ETH, Diss.--Zürich, 2000. / Nebent.: Online Schraubenberechnung.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2002.

Zugl.: Paderborn, Univ., Diss. S. Somasundaram, 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2007--Darmstadt.

Universiẗat, Diss., 2003--Dortmund.

Zugl.: Darmstadt, Techn. Univ., Diss., 2007

Brandenburgische Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Cottbus.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008

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. / 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.

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