In dieser Arbeit werden versilberte Hochstrom-Steckverbindungen mit Kontaktelementen betrachtet, die in der Elektroenergieversorgung bei Belastung mit Fehlerströmen im Bereich von 24 µs bis 5 s eingesetzt werden. Am Flach- und Rundeinbau der Kontaktelemente werden Kurzschlussversuche im Bereich von (0,01…5) s durchgeführt. Der Kurzschlussstrom erwärmt die Steckverbindung und die Kontaktelemente innerhalb dieser Zeit auf mehrere 100 °C und führt zu einer thermisch aktivierten Schädigung. Dabei baut sich die Kontaktkraft durch Spannungsrelaxation zum Teil ab, und es kann zum Verschweißen der Mikrokontakte und Blasenbildung durch lokales Ablösen der Be-schichtung kommen. Bei einer zu starken Schädigung kann ein sicherer Betrieb der Steckverbindung nicht mehr si-chergestellt werden. Daher werden für die Mechanismen der Schädigung Grenzwerte festgelegt und eine maximale Belastung definiert.
Ausgehend von den experimentellen Untersuchungen wird ein Berechnungsmodell auf Basis der Finiten-Elemente-Methode weiterentwickelt. Ein vereinfachtes Widerstandsmodell der Punktkontakte abhängig von Kontaktkraft und Kontakthärte bildet dabei das Verhalten der Mikrokontakte nach. Da das Verhalten der Kontakthärte bei starker Erwärmung im ms-Bereich nur unzureichend erforscht ist, werden aus Experimenten näherungsweise die benötigten Parameter bestimmt. Mit dem erweiterten Berechnungsmodell ist es möglich, die thermische Wirkung praktischer Kurzschlussversuche nachzubilden.
Eine wesentliche Erkenntnis ist, dass die Höhe des Stoßstroms zu Beginn des Kurzschlusses einen entscheidenden Einfluss auf die maximale Erwärmung hat. Bei sehr hohen Stoßströmen am Anfang eines Kurzschlusses wird der Kontaktwiderstand stark reduziert. Für den weiteren Verlauf des Kurzschlusses entsteht in den Kontakten daher weniger Wärme, als wenn diese Reduktion nicht stattfindet. Das bedeutet, dass DC-Kurzschlüsse unter Umständen zu einer höheren thermischen Belastung und mechanischen Schädigung führen können als AC-Kurzschlüsse mit gleichem Effektivwert. Experimente bestätigen diese Theorie. Dies gilt allerdings nur, wenn der Stoßstrom nicht zum sofortigen Verschweißen der Kontakte führt.
Anhand der Erkenntnisse aus den Experimenten und Berechnungen werden Empfehlungen für die Auslegung und die Prüfung von Hochstrom-Steckverbindungen gegeben. Es zeigte sich, dass das für Prüfungen oft verwendete I2t-Kriterium bei Steckverbindungen nur sehr eingeschränkt anwendbar ist. Die Kurzschlussdauer kann damit nur um ca. (13…17) % verändert werden, ohne dass sich die Beanspruchung in der Prüfung unzulässig ändert. Alternativ schlägt die Arbeit das Ixt-Kriterium vor. Dieses lässt es bei bekannter Geometrie der Steckverbindung zu, einen Prüfstroms in einem vielfach größeren Zeitbereich einzustellen und erzeugt dabei eine vergleichbare thermische Beanspruchung oder mechanische Schädigung.
Ein Erwärmen der Steckverbindung auf die maximal zulässige Betriebstemperatur vor dem Kurzschluss, was bei-spielsweise bei einem Fehler im realen Betrieb stattfinden kann, hat einen vergleichsweise geringeren Einfluss auf die Erwärmung und die mechanische Schädigung. Hintergrund ist, dass die Vorerwärmung zu einer Reduktion der Kon-takthärte führt und damit große Kontaktflächen erzeugt, die einen geringen Kontaktwiderstand haben. Hierdurch entsteht weniger Verlustleistung, was die Erwärmung der Steckverbindung reduziert.
Aus den gewonnen Erkenntnissen werden Empfehlungen für die Auslegung, Prüfung und die Modellierung des Kurz-schlussverhaltens von Steckverbindungen mit Kontaktelementen für die Elektroenergieversorgung abgeleitet. / In this thesis, silver plated plug-in connectors for electrical power supply under short time current load are investigat-ed. The duration of the short time or short circuit current load is between 24 µs and 5 s. Both flat and round model plug-in connectors are stressed with the short time current.
This current heats the plug and socket as well as the contact elements by several hundred Kelvin, which can lead to thermally induced damages. These may include a reduction of the contact force, welding of the contact points and blistering of the coating. If the damage is too severe, safe operation at the rated continuous current may not be able after the short circuit. Thus, limiting loads are defined which ensure a safe operation.
Based on the experiments, a finite element model is refined. A simplified model of contact points is used to imple-ment the contact behaviour. This model implements the overtemperature in the contacts, the contact hardness and the contact force into the calculation. In fact, few data for load in the range of milliseconds are available on this matter. Hence, experiments are used for an approximation of the required parameters. The refined model allows for a good correlation between experiments and calculated data.
A key finding is that the magnitude of peak current at the beginning of the short circuit has a decisive influence on the maximum heating. In case of a very high peak current at the beginning of a short circuit, the contact resistance is greatly reduced. For the further course of the short-circuit, therefore, less heat is generated in the contacts than if this reduction did not take place. This means that DC short circuits can under certain circumstances lead to higher thermal stress and mechanical damage than AC short circuits with the same RMS value. This is only valid if the peak current does not heat the contact points up to their welding temperature. Experiments confirm this theory.
Recommendations for the dimensioning and testing of high current connectors are given on the basis of the experi-ments and the calculations. It was shown that the I²t-criterion, which is often used for altering the test duration in recommended standards, can only be applied to a very limited extent. The short circuit duration can only be changed by about (13…17) % or otherwise the severity of the mechanical damage is likely to change as well. As an alternative, it is proposed to use the newly introduced Ixt-criterion. If the geometry of the connector is known, this criterion allows alternating the short circuit duration in a broader range without major changes in the severity of the test.
In a real world application, short circuits may occur while the connectors are under heavy load, which means that at the beginning of the short time current, the connector is preheated. Tests showed that this has only a minor impact on the temperature rise and the mechanical damage of the contact elements. The reason for this behaviour is that, due to the preheating, the hardness of the contact material drops and the contact area is enlarged. This results in a comparatively lower contact resistance and less power loss is generated. This reduces the influence of the higher start-ing temperatures to a certain degree.
On the basis of the findings, recommendations are derived for the design, testing and modelling of the short-circuit behaviour of connectors with contact elements for electrical power supply.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73095 |
| Date | 07 December 2020 |
| Creators | Israel, Toni |
| Contributors | Großmann, Steffen, Song, Jian, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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