This thesis aims to design a cabinet to house some of the required hardware to realize a 1000 A IGBT inverter controlled static excitation system. In the thesis practical design considerations are identified and solved. The suggested excitation system requires a cabinet to house the inverters. Together with inverter requirements stated by the inverter manufacturer and possible electromagnetic interference from switching of the IGBT:s, practical design considerations arise when realizing the system. Identified design considerations are heat dissipation, EMI, IP-code requirements and mechanical stresses at inverter connections. In this study, the design considerations are addressed and a cabinet design with required components inside is suggested. The suggested cabinet together with its components could fulfil the suggested system's- and the inverter's requirements. However, the IP-code allowed by the suggested EMC-seals might be lower than the IP54 required by the inverter. The cabinets EMC-properties will probably be lowered if regular rubber gaskets are used. The study suggests one possible configuration which is possible to realize. It is suggested that further consideration is dedicated to the EMI reducing properties of the cabinet if it is to be installed in an environment sensitive to EMI.

La transition énergétique suppose de modifier notre mix énergétique en y intégrant des énergiesde sources renouvelables. Leur émergence implique une transition juridique de manière à adapter le droità l’urgence de les voir se développer. Le régime juridique des énergies vertes n’apparaît en effet pasefficient pour favoriser leur développement. Une réadaptation de leur cadre juridique se révèle en ce sensnécessaire, notamment du point de vue de leur gouvernance, de leur planification, de leurs mesures desoutien et des procédures administratives encadrant l’implantation des ouvrages les produisant. Cettetransition juridique devra par ailleurs concilier les impératifs de développement des énergies de sourcesrenouvelables avec ceux de protection du milieu environnant, dans le souci d’un développement raisonné / The way to an energy transition will be reached with an integration of renewable energies inour energy mix. This development includes a legal transition because the current legal context that appliesto green energies is not efficient and does not contribute to this emergency. Changing the legal framebecomes a necessity and particularly the way these energies are governed, planned and supported. It’salso important that administrative procedures that regulate the implantation of energies productionsystem are set. At last, this legal transition will have to conciliate imperatives linked to the development ofrenewable energies with those governing the protection of surroundings, all aiming to a sustainabledevelopment.

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.

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.

Schraubenverbindungen sind eine technische Lösung um Stromschienen aus Aluminium mechanisch und elektrisch zu verbinden. Als stationäre Verbindungen sollen sie für eine Zeit von 30 Jahren und mehr den Betriebsstrom übertragen ohne dabei die genormten, zulässigen Grenztemperaturen zu überschreiten. Die Grundvoraussetzung für eine langzeitstabile, stromführende Verbindung ist ein geringer Anfangswert des Verbindungswiderstands nach der Montage. Dieser ist abhängig von der Kontaktkraft und kann für jede Kombination aus Fügeelementen, Werkstoffen und Topografie der Leiteroberflächen an der konstruierten Verbindung experimentell bestimmt werden. Allgemeingültige Modellrechnungen zum elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen waren bisher nicht möglich. In dieser Arbeit wurde durch numerische Berechnungen und experimentelle Untersuchungen eine Korrelation zwischen dem mechanischen und dem elektrischen Kontaktverhalten einer Schraubenverbindung mit Stromschienen hergestellt. Es wurde die inhomogene mechanische Spannungsverteilung auf der Kontaktfläche zwischen den Stromschienen bestimmt und damit ein Modell zum Berechnen des elektrischen Kontakt- und Verbindungswiderstands mit der Berücksichtigung des tatsächlich stromdurchflossenen Leitermaterials aufgestellt. Der