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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:70891 |
| Date | 03 June 2020 |
| Creators | Fuhrmann, Torsten |
| Contributors | Großmann, Steffen, Keßler, Olaf, Härtling, Thomas, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| 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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