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.

La machine à collecteur mécanique reste, dans de nombreuses applications, une alternative crédible par rapport aux autres types de moteurs électriques. Dans le domaine automobile, ce sont les coûts de fabrication et surtout la fiabilité dû à l'absence d'électronique de puissance qui rendent cette solution si intéressante. Cela est également son point faible : l'absence de dispositif de régulation fragilise l'électronique de bord en cas d'appel de courant trop important au démarrage. L'usure du système balai-collecteur est également un point clé pour un démarreur d'autant plus que, pour assurer un fonctionnement « Stop-Start » en plus du fonctionnement traditionnel, le nouveau cahier des charges impose jusqu'à 450 000 cycles de démarrage (contre 30 000 auparavant). Ceci justifie la recherche actuelle sur ces dispositifs. En effet, une partie importante de cette thèse traite de la modélisation et de la mesure de la commutation dans le démarreur pour mieux évaluer les phénomènes qui y interagissent. L'arc électrique en fin de commutation joue un rôle important dans l'usure du système balais-collecteur. Une meilleure connaissance des facteurs influents permet, par la suite, de concevoir des appareils plus robustes. Dans une deuxième partie de la thèse, on s'intéresse au dimensionnement optimal d'un démarreur. Après avoir passé en revue les différentes méthodes d'optimisation pour traiter un tel problème et avoir sélectionné les plus adaptées, on traite un cas pratique de dimensionnement optimal. Cette problématique est fondamentale pour Valeo au vue des quantités d'appareils fabriqués et des futurs marchés offerts par le développement du « micro-hybride » qui se généralise / Nowadays, brushed DC motors are still used in many applications. In automotive industry, manufacturing cost and reliability are the two most important key indicators. That's why DC motors are preferred to others solutions requiring power electronics supply. But, there are also some drawbacks ; when the inrush current occurs (when the power-contact is switched on) the DC voltage of the battery decrease and can damage electronic components of the car. The wear of the brush-segments system is also a key issue for the life time of the starter. The new specifications for a « Stop-Start » starter use lead to a significant increase of the number of re-start cycles to be done by the device. We consider that a car achieve more than 450000 stop-and-start cycles during its lifetime whereas this number is only 30000 for the standard vehicles. These specifications justify the research work lead by Valeo on such device. An important part of the thesis concerns the modeling and the measurement of the commutation phenomena. The electric arc occurring at the brush trailing edges (when the physical contact ends) causes the wear of the brush-commutator system. A better knowledge of influent factors can lead to more robust device development. In a second part, we study the optimal design of a car starter regarding specifications. After a review of different optimization methods for dealing with such a problem, we select the most relevant ones and solve different practical problem around the starter. This issue is very important regarding the quantities of device manufactured and the market of micro-hybrid which is growing up very fast

L’instrumentation de plus en plus poussée des systèmes mécaniques (aéronautique, automobile,…) impose une utilisation croissante des connecteurs électriques. Cependant, leur environnement de fonctionnement (sollicitations chimiques et vibratoires) peut entrainer une dégradation plus ou moins sévère des contacts électriques limitant ainsi le passage du courant. Pour limiter cette dégradation et assurer la stabilité des connexions, des revêtements d’or sont couramment appliqués au niveau des contacts. Cependant, la conjecture économique et le coût très élevé de l’or nécessite de trouver une alternative moins chère. Parmi les métaux conducteurs, l’argent est aujourd’hui le meilleur candidat. L’objectif de cette thèse est donc d’étudier la réponse électrique et l’endommagement de dépôts argent soumis à des sollicitations de fretting. Pour cela, ces travaux de recherche ont été abordés selon trois axes. Le premier axe a permis une étude complète d’un contact homogène argent/argent afin d’identifier les mécanismes de dégradation responsables de la rupture électrique aussi bien en fretting qu’en glissement alterné. Il a aussi été possible, par une approche énergétique, de mettre en place un modèle prédictif permettant d’extrapoler les durées de vie du contact selon différents paramètres de chargement. Une étude complémentaire a également montré l’impact d’une atmosphère corrosive à base de soufre sur les contacts électriques en argent. Le second axe a permis, quant à lui, d’étudier le comportement tribologique et électrique de nouveaux matériaux à base d’argent développés dans le but de remplacer les dépôts dorés. L’analyse de ces contacts homogènes a permis de mettre en évidence les mécanismes de dégradation et les comportements mécaniques des contacts soumis à des environnements humides. Dans le dernier axe, une étude a été menée sur ces mêmes matériaux à base d’argent mais en configuration hétérogène contre un dépôt d’or