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 Beschichtung
kommen. Bei einer zu starken Schädigung kann ein sicherer Betrieb der Steckverbindung nicht mehr sichergestellt
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 beispielsweise
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 Kontakthärte
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 Kurzschlussverhaltens
von Steckverbindungen mit Kontaktelementen für die Elektroenergieversorgung abgeleitet.