Kröpfen, Aufweiten, Verbindungslasche: wie eine Schienenverteilerverbindung entsteht

Fast alles, was über Schienenverteiler veröffentlicht wird, beschreibt das fertige System: Bemessungswerte, Abgangskästen, IP-Klasse, Montagefolge. Kaum etwas beschreibt, wie die Verbindung tatsächlich geformt wird, und das ist merkwürdig, denn die Verbindung ist der Teil, den ein Fertiger herstellen muss, und der Teil, der darüber entscheidet, ob der Strang die Erwärmungsprüfung besteht. Drei Umformvorgänge machen aus glattem Leitermaterial Schienenverteilerenden: die Kröpfung, die Aufweitung und die Verbindungslasche. Im Folgenden steht, was jeder davon leistet und was er von der Maschine verlangt, die ihn ausführt.

Der Stapel hat im Strang eine andere Teilung als an der Verbindung

Der Sandwich-Schienenverteiler legt seine Stromschienen Fläche an Fläche, mit einer dünnen Isolierfolie dazwischen. Genau darauf zielt die Bauweise: Ein kleinstmöglicher Abstand bedeutet eine kleine Schleifenfläche, und das bedeutet geringe Reaktanz und einen kleinen Spannungsfall auch bei schlechtem Leistungsfaktor. In einem vierpoligen Strang mit 6-mm-Schienen und 0,5 mm Isolierung liegen die Leitermitten etwa 6,5 mm auseinander.

An der Verbindung lässt sich dieser Abstand nicht halten. Jedes Leiterpaar muss zwischen zwei leitenden Laschen geklemmt werden, und das Laschenpaar jeder Phase muss von der nächsten Phase durch einen Isolator getrennt sein, der dick genug ist, um die Luft- und Kriechstrecken einzuhalten, die die Konstruktion erklärt. Die Leiterteilung innerhalb eines Verbindungsblocks beträgt üblicherweise das Drei- bis Vierfache der Teilung im Strang. Die Leiter müssen daher zum Verbindungsende hin auseinandergedrückt werden, jeder um ein anderes Maß, und jeder muss genau auf der Höhe ankommen, die der Verbindungsblock erwartet.

Diese Verschiebung ist die Kröpfung. Sie besteht aus zwei gekoppelten Biegungen in derselben Richtung, die die Schiene von ihrer Strangebene in ihre Verbindungsebene versetzen und dabei die beiden Flächen parallel lassen. Schiene A geht 9 mm nach oben, Schiene B 3 mm nach oben, Schiene C 3 mm nach unten, Schiene D 9 mm nach unten. Die Zahlen hängen vollständig vom Verbindungsblock ab, das Muster ist aber symmetrisch zur Mittellinie des Stapels, und die Endflächen enden sämtlich auf dem Bezug, den der Block festlegt. Ist der Versatz einer Schiene um einen halben Millimeter falsch, gehen ihre Verbindungslaschen schief hinein, der Tellerfederstapel wird ungleichmäßig belastet, und diese Phase läuft über die gesamte Lebensdauer des Strangs wärmer als die anderen drei.

Umformkraft beim Kröpfen

Die Kröpfung sieht auf einer Zeichnung klein aus und ist an der Presse nicht klein. Zwei Dinge bestimmen die Kraft. Das erste ist der Querschnitt: Die Biegekraft skaliert mit der Breite und mit dem Quadrat der Dicke. Das zweite wird häufiger unterschätzt. Die beiden Biegungen einer Kröpfung liegen dicht beieinander, die wirksame Matrizenöffnung ist also kurz, und eine kurze Stützweite verlangt für eine gegebene Durchbiegung eine hohe Kraft, so wie ein kurzer Träger mehr Last braucht als ein langer.

