Elektrisch-thermisches Betriebs- und Langzeitverhalten hochstromtragfähiger Kontaktelemente

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. Es wurden Rechenmodelle für die innere Erwärmung von Hochstrom-Kontaktsystemen im stationären Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische Langzeitverhalten im Temperaturbereich von 105 °C bis 180 °C wurde experimentell mit stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden mit Kontaktelementen und Leitern aus versilbertem Kupfer durchgeführt. Beim stationären Dauerbetrieb treten im Kontaktelement maximal 3 K höhere Temperaturen auf als in den kontaktierten Leitern. Bei der Belastung mit Kurzschlussstrom findet dagegen eine transiente Erwärmung statt, bei der die mittlere Endübertemperatur des Kontaktelements eine Größenordnung höher als die der Leiter ist. Aufgrund ihrer vernachlässigbaren Wärmekapazität können die Kontakte dabei kurzzeitig nochmals deutlich höhere Temperaturen erreichen. Im Langzeitversuch waren die Verbindungskräfte nach 16.000 Betriebsstunden noch genügend groß, um die elektrischen Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Bei einem Teil der Steckverbinder führte allerdings ein thermisch instabiles Schmierfett zum elektrischen Ausfall.