Elektrische Verbindungen in der Elektroenergietechnik sind aus technologischen und konstruktiven Gründen beim Zusammenschalten von Betriebsmitteln in Schaltanlagen und auf den Übertragungswegen bei Kabeln und Freileitungen notwendig. Als elektrischer Kontakt wird die Berührung zweier stromführender Leiter verstanden. Eine Verbindungsart, die häufig bei Stromschienen eingesetzt wird, ist die Schraubenverbindung.
Um eine Lebensdauer dieser Verbindung von üblicherweise 50 Jahren und mehr zu gewährleisten, ist es notwendig, die Alterung abhängig von der Zeit und der Temperatur zu kennen. Neben dem Kraftabbau und den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung bei Verbindungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern ist die Interdiffusion bei Bimetallverbindungen und bei Verbindungen mit beschichteten Kontaktpartnern von Bedeutung.
In dieser Arbeit wurde der Kraftabbau bei Schraubenverbindungen mit Stromschienen aus Cu-ETP (Werkstoff-Nr. CW004A) und CuAg0,1P (Werkstoff-Nr. CW016A) im Temperaturbereich zwischen 105 °C und 160 °C untersucht. Es wurde die Kraft und der Widerstand an stromdurchflossenen Verbindungen abhängig von der Zeit bis zu 2,4 Jahren gemessen. Des Weiteren wurde der Einfluss von verschiedenen federnden und nicht federnden Elementen im Verbindungssystem auf den Kraftabbau untersucht. Es wurde eine statische Mindestverbindungskraft bestimmt, der Kraftabbau bis zu einer Lebensdauer von 50 Jahren berechnet und daraus eine Grenztemperatur für diese Verbindungsart bestimmt.
Neben dem Kraftabbau wurde die Alterung durch Interdiffusion an Schraubenverbindungen mit verzinnten und versilberten Cu-ETP Stromschienen im Temperaturbereich zwischen 115 °C und 140 °C untersucht. Es wurde an stromdurchflossenen und im Wärmeschrank gelagerten Verbindungen der Verbindungswiderstand abhängig von der Zeit bis zu 2 Jahren gemessen. Die Langzeitversuche wurden durch mikroskopische Untersuchungen ergänzt, in denen die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Phasen gemessen und bewertet wurde.
Ergänzend zu den Langzeituntersuchungen wurden aktuelle Erkenntnisse zu den chemischen Reaktionen / Fremdschichtbildung auf Kupfer-, Silber- und Zinnoberflächen zusammengestellt und bewertet.:1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE
2.1 Elektrische Verbindung
2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen
2.3 Alterung elektrischer Verbindungen
3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL
4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER
4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau
4.1.1 Setzen
4.1.2 Dynamische Erholung
4.1.3 Dynamische Rekristallisation
4.1.4 Kornvergröberung
4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus
4.2 Aufgabenstellung
4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P
4.4 Langzeitversuche
4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche
4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen
4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen
4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer)
4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung
4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen
4.6.1 Langzeitversuche
4.6.2 Versuchsergebnisse
4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung
4.6.4 Oberflächenstruktur
4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern
4.8 Mikroskopische Untersuchungen
4.9 Zusammenfassung
5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER
5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion
5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion
5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu
5.2 Aufgabenstellung
5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen
5.4 Langzeitversuche
5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche
5.4.2 Versuchsergebnisse
5.5 Mikroskopische Untersuchungen
5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen
5.7 Zusammenfassung
6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG
6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen
6.2 Oxidation auf Kupfer
6.3 Oxidation auf Zinn
6.4 Fremdschichten auf Silber
6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen
6.6 Zusammenfassung
7 AUSBLICK
8 LITERATURVERZEICHNIS
9 BILDVERZEICHNIS
10 TABELLENVERZEICHNIS / Electrical joints are necessary for technological and design reasons to connect electric equipment and to realize the transmission of electrical energy by cables and overhead lines. The contact between two current-flown electrical conductors is called electrical joint. One joint type often used is the bolted joint.
To allow a lifetime of this joint of 50 years and longer it is necessary to know the ageing depend on time and temperature. In addition to ageing by force reduction and the chemical reactions / impurity layers at joints with copper und aluminium conductors, the interdiffusion has a great influence at bi-metal joints and joints with plated conductors.