Eine Überschlagsrechnung macht es deutlich. Nehmen Sie 300 mm × 6 mm Cu-ETP im halbharten Zustand, R240/H065 nach EN 13601, Zugfestigkeit 240–300 N/mm². Die Zugtragfähigkeit des vollen Querschnitts dieser Schiene liegt bei rund 480 kN. Örtliches plastisches Biegen braucht einen Bruchteil davon, aber keinen kleinen Bruchteil, sobald die Matrizenöffnung kurz ist und der Werkstoff durch die erste Biegung kaltverfestigt ist, bevor die zweite beginnt. Eine Umformmaschine für Schienenverteiler mit 300 kN an der Kröpfstation, wie die Linie EMAC-BDM, ist genau darauf ausgelegt: wiederkehrende Versätze in breitem, hartem Kupfer, ohne dass sich der Stößel so weit durchbiegt, dass sich der Versatz von einer Schiene zur nächsten ändert.

Die Rückfederung wiegt hier ebenso schwer wie beim gewöhnlichen Biegen von Stromschienen, und sie ist schwerer zu kompensieren. Eine einzelne Biegung hat einen Winkel zu korrigieren. Eine Kröpfung hat zwei Biegungen, deren Rückfederung sich teilweise aufhebt, und der Rest äußert sich als Versatzfehler und nicht als Winkelfehler; der Bediener sieht also eine Schiene, die schlecht passt, und nicht eine Schiene, die sichtbar im falschen Winkel steht. Deshalb werden Kröpfversätze als programmiertes Maß gegen einen Anschlag eingestellt und nicht nach Augenmaß nachgearbeitet.

Die Aufweitung ist eine Einführhilfe, keine zweite Kröpfung

Die Kröpfung legt fest, wo die Schiene sitzt. Die Aufweitung ist eine flache Winkelbiegung an der äußersten Spitze des Leiters, die sich von der Mittellinie der Verbindung weg öffnet, und ihre Aufgabe ist es, die Schiene ihren Schlitz finden zu lassen. Die Montage einer Schienenverteilerverbindung vor Ort bedeutet, die blanken Leiterenden eines Abschnitts in den Block zu schieben, der am Nachbarabschnitt bereits sitzt — über Kopf, auf einer Hebebühne, oft in ungünstiger Lage. Ohne eine Einführschräge hakt die Schiene an der Kante der Verbindungslasche oder am Isolator, der Monteur drückt sie mit Gewalt hinein, und das verkratzt die Beschichtung und treibt Kupferspäne in die Verbindung.

Die Begriffe schwanken von Hersteller zu Hersteller. Manche nennen den gesamten Vorgang der Endenbearbeitung Aufweiten, manche behalten das Aufweiten der Spitzenschräge vor und das Kröpfen dem Versatz, und manche Maschinenkataloge verwenden beide Wörter für dieselbe Station. In der Fertigung zählt, dass die beiden Merkmale unterschiedliche Toleranzen haben. Der Versatz ist ein Passmaß und muss auf wenige Zehntelmillimeter gehalten werden. Der Aufweitwinkel ist ein Handhabungsmerkmal, und ein Grad in die eine oder andere Richtung ändert nichts; deshalb erzeugen Maschinen ihn üblicherweise über einen programmierbaren Winkel statt über ein eigenes Werkzeug. An der EMAC-BDM beträgt der Aufweithub 30 mm bei im Programm eingestelltem Winkel, sodass ein Wechsel des Verbindungsblocks keinen Werkzeugwechsel bedeutet.

Eine Folge für die Fertigungsplanung: Weil der Leiter in derselben Aufspannung auf Länge geschnitten und umgeformt wird, sind der Längenbezug und der Versatzbezug derselbe. Finden Schnitt und Umformung auf getrennten Maschinen mit getrennten Vorrichtungen statt, fügt jeder Umsetzvorgang einem Maß, das keinerlei Spiel hat, einen weiteren Toleranzanteil hinzu.

Verbindungslaschen und die Folge Stanzen, Strecken, Schneiden

Die Verbindungslasche (Stoßlasche, Verbinderplatte oder Verbindungsschiene, je nachdem, wessen Zeichnung Sie lesen) ist der leitende Streifen, der den Spalt zwischen zwei stumpf aneinanderstoßenden Leitern überbrückt und den Strom über die Verbindung führt. In einer Stumpfverbindung führt sie über die Länge der Überlappung den vollen Phasenstrom; damit sind ihr Querschnitt, ihre Beschichtung und ihre Ebenheit elektrische und keine mechanischen Größen.

