In Geräten und Anlagen des Stromnetzes werden Steckverbinder mit hoher Stromtragfähigkeit
eingesetzt, wenn bewegliche Teile kontaktiert werden oder Betriebsmittel mit geringem
Aufwand montier‐ und demontierbar sein müssen. Die elektrische Verbindung
der Leiter wird dabei oft mit federnden Kontaktelementen realisiert. Die Kontaktelemente
müssen als Teil der Strombahn während der Lebensdauer des Geräts den Betriebsstrom
im Kiloampere‐Bereich und im Fehlerfall bis zu einige Sekunden lang den eine Größenordnung
höheren Kurzschlussstrom tragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Rechenmodelle
für die innere Erwärmung von Hochstrom‐Kontaktsystemen im stationären
Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische
Langzeitverhalten im Temperaturbereich (105…180) °C wurde experimentell mit
stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt
und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden
beispielhaft mit Kontaktelementen vom Typ Multilam durchgeführt. Kontaktelemente
und Leiter bestanden aus versilbertem Kupfer.
Für das stationäre Betriebsverhalten wurden die mit der analytischen Spannungs‐Temperatur‐
Beziehung nach Kohlrausch berechneten Ergebnisse mit einem Erwärmungsversuch
verifiziert. Die Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelement und Leiter ist bei
Standardanwendungen, wie in Schaltanlagen, mit ≤ 3 K sehr klein. Deshalb ist die Leitertemperatur
als Zielgröße beim Dimensionieren der Dauerstrombelastbarkeit ausreichend.
Bei Kurzschlussstrombelastung wurde im Kontaktsystem eine schnelle, räumlich
unterschiedlich ausgeprägte Erwärmung numerisch berechnet. Leiter und Kontaktelement
erwärmen sich kontinuierlich, wobei die mittlere Endübertemperatur im Kontaktelement
aufgrund des kleineren stromtragenden Querschnitts eine Größenordnung höher
ist. Die Kontakte führen bei 50‐Hz‐Wechselstrom aufgrund ihrer vernachlässigbaren
Wärmekapazität 100‐Hz‐Temperaturzyklen aus. Dabei können die Maximaltemperaturen
noch deutlich größer als die mittlere Temperatur der Kontaktelemente sein.
Im Langzeitversuch waren nach 16 000 h Betriebszeit bei 180 °C und regelmäßigen simulierten
Steckvorgängen die Verbindungskräfte noch genügend groß, um die elektrischen
Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Allerdings führte bei einer Betriebstemperatur
von 105 °C ein thermisch instabiles Schmierfett zum vorzeitigen
elektrischen Ausfall eines Teils der Steckverbinder.