afin d’identifier le comportement tribologique et électrique de ces contacts quand ils sont composés par des matériaux avec des propriétés similaires ou opposées. / Advanced instrumentation in mechanical systems (aeronautical, automobile etc…) goes hand in hand with an ever increased use of electrical connectors. However, the unfavorable operating environment (chemical attack and vibrational loads) causes more or less severe degradation of electrical contacts, which in turn perturbs their electrical conductivity. Gold plating is usually applied in electrical contacts in order to limit damage and to ensure connector stability. However, economic constraints and the high cost of gold require cheaper alternatives. Amongst conductive metals, silver is the best candidate. Hence, the purpose of this PhD project is to investigate the electrical response and the degradation of silver coatings when subjected to fretting loadings. The study is divided into three main research axes. The first axis consists in realizing a complete study of a homogeneous silver/silver contact in order to identify the degradation mechanisms that are responsible for the electrical failure, both in fretting loadings and reciprocating sliding. It was possible to formalize a predictive model, using an energy density approach, allowing to extrapolate the lifetime of the contact as a function of various loading parameters. A complementary study also showed the impact of a corrosive sulfur atmosphere on these electric contacts. As part of the second research axis, an investigation of the tribological and electrical behavior of novel silver-based materials, solely synthesized as a gold replacement, was performed. The analysis of these homogeneous contacts allowed to explain the degradation mechanism and the mechanical behavior of these contacts when subjected to a wet environment. In the last research axis a study was led on the same silver-based materials but in a heterogenous configuration against a gold coating in order to identify the tribological and electrical behavior of these contacts when composed by materials with similar or opposite properties.

Le mémoire de thèse propose une méthode de modélisation multi physique capable de quantifier l’influence des paramètres des processus d’écrouissage, le câblage et le compactage, sur le comportement mécanique et électrique des câbles électriques. Les propriétés électriques d’un câble dépendent de la nature du matériau utilisé, de son état métallurgique, des contraintes mécaniques exercées et de la conductance électrique des aires de contact inter-fils. De nombreuses mesures ont permis de définir les caractéristiques des câbles mais aussi des matériaux utilisés, comme par exemple la variation de la conductivité électrique d’un fil de cuivre en fonction de l’écrouissage. La modélisation mécanicoélectrique, réalisée avec le logiciel Abaqus®, est utilisée pour étudier les différents paramètres impliqués dans les processus de câblage et de compactage. Cela a permis de déterminer les déformations géométriques des fils ainsi que les contraintes mécaniques dans le câble. Les résultats de simulation sont comparés aux mesures afin de valider la précision des modèles numériques développés.Un couplage faible entre les modèles mécanique et électrique permet de mettre en évidence la distribution non-homogène de la conductivité électrique à l’intérieur d’un conducteur après qu’il ait subi des contraintes mécaniques dues au processus de déformation à froid, le câblage et le compactage. Ensuite, en appliquant une procédure d’optimisation, nous avons identifié les paramètres capables de réduire de 2 % la masse du matériau conducteur utilisés dans les processus de fabrication, tout en conservant des propriétés mécaniques et électrique répondant aux exigences normatives des constructeurs de câbles. / The presented PhD thesis propose multi-physics modeling method able to predict the impact of stranding and compacting processes parameters on the mechanical and electrical behavior of stranded conductors. The electrical properties of stranded conductors depend on the nature of the material, on its metallurgical state, on the mechanical pressure within the conductor and on the electrical conductance of contact areas between wires. A wide range of measurements has allowed us to define the characteristics of structures and materials, such as for example the resistivity as a function of the stresses due to material hardening. The electromechanical modeling with Abaqus and Vector Fields software are used to study different parameters involved in the stranding and compacting processes to determine actual wires shapes, induced deformations and actual stresses between wires within the conductor. The results obtained by simulation were compared with experimental measurements to analyze the accuracy of the model. By coupling mechanical and electrical simulations, we pointed out the non-homogeneous distribution of the electrical conductivity along conductor cross sections resulting from the hardness of each single wire. Applying the optimization procedure, we have identified the parameters able to reduce the mass of conducting material by 2 % while maintaining mechanical and electrical properties that meet the prescriptive requirements of cables manufacturers and standards.

