Was eine geschraubte Stromschienenverbindung zuverlässig macht

Ein Stromschienenzug ist weitgehend ein gelöstes Problem. Die Schiene wird aus einem Strom heraus dimensioniert, die Erwärmung wird nachgewiesen, und das Metall tut, was Metall tut. Die Verbindungen sind der Ort, an dem die eigentliche Ingenieurarbeit steckt, und sie sind der Ort, an dem Schaltanlagen brennen. Vieles von dem, was über die Lebensdauer einer Verbindung entscheidet, ist in der Fertigung entschieden, bevor die Sammelschiene die Baustelle erreicht: wie eben die Verbindungsflächen sind, ob der Grat entfernt wurde, wie die Löcher hergestellt wurden und wie die Oberfläche dort aussieht, wo die beiden Schienen einander berühren.

Die scheinbare Kontaktfläche ist eine Fiktion

Zwei 50-mm-Schienen mit 70 mm Überlappung ergeben eine nominelle Kontaktfläche von 3500 mm². Nahezu nichts davon führt Strom.

Reale Oberflächen sind nicht eben. Aneinandergepresst berühren sich zwei Schienen nur an den Rauheitsspitzen, und Strom tritt nur dort über, wo diese Spitzen die Deckschichten durchdrungen und Metall-zu-Metall-Kontakt hergestellt haben. Das sind die leitenden Kontaktstellen, nach Holms Behandlung durchgängig a-spots genannt. Der Leitfaden der Copper Development Association zu Stromschienen setzt sie in der Größenordnung von 1 % der Überlappungsfläche an.

Messungen fallen weniger schmeichelhaft aus. Braunovics Arbeit zu überlappenden Schraubverbindungen hoher Leistung, 2002 in IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies veröffentlicht, berechnete das Verhältnis von tatsächlich leitender Fläche zu erwarteter Kontaktfläche für Verbindungen zwischen Anschlussstück und Sammelschiene mit vier und mit sechs Schrauben. Ohne Oberflächenvorbereitung ergab sich ein Verhältnis von 0,0003 % bis 0,0023 %. Spanend bearbeitet und geschmiert erreichte der günstigste Fall etwa 4 %. Selbst in der am sorgfältigsten vorbereiteten geprüften Verbindung taten 96 % der Kontaktfläche nichts.

Der zugrunde liegende Zusammenhang der Lastaufnahme ist einfach: Die Kontaktkraft F hängt mit der scheinbaren Fläche A und der Härte H über F = ξHA zusammen, und Holm zeigte, dass die Härte über H ≈ 3σy mit der Fließspannung zusammenhängt. Weicherer Werkstoff fließt bei geringerem Druck und liefert bei gleicher Schraubenlast mehr tatsächliche Kontaktfläche; deshalb stellt Aluminium leicht innigen Kontakt her, und deshalb hat Aluminium anschließend ein Kriechproblem.

Engewiderstand

Da der Strom nur an den a-spots übertreten kann, laufen die Stromlinien im Grundwerkstoff in jede Stelle hinein zusammen und aus ihr wieder auseinander. Diese Einschnürung ist für sich genommen ein Widerstand, unabhängig von jeder Deckschicht, und sie heißt Engewiderstand. Für eine einzelne kreisförmige Stelle mit Radius a zwischen zwei gleichen Metallen mit dem spezifischen Widerstand ρ:

Rc = ρ / 2a

Zwischen ungleichen Metallen wird daraus (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Der gesamte Kontaktwiderstand addiert den Fremdschichtwiderstand Rf = σ/πa², wobei σ der flächenbezogene Widerstand einer Oxid- oder Verunreinigungsschicht ist, durch die der Strom tunneln oder die er durch Fritten aufbrechen muss.

Auf den Nenner kommt es an. Der Engewiderstand skaliert mit dem Radius der Kontaktstelle und nicht mit ihrer Fläche; eine Verdopplung der Fläche einer Stelle senkt ihren Engewiderstand daher nur um etwa den Faktor 1,4, während eine Verdopplung der Anzahl der Stellen ihn halbiert. Deshalb ist die Oberflächenvorbereitung der wirksamere Hebel als das Anziehdrehmoment: Das Drehmoment vergrößert vorhandene Stellen, die Vorbereitung schafft neue.

