Untersuchungen zum elektrischen Kontakt- und Langzeitverhalten von Fügetechnologien mit zylindrischen Leitern aus Aluminium

Vor allem in gasisolierten Schaltanlagen und Leitungen werden zylindrische Leiter aus Aluminium mit großen Durchmessern für den Energietransport eingesetzt. Um die Leiter mit anderen Bauteilen zu verbinden, werden i. d. R. lösbare Steckverbindungen mit federnden Kontaktelementen genutzt. Es ist zu prüfen, ob die Steckverbindungen in vielen Fällen durch nicht lösbare stromführende Verbindungen ersetzt werden können. Dadurch soll vorrangig die Kosten- aber auch die Energieeffizienz sowie die Zuverlässigkeit der gasisolierten Anlagen erhöht werden. Betriebserfahrungen lagen für diese Verbindungen bisher nicht vor. Deshalb ist zuerst sicherzustellen, dass diese, über die Lebenszeit der Anlagen von mehreren Jahrzehnten Dauerströme im Kiloampere-Bereich langzeitstabil führen können. Um nicht lösbare stromführende Verbindungen mit zylindrischen Leitern aus Aluminium herzustellen, können verschiedene Fügetechnologien eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit werden das Längs- und Querpressen sowie das elektromagnetische Umformen zum Herstellen nicht lösbarer Verbindungen betrachtet. Das elektrische Kontakt- und Langzeitverhalten, der mit diesen Fügetechnologien hergestellten Verbindungen, wurde bisher nur unzureichend untersucht. Es wurde daher das elektrische Kontaktverhalten der zylindrischen Verbindungen abhängig von verschiedenen Fügeparametern experimentell ermittelt. Aus den Ergebnissen wurden Empfehlungen zur Vorbehandlung und zum Fügevorgang beim Längs- und Querpressen sowie zur Form der Innenteile beim elektromagnetischen Umformen erarbeitet. Mit mechanischen Modellen auf Basis der Finite-Elemente-Methode wurde der Fügevorgang beim Längs- und Querpressen nachgebildet. Ein Zusammenhang zwischen dem Kraftschluss in den Verbindungen und dem ermittelten Kontaktverhalten der Verbindungen konnte damit hergestellt werden. Um das elektrische Langzeitverhalten der Verbindungen zu bewerten, wurden diese bei thermischer und elektrisch-thermischer Belastung unter normaler Atmosphäre für eine Zeit von mindestens 20.000 h untersucht. Dabei zeigten die Verbindungen mit unbeschichteten Kontaktpartnern, im Gegensatz zu Verbindungen mit einem silberbeschichteten und einem unbeschichteten Kontaktpartner, ein sehr stabiles Langzeitverhalten. Die sehr große scheinbare Kontaktfläche und die relativ geringe mittlere mechanische Spannung sind für die untersuchten zylindrischen Verbindungen charakteristisch. Mit dem Kontaktwiderstandsbelag wurde ein elektrisches Vergleichs- und Bewertungskriterium für kraftschlüssige Flächenkontakte eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass das Kontaktverhalten quergepresster Verbindungen mit dem von Stromschienen mit deutlich kleinerer Kontaktfläche bei homogener Verteilung der Kontaktkraft vergleichbar und somit skalierbar ist.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis AnhangEspecially in Gas Insulated Switchgears and Gas Insulated Lines (GIS/GIL), cylindrical aluminum conductors with huge diameters are used for transportation of energy. To connect the conductors with other parts of the system, separable connections with contact elements are the common and most used solution. In many cases, the separable connections can be replaced with permanent connections in order to reduce costs as well as operating power losses and to increase the reliability. Until now, there had been no data of operating experience for these connections. Therefore a stable long-term behavior of the connections during the projected lifetime of the assets needs to be ensured. Different joining technologies can be used to set up these permanent electrical connections with cylindrical aluminum conductors. This work focuses on the press- and shrink-fit technology as well as the electromagnetic forming. Until now the electrical contact- and long-term behavior of connections joined through these technologies had not yet been sufficiently investigated. Therefore, the electrical contact behavior of the cylindrical connections was determined experimentally regarding different joining parameters. From these results, recommendations for the pretreatment and the joining processes when using press- and shrink-fit technologies as well as suggestions regarding the shape of the inserts when using electromagnetic forming were derived. Mechanical models based on the finite element method were used to calculate the joining processes of the press- and shrink-fit technologies. Through these models, a relation between the contact force and the contact behavior of the connections could be established. To evaluate the electrical long-term behavior, the connections were investigated under thermal- and electrical-thermal load for a minimum of 20,000 h within normal atmosphere. As a result, the connections with uncoated contact partners showed very stable long-term behavior compared to those connections with one silver-plated and one uncoated contact partner. Typical for the investigated cylindrical connections are the very large apparent contact area and the comparatively low average mechanical stress. The resistance of contact layer was established as an electrical criteria to compare and evaluate force closure based connections. It could be shown that the contact behavior of shrink-fit connections is comparable to that of joints with busbars, loaded with a homogenous distributed contact force, which have much smaller contact areas. The contact behavior is therefore scalable.:1 Einleitung 2 Theorie zum stromführenden Verbinden von zylindrischen Leitern 2.1 Lösbares Verbinden 2.2 Nicht lösbares Verbinden 2.3 Kontakt- und Langzeitverhalten 3 Fügetechnologien für zylindrische Leiter 3.1 Pressen 3.1.1 Längspressen 3.1.2 Querpressen 3.1.3 Auslegen von längs- und quergepressten Verbindungen nach DIN 7190-1 3.2 Elektromagnetisches Umformen 4 Aufgabenstellung 5 Elektrisches Kontaktverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 5.1 Vorbetrachtungen 5.1.1 Messen der Kontakt- und Verbindungswiderstände 5.1.2 Genauigkeit der Widerstandsmessung mit dem Mikroohmmeter 5.2 Fügen der Verbindungen 5.2.1 Längspressen 5.2.2 Querpressen 5.2.3 Elektromagnetisches Umformen 5.3 Experimentelle Untersuchungen 5.3.1 Einfluss der Vorbehandlung beim Längs- und Querpressen auf den Widerstand 5.3.2 Anfangswert des Widerstands nach dem Fügen 5.3.3 Charakterisieren der Eigenschaften der Kontaktflächen 5.4 Berechnen des Fügevorgangs von längs- und quergepressten Verbindungen 5.4.1 FE-Modell der Fügeprozesse 5.4.2 Materialmodell und Materialverhalten der eingesetzten Leiterwerkstoffe 5.4.3 Qualitatives Verifizieren der FEM-Berechnungen 5.4.4 Kontaktkraft und mechanische Spannung in der Kontaktfläche 5.5 Metallographische Untersuchungen 6 Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 6.1 Versuche im Wärmeschrank 6.1.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.1.2 Versuchsergebnisse 6.2 Versuche bei Belastung mit Wechselstrom 6.2.1 Versuchsaufbau und -durchführung 6.2.2 Versuchsergebnisse 6.3 Zusammenfassung der Untersuchungen zum Kontakt- und Langzeitverhalten von Verbindungen mit zylindrischen Leitern 7 Verbindungen mit zylindrischen Leitern im Vergleich zu anderen Flächenkontakten 7.1 Bestimmen eines Bewertungs- und Vergleichskriteriums 7.2 Einfluss der erhöhten mechanischen Spannungen im Randbereich auf das elektrische Kontaktverhalten zylindrischer Verbindungen 7.3 Versuche bei flächiger Krafteinwirkung 8 Zusammenfassung und Ausblick 9 Literaturverzeichnis 10 Bildverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis Anhan