiments. The results confirm the influence of the residual contact force on the long-term behaviour qualitatively. Those compression connections, which had only small residual contact forces, were less stable in the long-term tests.

Im Netz der Elektroenergieversorgung werden einzelne Netzkomponenten und Betriebsmittel durch Verbindungen elektrisch zusammengeschaltet. Dabei werden häufig Schraubenverbindungen mit Stromschienen eingesetzt. Diese müssen über mehrere Jahrzehnte zuverlässig hohe Ströme tragen können. Abhängig von der sich einstellenden Temperatur an den Verbindungen altern diese mit der Zeit. Die Alterung wird je nach Verbindungssystem von verschiedenen Mechanismen beeinflusst, die alle parallel ablaufen. Bei ruhenden, stationären elektrotechnischen Verbindungen, deren Kontaktpartner aus verschiedenen Materialien bestehen, können abhängig von der Paarung intermetallische Phasen (IMP) entstehen. Die sich bildenden IMP haben schlechtere elektrische und mechanische Eigenschaften als die reinen Metalle. Daraus resultiert ein höherer Verbindungswiderstand. Die erzeugte Verlustleistung sowie die Temperatur der Verbindung steigen an. Dies kann zum Ausfall der Verbindung führen. In der Elektroenergietechnik werden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit häufig die Werkstoffe Aluminium und Kupfer sowie das Beschichtungsmetall Silber bei Temperaturen von üblicherweise 90 °C bis 200 °C eingesetzt. Speziell bei Aluminium-Kupfer-Verbindungen, die nicht langzeitstabil sind, wird als maßgebliche Ausfallursache das Bilden von IMP gesehen. Die IMP des Systems Al-Cu wurden in der Vergangenheit bereits vielfach untersucht. Das Übertragen der Ergebnisse auf die Problematik stromtragender Verbindungen der Elektroenergietechnik ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich. Der relevante niedrige Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C spielt bei vielen Untersuchungen nur eine untergeordnete Rolle. Zusätzlich können die Eigenschaften der IMP bei unterschiedlichen Herstellungsverfahren voneinander abweichen. Zum System Al-Ag ist in der Literatur nur wenig bekannt. Deshalb wurden für diese Arbeit phasenreine IMP der Systeme Al-Cu und Al-Ag mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren bei möglichst identischen Randbedingungen hergestellt. Diese wurden mit einer speziell für diese Proben entwickelten Messeinrichtung elektrisch charakterisiert und der ermittelte spezifische elektrische Widerstand der IMP und ihr Temperaturbeiwert mit Werten aus der Literatur verglichen. An verschiedenen Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Aluminium und Kupfer wurden Langzeitversuche von bis zu 3 Jahren durchgeführt. Der Verbindungswiderstand wurde abhängig von der Zeit ermittelt. An ausgewählten Verbindungen wurde zusätzlich in zwei identischen Versuchen der Einfluss der Belastung mit Dauer- und Wechsellast auf das Langzeitverhalten untersucht. Mithilfe der an den IMP ermittelten elektrischen Eigenschaf-ten wurde deren Einfluss auf den Verbindungswiderstand berechnet. Die Ergebnisse dieser Modellrechnung wurden mit den Ergebnissen aus den Langzeitversuchen verglichen. Ausgewählte Verbindungen wurden dazu mikroskopisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die IMP nicht ausschließlich das Langzeitverhalten stromtragender Verbindungen bestimmen. Es muss mindestens ein weiterer Alterungsmechanismus einen signifikanten Einfluss haben. Die Untersuchungen deuten darauf hin, dass dabei Sauerstoff eine zentrale Rolle spielen könnte. / In electrical power supply networks a huge number of electrical joints are used to connect transmission lines, conductors, switchgears and other components. During operation these joints are aging due to different aging mechanisms. Depending on the type of the joint several aging mechanisms can take place at the same time. For stationary joints with contact partners made of different materials, the formation of intermetallic compounds (IMC) may be an issue. These IMC have worse electrical and mechanical properties compared to the pure metals. Therefore, the presence of IMC in the contact area results in a higher joint re-sistance and the temperature and the thermal power losses increase. Typical temperatures for high current joints are between 90 °C and 200 °C. Due to their good electrical conductivity aluminum and copper are often used as conductor materials and silver as a coating material. Especially bimetal joints made of aluminum and copper are not long term stable. The formation of Al-Cu IMC is held responsible as a cause of failure. The IMC of the System Al-Cu have already been studied by several authors. However, it is difficult to apply the results directly to electrical joints in power supply networks. In many studies the low temperature range between 90 °C and 200 °C is not regarded. In addition, the properties of the IMC may vary due to different preparation processes. There is only little information about the system Al-Ag in the literature. For this work, phase pure IMC of the systems Al-Cu and Al-Ag were prepared by different preparation processes using similar process parameters. These IMC samples were electrically characterized with a specially developed measuring device. The specific electric resistivity and the temperature coefficient of resistance were determined and compared to values taken from the literature. Various combinations of bus bar joints made of aluminum and copper were investigated in long term tests for up to three years. The joint resistance was determined as a function of time. In addition, for selected joints two identic setups were operated with continuous load and alternating load. The long term behavior was investigated with regard to the load ap-plied. Using the results of the electrical characterization of the IMC their influence on the joint resistance was calculated theoretically. The results of the calculation were compared to the results determined in the long term tests. Selected joints were examined microscopi-cally after termination of the long term tests. It was found, that the long term behavior of bimetal electrical joints with the combination Al-Cu and Al-Ag cannot be exclusively described by the growth of IMC. At least there is one further aging mechanism involved. The studies suggest, that oxygen may have a significant influence.