Eine Zahl dazu. Kupfer mit 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m ergibt bei einem a-spot von 10 µm Radius für diese eine Stelle Rc = 862 µΩ. Tausend parallel ergäben 0,86 µΩ. Reale Verbindungen liegen darüber, weil eng benachbarte Stellen sich gegenseitig in ihren Stromfeldern stören und die Gruppe sich teilweise wie eine einzige größere Einschnürung verhält; die Größenordnung erklärt aber, warum eine gute Verbindung im einstelligen Mikroohm-Bereich liegt.

Zielwerte für den Kontaktdruck

Der Kontaktwiderstand fällt mit steigendem Kontaktdruck steil ab und hört dann auf zu fallen. Der Leitfaden der CDA wird konkret: Oberhalb von etwa 30 N/mm² gibt es kaum noch eine Verbesserung, unter 7 N/mm² ist in den meisten Fällen nicht ratsam, und Drücke über 10 N/mm² sind vorzuziehen. Eine unabhängige Arbeit zu Verbindungen an Kupferschienen prüfte 6 bis 36 MPa und fand einen Abfall des Kontaktwiderstands von etwa 16 µΩ bei 6 MPa auf etwa 11 µΩ bei 30 MPa, ohne nennenswerten Gewinn darüber hinaus.

Der Auslegungswert ist also ein Band und kein Maximum: irgendwo zwischen 10 und 30 N/mm², gemittelt über die Überlappung. Es ist ein Band und keine einzelne Zahl, weil der Druck über die Überlappung bei weitem nicht gleichmäßig ist.

Das Anziehdrehmoment bildet die Vorspannung ab, und zwar schlecht

Der Kontaktdruck lässt sich vor Ort nicht messen. Er wird aus dem Anziehdrehmoment erschlossen über:

T = K F D

wobei T das Drehmoment in Nm ist, F die Schraubenkraft in N, D der Schraubennenndurchmesser in m und K der Anziehbeiwert (nut factor), der von der Gewindereibung, der Oberflächengüte, der Beschichtung und dem Schmierzustand abhängt. Die CDA nennt 0,20 bis 0,22 trocken, 0,19 bis 0,21 mit einer Kontaktpaste und 0,15 bis 0,16 mit einem Molybdändisulfid-Grenzschichtschmierstoff. Rechnen Sie das an der von der CDA selbst tabellierten Anordnung für 50-mm-Schiene durch: 70 mm Überlappung, 3500 mm² Verbindungsfläche, zwei M12-Schrauben mit 45 Nm.

Derselbe Drehmomentschlüssel, dieselbe Einstellung, derselbe Monteur. Eine Streuung der Vorspannung von 47 %, und eine Verbindung, die je nachdem, ob jemand die Gewinde abgewischt hat, entweder bequem innerhalb des bevorzugten Bandes oder etwas darunter landet. Das ist noch vor der Kalibrierung des Schlüssels und der Anzugsreihenfolge. Die Drehmomentsteuerung ist nicht nutzlos, aber für sich allein liefert sie eine Verbindung, für die Sie keinen Kontaktdruck angeben können, und darin liegt ein großer Teil des Grundes, warum das empfohlene Band so breit ist.

Tellerfedern rechtfertigen sich thermisch

Der zweite Grund, warum die Vorspannung nicht dort bleibt, wo Sie sie eingestellt haben, ist die Temperatur.

IEC 61439-1 lässt an blanken Kupfersammelschienen eine Erwärmung von 105 K zu; eine Schiene bei 35 °C Umgebungstemperatur darf also zulässigerweise bei 140 °C liegen. Die Schraube, die hindurchgeht, hat weder dieselbe Temperatur noch denselben Ausdehnungskoeffizienten. Kupfer liegt bei etwa 16,5 × 10⁻⁶ je °C, hochfester Stahl bei 11,1 × 10⁻⁶, Aluminiumbronze CW307G bei 16,2 × 10⁻⁶.

Mit einer Stahlschraube durch eine Kupferverbindung dehnt sich das Kupfer stärker als die Schraube, die Schraubenkraft steigt also mit der Erwärmung der Verbindung. Das klingt hilfreich und ist es nicht. Die CDA verlangt, dass die höchste Schraubenkraft an jeder Stelle des Arbeitsbereichs unter 95 % der Dehngrenze bleibt, denn eine über die Dehngrenze hinaus beanspruchte Schraube kehrt nicht zurück, und beim Abkühlen ist die Verbindung lockerer als zu Beginn. Wiederholen Sie das zehn Jahre lang täglich, und die Verbindung relaxiert auf null.

