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 Grenztemperaturen
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 Verbindungswiderstand
bis zu einer Zeit nach t = 25.000 h bestimmt. Es wurde das elektrische Kontaktund
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.