Der Werkstoff ist üblicherweise dieselbe Legierung wie der Leiter, Cu-ETP bei Kupfersystemen, in geringerer Dicke: 3 bis 4,5 mm ist das gebräuchliche Band, gegenüber 5 bis 10 mm für den Leiter selbst. Aluminiumsysteme verwenden aus demselben Grund Aluminiumlaschen. Eine Kupferlasche an einer Aluminiumschiene setzt eine Paarung ungleicher Metalle an die wärmste und am schlechtesten zugängliche Stelle des Strangs.

Die Umformfolge auf einer eigenen Maschine für Verbindungslaschen lautet Stanzen, Strecken, Schneiden. Der mittlere Arbeitsgang trägt mehr konstruktive Absicht, als sein Name vermuten lässt.

Stanzen bringt das Durchgangsloch für die Schraube durch den Streifen. Gewöhnliche Stanzarbeit, nur dass die Lochlage das einzige selbstzentrierende Merkmal der Verbindung ist; ihre Toleranz ist damit die Toleranz der gesamten Baugruppe.

Strecken, mitunter Ausbeulen oder Prägen genannt, zieht eine erhabene Warze um das Loch herum oder neben ihm aus der Lasche heraus. Diese Warze ist ein Abstandhalter. Stehen sich zwei Laschen mit einander berührenden Warzen gegenüber, legt die Warzenhöhe den Spalt zwischen ihnen fest, und dieser Spalt ist der Schlitz, in den der Leiter eintritt. Sie wirkt außerdem als fester Anschlag gegen zu tiefes Einschieben, sodass ein Monteur eine Schiene nicht so weit hineindrücken kann, dass sie den Phasenisolator hinter der Lasche zerdrückt. Das Verfahren ist alt und gut dokumentiert: Das US-Patent 5760339 beschreibt Abstandslaschen, die aus dem beim Lochen verdrängten Werkstoff geformt werden und den Laschenabstand halten sowie die Einschubtiefe genau auf diese Weise begrenzen. Den Abstandhalter aus der Lasche selbst zu formen nimmt ein eigenes Teil aus der Stückliste und einen eigenen Toleranzanteil aus der Toleranzkette.

Schneiden trennt die fertige Lasche vom Streifen ab. Weil der Streifen durchlaufend bearbeitet und zuletzt geschnitten wird, entsteht zwischen den Laschen kein Abschnitt.

Warum sich die Teilungsgenauigkeit der Löcher aufsummiert

Eine eigene Maschine für Verbindungslaschen wird nach der Teilungsgenauigkeit der Löcher spezifiziert und nicht nach der Kraft, und der Grund ist der aufsummierte Fehler.

Nehmen Sie zuerst den Fall innerhalb der Verbindung. Alle Laschen in einem Verbindungsblock teilen sich eine Schraube. Sitzt das Loch einer Lasche 0,3 mm neben der Sollposition, kann sich diese Lasche nicht auf der Schraube zentrieren, und die Tellerfedern belasten sie außermittig. Der Übergangswiderstand einer geschraubten Sammelschienenverbindung wird von der wirklichen Kontaktfläche an den Rauheitsspitzen bestimmt, und die ist ein kleiner Bruchteil der scheinbaren Überlappungsfläche; diese wirkliche Fläche wiederum wird davon bestimmt, wie sich die Pressung verteilt. Verkanten Sie die Pressung, verlieren Sie auf der einen Seite der Lasche schneller Kontakt, als Sie auf der anderen gewinnen. Die Verbindung lässt sich weiterhin montieren, besteht weiterhin eine Durchgangsprüfung und läuft einige Kelvin wärmer als ihre Nachbarn. Über eine in Jahrzehnten von Lastwechseln gemessene Nutzungsdauer ist das der Weg, auf dem Verbindungen altern.