Zwei Auswege. Verwenden Sie eine Schraube, deren Ausdehnung zu Kupfer passt — das ist das Argument für CW307G mit 16,2 × 10⁻⁶ gegenüber 16,5 beim Kupfer, eine Differenz, die klein genug ist, dass sich die Schraubenkraft kaum bewegt. Oder behalten Sie die Stahlschraube und setzen Sie eine Tellerfeder in den Schraubenverband, nach Höhe und Federrate so ausgelegt, dass die Wärmedehnung die Feder zusammendrückt statt die Schraube zu längen.

Tellerfedern werden üblicherweise als Maßnahme gegen Vibration verkauft. Das ist hier nicht ihre Aufgabe. Sie sind ein Nachgiebigkeitselement, das aus einer steifen Schraubverbindung mit kurzem Federweg eine weichere macht, sodass wenige Hundertstelmillimeter Ausdehnungsdifferenz nicht zu einer großen Laständerung werden. Braunovics Verbindungen verwendeten dicke Flachscheiben von 3 bis 4 mm mit dem 1,4-Fachen des Tellerfederdurchmessers, damit sich die Federkante nicht eingräbt.

Was die Oberflächenvorbereitung tatsächlich wert ist

Braunovic maß den Kontaktwiderstand der Verbindung an identischer Hardware, wobei nichts außer der Oberflächenbehandlung verändert wurde. Verbindungen mit vier und mit sechs Schrauben, 60 Nm, Tellerfedern, 150 A Gleichstrom, Mittelwert der Messwerte über eine Stunde.

Das sind Anschlussflächen aus Aluminium gegen eine Sammelschiene aus Aluminium; übertragen Sie die Absolutwerte also nicht auf eine Kupferverbindung. Es kommt auf die Verhältnisse an. Zwischen einer Oberfläche im Anlieferungszustand und einer spanend bearbeiteten und geschmierten fiel der Kontaktwiderstand an derselben Hardware um den Faktor 24 bei der Ausführung mit vier Schrauben und um den Faktor 70 bei der mit sechs. Nichts, was Sie mit einem Drehmomentschlüssel tun können, kommt dem nahe.

Spanend bearbeitete Oberflächen schnitten außerdem besser ab als drahtgebürstete; zurückgeführt wird das auf die gleichmäßige Höhe und den gleichmäßigen Abstand der Bearbeitungsriefen, die eine besser beherrschbare tragende Fläche ergeben. Achten Sie auf die Richtung dieser Aussage: Eine gezielt aufgeraute Oberfläche schlägt eine glatt polierte, weil scharfe Rauheitsspitzen Oxidschichten bei sehr viel geringerer Last durchdringen als stumpfe. Eine Verbindungsfläche auf Hochglanz zu polieren wirkt dem Ziel entgegen.

An mehreren Stellen finden Sie außerdem die Angaben „blankes Kupfer 3 bis 5 µΩ, leichter Anlauf 15 bis 25 µΩ, starke Oxidschicht 50 bis 200 µΩ“ zitiert. Wir konnten sie auf keine Primärmessung zurückführen, und eine Angabe zum Kontaktwiderstand bedeutet ohne Verbindungsgeometrie, Schraubenzahl und Prüfstrom daneben nichts. Behandeln Sie sie als Veranschaulichung der Reihenfolge und nicht als Auslegungsdaten.

Beschichten: vier Möglichkeiten, vier verschiedene Ausfallmechanismen

Blankes Kupfer ist der Ausgangsfall, und ein besserer, als die meisten annehmen. Kupfer oxidiert langsam, und die entstehende Schicht ist halbleitend statt isolierend, weil Kupferionen in sie hineindiffundieren und die Leitung in beiden Richtungen abläuft. Die CDA empfiehlt für Kupfer-auf-Kupfer-Verbindungen keine Beschichtung, sofern die Umgebung sie nicht verlangt, und zwar aus einem Grund, der viele überrascht: Beschichtungswerkstoffe sind weich, und eine weiche Schicht kann in der Wärme fließen und den Kontaktdruck verringern. Blankes Kupfer braucht allerdings eine Kontaktpaste, die die Hohlräume zwischen den a-spots füllt und Sauerstoff und Feuchtigkeit fernhält. Vaseline funktioniert, und Silikon-Vakuumfett funktioniert bei höheren Temperaturen.