Dans le cadre de l'intégration « 3D », une technologie d'assemblage par report de puces sur tranche de silicium (« flip chip ») reposant sur un procédé de microinsertion a été développée ces dernières années. Cette technologie est basée principalement sur la mise en contact par thermocompression, de réseaux de (micro)inserts en Nickel ECD, avec des plots de connexions métalliques en Al(Cu). Au cours de ce travail, un scénario de formation du contact entre un unique microinsert de Nickel rugueux et un film mince d'Aluminium lisse, prenant en compte la présence d'Alumine native à l'interface de contact, est proposé pour une gamme de pressions allant du MPa au GPa. L'analyse du contact métal-oxyde-métal se base essentiellement sur la fissuration de l'oxyde natif suivie de l'extrusion du métal au travers des fissures, et nécessite d'établir au préalable les lois de comportement des matériaux mis en jeu à partir d'essais de nanoindentation instrumentée couplés à des simulations numériques. Enfin, la mesure de l'évolution de la résistance électrique de contact en fonction de la force appliquée à l'aide de dispositifs expérimentaux originaux, permet de mettre en évidence les différents mécanismes de formation du contact métallique lors du procédé de microinsertion. / In the field of « 3D » microelectronic integration, a wafer level technology using flip chip stacking and based on a microinsertion process has been developed recently. This technology is mainly based on the contact realized by thermocompression between a network of microinserts made of Nickel ECD, with connections pads in Al(Cu). In this work, a scenario describing the contact establishment between a unique rough microinsert of Nickel and a smooth thin Aluminum film taking into account the presence of native Alumina at the contact interface, is developed for a range of pressures from MPa to GPa. The analysis of the metal-oxide-metal contact is essentially based on the fracture of the native oxide followd by the metal extrusion through cracks, and requires the knowledge of the behaviour laws of materials, obtained from instrumented nanoindentation tests coupled with numerical modeling. Finally, the measure of the electrical contact resistance evolution in function of applied load, with specific pioneering experimental setup, showcases the mechanisms driving the formation of metallic contact during the microinsertion process.

