Zum Langzeitverhalten von Steckverbindungen mit Schraubenfedern in Anlagen der Elektroenergietechnik

Zum Verbinden der stromführenden Leiter in gasisolierten Schaltanlagen werden Steckverbindungen (Montageverbindung), mit versilberten Schraubenfedern aus CuCo2Be und CuCr1Zr als Kontaktelemente, eingesetzt. Die Schraubenfeder ist dabei ein schräg gewickeltes Federelement, das die Kontaktkraft in der Verbindung erzeugt und gleichzeitig den Strom leitet. Je größer die Kontaktkraft ist, desto geringer ist der Widerstand der Verbindung. Elektrische Verbindungen altern durch verschiedene Mechanismen (Spannungsrelaxation / Kriechen, Gleitverschleiß/ Fretting, Interdiffusion, Elektromigration und chemische Prozesse) abhängig von der mechanischen und thermischen Beanspruchung sowie der Zeit. Altern bedeutet dabei, dass mit der Zeit der Verbindungswiderstand größer wird. Bedingt durch den Aufbau der Steckverbindung und die verwendeten Leiter- und Kontaktmaterialien wird davon ausgegangen, dass Spannungsrelaxation im Schraubenfedermaterial und Gleitverschleiß zwischen den Verbindungselementen die dominantesten Alterungsmechanismen dieser Steckverbindungen sind. Um den Einfluss des Kraftabbaus auf das Langzeitverhalten der Verbindung zu untersuchen, wurden Langzeitversuche mit einer Modellverbindung zu diesen Steckverbindungen aufgebaut. Um eine Aussage zur Höhe der Kontaktkraft über z. B. 40 Jahre treffen zu können, wurde ein FEM - Modell für die Schraubenfeder erarbeitet, mit dem der Kraftabbau berechnet werden kann. Die dazu notwendigen Material- und Kriechparameter wurden experimentell für die Schraubenfedermaterialien CuCo2Be und CuCr1Zr ermittelt. Basierend auf den gewonnen experimentellen und theoretischen Kenntnissen wird davon ausgegangen, dass der Einfluss der Spannungsrelaxation auf das Langzeitverhalten der Steckverbindung sowohl mit CuCo2Be- als auch mit CuCr1Zr-Federn über 40 Jahre sehr gering ist. CuCo2Be und CuCr1Zr können als gleichwertiges Grundmaterial für Schraubenfedern in Hochspannungsanlagen betrachtet werden. Um den Einfluss der Gleitbewegungen auf das Langzeitverhalten der Verbindung zu untersuchen, wurde ein Versuchsstand („Tribometer“) aufgebaut, mit dem Gleitbewegungen von mehreren tausend Zyklen nachgebildet werden können. Die Untersuchungen zum Gleitverschleiß an Steckverbindungen mit Schraubenfedern zeigten, dass der Gleitverschleiß bis zu 30.000 Zyklen (˜ 80 Jahre) unter atmosphärischer Luft einen Einfluss auf den elektrischen Widerstand der Verbindung haben kann. Es wurde festgestellt, dass der Gleitverschleiß von der Temperatur der Verbindung abhängt. Kontaktfett als Gleitmittel in Steckverbindungen mit versilberten Kontaktflächen ist unbedingt notwendig, da sonst das Silber nach wenigen Bewegungszyklen von der Feder abgetragen wird. Es wurde im Verschleißund Widerstandsverhalten kein Unterschied zwischen CuCo2Be- und CuCr1Zr- Schraubenfedern festgestellt, da die Kontaktkräfte annähernd gleich groß waren.