Zinn ist günstig und sein Oxid lässt sich unter Druck leicht aufbrechen, es ist aber weich, kriecht daher unter Dauerdruck und wird durch Reibkorrosion leicht geschädigt. Reines Zinn bildet Whisker, die vorübergehende Kurzschlüsse verursachen können; die CDA rät deshalb davon ab, und die Zinn-Blei-Legierungen, die das früher gelöst haben, stehen aus Umweltgründen nicht mehr zur Verfügung. Kupfer-Zinn-Intermetallphasen wachsen mit der Temperatur an der Grenzfläche und leiten schlechter als beide Grundmetalle; damit hat Zinn von den vieren die niedrigste Einsatzgrenze.

Elektrisch schneidet Silber unter diesen vier Möglichkeiten am günstigsten ab. Sein Oxid ist leitfähig und dünn genug, um unter Kontaktdruck verdrängt zu werden, und es ist von den vieren bis zu den höchsten Temperaturen einsetzbar. Es ist teuer, und es ist falsch in schwefelhaltigen Atmosphären, in denen sich leicht Silbersulfid bildet: Papierfabriken, Kläranlagen, alles in der Nähe einer Raffinerie.

Nickel ist die von der CDA bevorzugte Allzweckbeschichtung: günstig, beständig und hart genug, um die Handhabung bei der Montage zu überstehen. Der Preis dafür ist elektrisch. Nickeloxid ist zäh und braucht hohen Kontaktdruck, um durchbrochen zu werden; eine vernickelte Verbindung, die am unteren Ende des Bandes montiert wird, leistet daher nicht, was sie soll, und Nickel verhält sich bei hoher Luftfeuchte schlecht.

Metallische Beschichtungen sind dünn, typischerweise 2 bis 5 µm, und schützen nur, wenn sie durchgehend sind. Eine Pore in korrosiver Umgebung ist schlechter als gar keine Beschichtung, weil sie den Angriff konzentriert.

Paarung mit Aluminium

Kupfer und Aluminium bilden in direktem Kontakt bei vorhandenem Elektrolyt ein galvanisches Element, und das Aluminium ist die geopferte Hälfte. Die Standardelektrodenpotentiale betragen +0,34 V für Kupfer und −1,66 V für Aluminium gegen die Standard-Wasserstoffelektrode. In einem trockenen, dichten Innenraumschrank kommen Sie damit möglicherweise jahrelang durch; in feuchter oder küstennaher Umgebung nicht. Die Abhilfen, nach steigenden Kosten geordnet, sind eine Verbindungspaste, die die Grenzfläche gegen Feuchtigkeit abdichtet, eine Verzinnung, sodass die Verbindungsflächen gleichartig sind, oder eine reibgeschweißte oder sprengplattierte bimetallische Übergangsplatte, die die Grenzfläche zwischen ungleichen Metallen in die Fertigung verlagert. Die Unterschiede in der Bearbeitung der beiden Werkstoffe reichen weiter als die Verbindung.

Reibkorrosion und Relaxation: wie gute Verbindungen schlecht werden

Zwei langsame Mechanismen erklären die meisten Verbindungen, die die Inbetriebnahme bestehen und Jahre später ausfallen.

Reibkorrosion ist eine Oberflächenschädigung durch sehr kleine Schwingbewegungen an der Grenzfläche, und die Amplituden sind erstaunlich klein. Auslenkungen unter 100 nm genügen, um sie einzuleiten, und weil ein Schlupf unterhalb von etwa 125 µm den Abrieb nicht aus der Kontaktzone hinausbefördern kann, bleiben oxidierte Verschleißpartikel liegen und bauen sich zu einer dicken, isolierenden Zwischenschicht auf. Der Kontaktwiderstand steigt dann steil in Richtung Unterbrechung. Die Schwingung stammt aus Vibration, aus unterschiedlicher Wärmedehnung oder schlicht daraus, dass sich die Verbindung mit dem Lastwechsel erwärmt und wieder abkühlt.

Kriechen und Spannungsrelaxation sind der andere. Kriechen ist eine Maßänderung unter Dauerlast; Spannungsrelaxation ist der Verlust an Kontaktdruck ohne Maßänderung, indem elastische Dehnung in plastische übergeht. Beide hängen von Zeit, Temperatur und Spannung ab, und beide sind bei Aluminium deutlich ausgeprägter. Der Vergleich der CDA benennt den Unterschied klar: Weichgeglühtes Aluminium 1080 zeigt bei 20 °C eine minimale Kriechgeschwindigkeit von 0,022 % je 1000 Stunden bei 26 N/mm², während weichgeglühtes Kupfer hoher Leitfähigkeit diese Geschwindigkeit bei gleicher Spannung erst erreicht, wenn es auf 150 °C erwärmt wird.