Afin d’améliorer la durée de vie des micro-relais MEMS ohmiques, plusieurs traitements de surface de films minces d’or sont réalisés pour augmenter leur dureté tout en conservant une résistance électrique de contact faible.Les revêtements ultrafins de ruthénium (20 à 100 nm) déposés sur l’or augmentent la dureté des surfaces de contact d’un facteur 15. L’implantation ionique de bore ou d’azote (3,5 ppm à 10 % atomique) à une profondeur de 100 nm dans le film mince d’or permet d’atteindre un gain en dureté de 75%. Le contrôle (AFM, EBSD et DRX) de la microstructure induite met en évidence le durcissement par solution solide par insertion. Mais au-delà de 1% atomique, les atomes d’azote quittent le réseau cristallin de l’or pour former des précipités de nitrure d’or.L’analyse AFM (rugosité et diamètre) des empreintes résiduelles (quelques μm²) réalisées par nano-indentation sphérique, imitant le cyclage et le fluage des surfaces de contact de ces MEMS, démontre l’apport de ces traitements de surface. De plus, leurs résistances électriques de contact, mesurées par nano-indentation instrumentée reproduisant un micro-contact identique à un dispositif réel, sont similaires à celle de l’or pur.La modélisation discrète mécanique du contact rugueux est ajustée à la mesure de la déformation mécanique de nano-rugosités en comparant les relevés topographiques réalisés par AFM avant et après nano-indentation sphérique. La comparaison entre la modélisation et la mesure de la résistance électrique de contact indique que pour les gammes de force utilisées dans les micro-relais MEMS (inférieure au mN), seule une fraction allant de 2% à 9% de la surface de contact réelle est conductrice. / Ohmic MEMS switches made by gold thin films are promising devices but their mechanical contacts are one of the critical concerns for enhancing reliability. For this reason, surface processes are investigated in this work to improve both mechanical and electrical contact resistance (ECR) of MEMS gold contacts. Ruthenium ultra-thin films (20 to 100 nm) deposited on a top of gold layer increase surface hardness by a factor of fifteen. In parallel, surface implantations of both boron (<10% atomic) or nitrogen (<0.1% atomic) into gold reveals a solid solution hardening by insertion, thus increasing the hardness of initial film by about 75% and 25%, respectively. Notably, above 0.1% atomic of nitrogen, atoms precipitate from the tetra or octahedral sites of gold inducing a decrease of hardness.Static and multi load/unload spherical nano-indentation are performed on treated gold thin films to simulate the mechanical actuation of ohmic MEMS switches. Analysis of residual imprints (about few µm²) from treated surface exhibits both minimal local deformation and adhesion forces that reduce stiction probability. In-situ measurement of ECR for treated gold by instrumented nano-indentation, reproducing the design of MEMS, is in the same range of pure gold-to-gold configuration.A new mechanical discrete model of rough contact is introduced, confronted and validated to the experimental mechanical surface deformation obtained by comparison of AFM images before and after spherical nano-indentation. An electrical discrete model is added and fitted to the ECR measurements. In ohmic MEMS switch load range (< 1 mN), the conductive area is found to be about 2% to 9% of the real contact area.

Le recuit photonique est une technologie émergente basée sur la conversion instantanée del’énergie lumineuse absorbée par les nanoparticules (NPs) en chaleur. Dans ces travaux, il estdéployé sur des pistes d’interconnexions imprimées sur support souple par jet de matière, àpartir d’une encre de NPs d’argent (Ø=25nm).Une étude des paramètres du procédé a permis d’établir le lien entre ces derniers (énergie,fréquence) et la résistance carrée (120m!/ ) induite. Celui-ci a été confirmé grâce à unemodélisation thermique multicouches et au développement d’une instrumentation inéditemesurant, toutes les 4μs, les variations de la résistance pendant le recuit photonique (quelquesms). La stabilisation de la résistance corrélée avec les propriétés optiques du film est optimalepour une exposition de 2-3J/cm² induisant un échauffement à environ 200°C.L’analyse de la microstructure des films par diffraction des rayons X met en évidence le lienentre la croissance des cristallites et la résorption des défauts. La minimisation de la résistanceélectrique est corrélée à la croissance du collet entre les nanoparticules par diffusion atomiquede surface. De plus, une meilleure cohésion des NPs améliore la dureté par rapport au recuit àl’étuve.La résistance électrique de contact (200m!) entre les plots d’interconnexion d’une puce ensilicium et les pistes imprimées a été mesurée grâce à un montage dédié de mesure électriqueau nano-indendeur. Les forces à appliquer (300mN par bump) / Photonic sintering is an emerging technology based on the instantaneous conversion ofabsorbed light energy by nanoparticles (NPs) into heat. In this work, it is used oninterconnections printed on flexible substrates by inkjet printing of a metal silver nanoinkwith particle mean diameter of Ø=25nm.A process parameters study has allowed us to link them (energy, frequency) with theinduced sheet resistance (120m!