Verbindungswiderstand kann sich, abhängig von der Temperatur und Zeit, durch verschiedene Alterungsmechanismen erhöhen. Das Altern durch den Abbau der Kontaktkraft wurde an Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen aus verschiedenen Aluminiumwerkstoffen untersucht. Es wurde die Kontaktkraft und der Verbindungswiderstand über einen Zeitraum von bis zu vier Jahren bei Temperaturen zwischen (80 … 160) °C bestimmt. Diese Untersuchungen wurden für ein System mit und ein System ohne federnde Fügeelemente durchgeführt, sowie die Kontaktkraft für eine Betriebszeit von 30 Jahren berechnet. Im Vergleich mit der experimentell bestimmten Mindestkontaktkraft und dem Werkstoffverhalten wurde eine Prognose zur Langzeitstabilität der stromführenden Verbindungen für eine konstante Belastung im Betrieb gegeben. Weiterhin wurden mit dem zeit und temperaturabhängigen Verhalten der Aluminiumwerkstoffe zulässige Grenz-temperaturen ermittelt, bei denen keine Entfestigung während der Betriebszeit auftritt. Für Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen wird eine identische, dauerhaft zulässige Grenztemperatur von 115 °C in der Norm angegeben [N1]. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften der metallischen Überzüge, sowie die Reaktivität mit der Umgebung sind aber sehr unterschiedlich. An stromführenden und stromlos im Wärmeschrank bei 115 °C und 140 °C gelagerten Verbindungen wurde der Verbindungs-widerstand bis zu einer Zeit nach t = 25.000 h bestimmt. Es wurde das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei beschichteten Stromschienen, sowie einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene aus Aluminium untersucht und bewertet. Abhängig vom Schichtaufbau des metallischen Überzugs mit verschiedenen Zwischenschichten und Schichtdicken wurde der Einfluss der Interdiffusion mit der Bildung intermetallischer Phasen (IMP) auf das Langzeitverhalten der Verbindungen untersucht.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang / A bolted joint is one technical possibility for mechanically and electrically connecting two busbars made of aluminium. This stationary connection shall carry the operating current for more than 30 years without exceeding the permissible limiting temperature given by international standards. For long-term stable, current-carrying connections a good electrical contact behaviour with a low initial value of the joint resistance is required after bolting. The joint resistance depends on contact force and can be measured at the constructed electrical joint for each combination of joining elements, conductor materials and pretreatment of conductor surfaces. General calculations for the electrical contact behaviour of current-carrying joints with flat contact surfaces, such as bolted joints with busbars, were not possible until now. In this thesis numerical calculations and experimental investigations were used to establish the relationship between mechanical and electrical contact behaviour of a bolted joint with busbars. In the first step, the inhomogeneous distribution of the mechanical stress was calculated on the contact area between two busbars. In the second step, a calculation model for the joint resistance and the contact resistance was created and verified by experiments. The joint resistance can increase by different ageing mechanisms depending on operating temperature and time. Ageing by the reduction of contact force was investigated on bolted joints with uncoated busbars made of various aluminium alloys. In long-term tests, these joints were loaded with temperatures between 80 °C and 160 °C. The contact forces and joint resistances were determined for up to four years of operation. Bolted joints with spring elements and without spring elements were investigated. Based on the results of these long-term tests, the contact force was calculated for up to 30 years of operation and compared with the experimentally determined minimum contact force of the joint. Together with the temperature and time dependent behaviour of the conductor materials, the long-term stability of the joints was evaluated for the case of constant thermal load during operation. Furthermore, permissible limiting temperatures at which no softening occurs during