Das ist das Verbindungsproblem des Aluminiums in einem Satz. Bei Raumtemperatur kriecht Aluminium unter dem üblichen Kontaktdruck an der Stromschiene bereits mit einer Geschwindigkeit, die Kupfer erst weit oberhalb seines Einsatzbereichs erreicht. Geschraubte Aluminiumverbindungen brauchen Tellerfedern als Standardpraxis und nicht als Zusatzausstattung, und sie brauchen Nachzieh-Intervalle, die Kupferverbindungen nicht brauchen.

Wo die Fertigung ins Spiel kommt

Zuerst die Ebenheit. Braunovic führte das schlechte Verhalten ungeschlitzter Verbindungen auf den Versatz zwischen steifen Schienen zurück: Manche Bereiche tragen hohe Spannung und fließen, andere berühren sich kaum, und die tragende Fläche fällt am Ende klein aus. Eine Schiene mit 1 mm Verwindung über ihre Länge liegt nicht flach an ihrer Nachbarschiene an, gleich welches Drehmoment Sie aufbringen.

Dann der Grat. Ein Grat an der Kante eines gestanzten Lochs ist aufgeworfenes Metall, das über die Verbindungsfläche hinaussteht. Er hält die Schienen rund um das Loch auseinander, genau dort, wo die Schraube ihren Druck aufbringt, und macht aus dem Flächenkontakt einen Ringkontakt auf dem Grat. Die Entgratmaschine BND800-2 bearbeitet Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke und 100 bis 800 mm Breite mit 5 bis 30 m/min, schnell genug, dass das Entgraten jeder Schiene eine Frage der Ablaufplanung ist und kein Engpass.

Die Lochqualität ergibt sich aus demselben Arbeitsgang. Stanzen mit richtigem Schneidspalt hinterlässt eine saubere Lochwand und einen kleinen, gleichmäßigen Austrittsgrat; zu großer Schneidspalt hinterlässt eine ausgerissene Kante und einen großen Grat. Auch die Lage der Löcher ist elektrisch von Bedeutung: Die Löcher sollten in einer Linie längs der Verbindung liegen, da ein Versatz den Stromfluss stärker stört, und der bestimmende Term im Wirkungsgrad der Verbindung ist der durch die Löcher verlorene Querschnitt. DIN 43673-1 legt Lage und Größe der Löcher fest und ist ein besserer Ausgangspunkt als eine Werksnorm.

An den Verbindungsflächen wollen Sie eine gleichmäßige, beherrschte Rauheit statt einer Politur und eine definierte Kante an der Grenze der Überlappung, wo eine scharfe Ecke sowohl eine Spannungsüberhöhung in der Druckverteilung als auch eine Stelle der Feldkonzentration ist. Die zweite Folge ist Gegenstand von Anfasen und Kantenradius an Stromschienen.

Die Geometrie der Überlappung ist der letzte Punkt. Der Nachteil aus der Stromverdrängung an einer überlappten Verbindung, der Streamline-Effekt, fällt rasch ab, während das Verhältnis von Überlappung zu Dicke auf etwa 2 steigt, und flacht dann ab. Sehr lange Überlappungen bringen nichts; Sie brauchen so viel Länge, wie die Schrauben benötigen, die den Kontaktdruck erzeugen. Zwei Geometrieänderungen sind beim Stanzen kostenlos zu haben. Die Schienenenden unter weniger als 45° anzuschrägen senkt den anfänglichen Übergangswiderstand um rund 15 % und verlangsamt den Anstieg des Widerstands unter Stromwechselbelastung um den Faktor 1,3 bis 1,5. Ein in beide Schienen eingebrachter Längsschlitz verringert den Kontaktwiderstand um 30 bis 40 %, indem er den Druck über die einzelnen Stege vergleichmäßigt. Beides ist auf der Stanz- und Schneidlinie billiger herzustellen als hinterher zu erklären.

Eine Verbindung mit einem Wirkungsgrad unter 100 % wird wärmer als die Schiene um sie herum, und in einem Schrank voller Verbindungen summiert sich diese Wärme. Der Rechner für die Strombelastbarkeit liefert die thermische Grundlinie der Schiene, und das ist das Budget, innerhalb dessen die Verbindungen bleiben müssen.