/ ). This has been confirmed through thermal modeling ofthe multilayer system, and also by monitoring the resistance variations in-situ duringphotonic sintering (a few ms) using an innovative characterization tool, allowingmeasurements every 4 μs. The electrical resistance stabilization correlated with the opticalproperties of the film was found to be optimal for an exposition of 2-3J/cm², whichcorresponds to heating up to approximately 200°C.Films microstructure analysis with X-ray diffraction enlightens the link between crystallitescoarsening and defaults density reduction. The minimization of electrical resistivity iscorrelated with neck growth between nanoparticles trigged by surface atomic diffusion.Moreover, a stronger cohesion between NPs improves the mechanical hardness compared toclassical oven curing.The electrical contact resistance (200m!) between a silicon chip interconnection bumpand printed tracks is measured thanks to an in-house setting for electrical measurement withthe nanoindenter. The level of forces to apply (300mN per bump) is optimized and transferredto a thermocompression by industrial equipment. A set of prototypes are fabricated andconfirm the compatibility of these technologies with a future industrial integration.

Dans les applications automobiles et dans d'autres domaines (énergie, aviation, etc), le nombre d'appareils électroniques a augmenté de façon significative au cours des dernières décennies. La sécurité des systèmes et des personnes repose sur la qualité de connecteurs électriques. Toutefois, soumis à des vibrations (moteur de la voiture, de l'environnement) des microdéplacements sont induits à l’interface. La problématique du contact électrique est principalement liée à l'altération de la conduction de faible courant (5mA) dans les interfaces soumises à des contraintes mécaniques de glissement répétitifs engendrant un phénomène bien connu de fretting par l’usure. La sollicitation de fretting usure apparait comme un processus de dégradation très pénalisant. Outre la détérioration des surfaces, ce processus conduit à une augmentation de la résistance électrique des contacts et à une possible perte du signal électrique. Ceci est particulièrement le cas pour les connecteurs bas niveau très sensibles aux fluctuations de la résistance électrique. Pour remédier à cela, les acteurs de la connectique développent de nouveaux dépôts pour limiter l’utilisation de dépôts nobles tels que l’or. Les objectifs de cette thèse sont d’établir une "table d’utilisation" des revêtements en fonction de sollicitations précises et de mettre en place une méthodologie dans le choix des dépôts en vue d’optimiser la durée de vie des connecteurs. L’étude aborde différents aspects tels que les influences des conditions de chargements mécaniques, des épaisseurs de dépôts, du type de dépôt (noble, non noble, dopé), de l’amplitude de débattement (micro-déplacement et grand déplacement) et la formalisation de l’endurance électrique (loi puissance et approche énergétique). / In automotive applications and in other areas (energy, aviation, etc.), the number of electronic devices has increased significantly in recent last decades. Systems and people securities are based on the quality of electrical connectors. However, submitted to vibrations (car engine, environment) micro-displacements are induced at the interface. The problem of electrical contact is mainly due to the impairment of low current conduction (5mA) in interfaces subjected to repetitive sliding displacement generating a well-known fretting wear phenomenon. Fretting wear solicitation appears as a process of very detrimental degradation. Besides surface deterioration, this process leads an increase of the electrical contact resistance and a possible loss of the electrical signal. This is particularly the case of the low level connectors which are very sensitive to electrical contact fluctuations. To remedy, connections actors develop new deposits to limit the use of noble ones such as gold. The objectives of this thesis are to establish a "table of use" coatings based on specific solicitations and define a methodology for the selection of deposits to optimize the lifetime connectors. The study covers different aspects such as the mechanical loading conditions influence, the thickness deposits influence, the type of deposit (noble, non-noble, doped), the displacement amplitude (microdisplacement and large displacement) and the electrical endurance formalization (energetic approach and power law).

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