operation could be determined for various aluminium alloys. An identical limiting temperature of 115 °C is permanently permitted for bolted joints with nickel-coated and silver-coated busbars [N1] but the mechanical and electrical properties of the materials for these metallic coatings are very different. The chemical reactivity of both coatings also differs according to the environment. In long-term tests at current-carrying joints and joints which were aged in ovens at temperatures of (115 and 140) °C, the joint resistances were determined up to an operating time of t = 25.000 hours. Bolted joints with two identical coated busbars and also bolted joints with one coated and one bare busbar made of aluminium were investigated and evaluated. The influence of metallic coatings with different intermediate layers and layer thicknesses on the contact and long-term behaviour of the joints were examined. Due to interdiffusion between different materials, intermetallic compounds (IMC) can be formed. The ageing of bolted joints with coated busbars caused by the formation of IMC with poor electrical and mechanical properties compared to pure metals was investigated.:1 Einleitung 2 Werkstoffe für elektrische Leiter und metallische Überzüge 2.1 Aluminiumwerkstoffe für die Elektrotechnik 2.1.1 Einfluss der Mikrostruktur 2.1.2 Herstellen, Umformen und Nachbehandeln 2.1.3 Ausscheidungshärten von Al-Mg-Si-Legierungen 2.2 Metallische Überzüge aus Silber und Nickel 2.2.1 Elektrolytisches Beschichten 2.2.2 Autokatalytisches Beschichten 3 Grundlagen zu stromdurchflossenen Flächenkontakten 3.1 Kontaktverhalten in einer Schraubenverbindung mit Stromschienen 3.2 Gütefaktor zum Beurteilen der Qualität der stromführenden Verbindung 4 Alterung stromführender Verbindungen 4.1 Chemische Reaktionen 4.2 Kraftabbau in einer Schraubenverbindung 4.2.1 Elastische und plastische Verformung 4.2.2 Zeit- und temperaturabhängige Werkstoffentfestigung 4.2.3 Viskoplastische Verformung abhängig von der Temperatur 4.2.4 Berechnen der Kontaktkraft 4.3 Interdiffusion zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen 4.3.1 Metallische Überzüge aus Silber 4.3.2 Metallische Überzüge aus Nickel als Zwischen- und Deckschicht 5 Aufgabenstellung 6 Untersuchungen zu beschichteten und unbeschichteten elektrischen Flächenkontakten 6.1 Experimentell ermittelte Eigenschaften der Aluminiumwerkstoffe 6.2 Geometrie der untersuchten Stromschienen und Fügeelemente der Schraubenverbindungen 6.2.1 Schraubenverbindung ohne federnde Fügeelemente (OFF) 6.2.2 Schraubenverbindung mit federnden Fügeelementen (MFF) [79] 6.3 Vorbehandlung, Montage und Inbetriebnahme der Langzeitversuche 6.4 Erzeugen und Messen der Kontaktkraft im Langzeitversuch 7 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit unbeschichteten Stromschienen 7.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 7.1.1 Mechanisches Berechnungsmodell 7.1.2 Elektrisches Berechnungsmodell 7.2 Untersuchungen zum Langzeitverhalten 7.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte des Aluminiums 7.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Aluminiums 7.2.3 Versuchsergebnisse zum Langzeitverhalten 7.2.4 Abschätzen der Restkontaktkraft 7.2.5 Zusammenhang zwischen der Kraft und dem Widerstand der Verbindung 7.3 Zusammenfassung 8 Elektrisches Kontakt- und Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit vernickelten und versilberten Stromschienen 8.1 Untersuchungen zum Kontaktverhalten 8.2 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.2.1 Zeit- und temperaturabhängige Härte der metallischen Überzugwerkstoffe 8.2.2 Zeit- und temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit des Ni P (Typ 5) 8.3 Kraftabbau an Schraubenverbindungen mit zwei identisch beschichteten Stromschienen 8.4 Langzeitverhalten von Schraubenverbindungen mit einer beschichteten und einer unbeschichteten Stromschiene 8.5 Mikroskopische Untersuchungen 8.6 Weitere Untersuchungen zur Alterung von Schraubenverbindungen mit zwei vernickelten Stromschienen 8.6.1 Einfluss des Phosphorgehaltes in metallischen Überzügen aus Ni P 8.6.2 Einfluss der Art der thermischen Alterungsprüfung – Dauerlast / Wechsellast 8.7 Zusammenfassung 9 Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anhang