In this work the force reduction was analysed at bolted joints with bus bars made of Cu-ETP (material number CW004A) and CuAg0.1P (material number CW016A) in a temperature range between 105 °C and 160 °C. The joint force and the joint resistance were measured time-depended at current-flown joints up to 2.4 years. Furthermore the influence on the force reduction by different resilient und non-resilient elements in the joint system was tested. There was a minimum static joint force appointed and the force reduction calculated to a lifetime of 50 years. Out of these results a category temperature for these joints was defined.
Additionally the ageing due to interdiffusion at bolted joints with tin and silver plated Cu-ETP bus bars was analysed at the temperatures 115 °C and 140 °C. At joints aged by current-flown and in the heating cabinet the joint resistance was measured time-dependent up to 2 years. These long-term tests were supplemented by microscopic examinations. The thickness of the grown intermetallic compounds was measured and stated.
Additional to the long-term tests the topical knowledge to chemical reactions / impurity layers at copper, silver and tin surfaces was composed and stated.:1 EINLEITUNG
2 GRUNDLAGEN DER KONTAKTTHEORIE
2.1 Elektrische Verbindung
2.2 Engewiderstand bei Stromschienenverbindungen
2.3 Alterung elektrischer Verbindungen
3 REINKUPFER ALS STROMSCHIENENMATERIAL
4 ALTERUNG DURCH KRAFTABBAU IN SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER
4.1 Erkenntnisstand zum Kraftabbau
4.1.1 Setzen
4.1.2 Dynamische Erholung
4.1.3 Dynamische Rekristallisation
4.1.4 Kornvergröberung
4.1.5 Ansätze zum Berechnen des Kraftabbaus
4.2 Aufgabenstellung
4.3 Materialeigenschaften von Cu-ETP und CuAg0,1P
4.4 Langzeitversuche
4.4.1 Aufbau der Langzeitversuche
4.4.2 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit Cu-ETP Strom- schienen
4.4.3 Versuchsergebnisse bei Schraubenverbindungen mit CuAg0,1P Stromschienen
4.4.4 Auswerten der Versuchsergebnisse und Berechnen des Kraftabbaus (Abschätzen der Lebensdauer)
4.5 Mindestverbindungskraft bei statischer Belastung
4.6 Einfluss federnder und nicht federnder Elemente auf den Kraftabbau von Schraubenverbindungen
4.6.1 Langzeitversuche
4.6.2 Versuchsergebnisse
4.6.3 Mechanische Spannungsverteilung
4.6.4 Oberflächenstruktur
4.7 Federkennlinie der verwendeten Spannscheiben und Tellerfedern
4.8 Mikroskopische Untersuchungen
4.9 Zusammenfassung
5 ALTERUNG DURCH FREMD-(INTER-)DIFFUSION IN SCHRAUBEN-VERBINDUNGEN MIT VERZINNTEN UND VERSILBERTEN STROMSCHIENEN AUS REIN- KUPFER
5.1 Erkenntnisstand zur Fremd-(Inter-)Diffusion
5.1.1 Grundlagen der Fremd-(Inter-)Diffusion
5.1.2 Fremd-(Inter-)diffusion im System Ag-Cu und Sn-Cu
5.2 Aufgabenstellung
5.3 Ausgangszustand der beschichteten Stromschienen
5.4 Langzeitversuche
5.4.1 Aufbau der Langzeitversuche
5.4.2 Versuchsergebnisse
5.5 Mikroskopische Untersuchungen
5.6 Modell zum Berechnen des Verbindungswiderstands abhängig von der Dicke der intermetallischen Phasen
5.7 Zusammenfassung
6 ALTERUNG VON SCHRAUBENVERBINDUNGEN MIT STROMSCHIENEN AUS REINKUPFER DURCH CHEMISCHE REAKTIONEN / FREMDSCHICHT- BILDUNG
6.1 Wachsen von Fremdschichten auf Metalloberflächen
6.2 Oxidation auf Kupfer
6.3 Oxidation auf Zinn
6.4 Fremdschichten auf Silber
6.5 Vorbehandlung der Verbindungsflächen von Schraubenverbindungen mit Stromschienen
6.6 Zusammenfassung
7 AUSBLICK
8 LITERATURVERZEICHNIS
9 BILDVERZEICHNIS
10 TABELLENVERZEICHNIS
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30365 |
| Date | 09 December 2011 |
| Creators | Schlegel, Stephan |
| Contributors | Großmann, Steffen, Schoenemann, Thomas, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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