Nun der Fall über den Strang. Ein Schienenverteiler wird gegen die Gebäudegeometrie ausgelegt: Der Strang beginnt an einer Schaltanlage und endet an einem festen Punkt, und die Summe aller Abschnittslängen plus aller Verbindungsspalte muss auf diesem Punkt landen. Ein Streifen, der mit ±0,1 mm/m bearbeitet wird, summiert über eine Länge von 6 m von Ende zu Ende höchstens 0,6 mm auf. Eine Maschine, die ±0,5 mm/m hält, summiert über denselben Streifen 3 mm auf. Über einen Strang von 60 m aus Abschnitten von 3 m sind das rund zwanzig Verbindungen. Ist der Fehler systematisch und nicht zufällig, wandert der Strang um das Zwanzigfache des Fehlers je Abschnitt in dieselbe Richtung, und ein Maschinenfehler ist meist systematisch, weil er aus einer Gewindespindel oder einem Geber stammt und nicht aus Rauschen. Sechs Millimeter Wanderung nimmt das Spiel der Verbindung auf. Dreißig nicht, und der letzte Abschnitt passt nicht mehr.

Der Grund, besser als ±0,1 mm/m zu halten, ist also arithmetisch: Es hält den aufsummierten Fehler innerhalb des Verbindungsspiels, mit dem der Block konstruiert wurde.

Montage: die Verbindung mit einer Schraube

Moderne Schienenverteilerverbindungen sind als Einschraubenverbindungen ausgeführt. Eine hochfeste Schraube durchdringt den gesamten Stapel — Isolator, Lasche, Leiter, Lasche, Isolator, Phase für Phase —, und ein einziger Anziehvorgang verpresst jede Kontaktfläche der Verbindung. Veröffentlichte Werte großer Sandwich-Schienenverteilerbaureihen geben die Klemmkraft dieser einen Schraube mit über 4000 lbf an, also rund 18 kN, über die Kontaktflächen verteilt durch großdurchmessrige, gewölbte Kegelfederscheiben. Oberhalb von etwa 2000 A gehen dieselben Baureihen auf zwei oder drei Schrauben über, eine je Leitergruppe, weil eine einzelne Schraube die Pressung über den breiteren Leiter nicht mehr gleichmäßig verteilen kann.

Die Schraube ist üblicherweise eine Abreißmutter mit zwei Köpfen. Der äußere Kopf ist so gearbeitet, dass er bei einem festgelegten Drehmoment abreißt und den inneren Kopf zurücklässt; eine Begehung kann damit bestätigen, dass jede Verbindung eines Strangs richtig angezogen wurde, ohne Drehmomentschlüssel und ohne Kalibriernachweis für diesen Schlüssel. Manche Ausführungen ergänzen eine farbige Anzeigescheibe, die abfällt, wenn der Kopf abreißt.

Nichts davon hilft, wenn die Teile, die in den Block laufen, außerhalb der Toleranz liegen. Der Verbindungsblock setzt einen Leiter auf bekannter Höhe mit bekannter Beschichtung voraus, eine Verbindungslasche mit einem Loch an bekannter Stelle und einer Warze bekannter Höhe, und Flächen, die eben genug sind, dass die Pressung aus einer Schraube sie alle erreicht.

Wo die Normen stehen

Zwei Dokumente rahmen den Schienenverteiler in den meisten Ausschreibungen ein, und sie überschneiden sich nicht so, wie man annimmt.

UL 857 ist die nordamerikanische Produktnorm für Schienenverteiler. Ihr Anwendungsbereich reicht bis 600 V und 6000 A und erfasst Schienenverteiler für Hausanschluss, Steig- und Endstromkreise. Der Nachweis erfolgt über eine NRTL-Listung mit Nachinspektion im Werk; das bedeutet, dass die geprüfte Bauweise die Bauweise ist, die Sie weiterhin zu bauen verpflichtet sind. NEMA BU 1 steht als Produktnorm daneben und erfasst zusammen mit BU 1.1 Handhabung und Errichtung von Schienenverteilern ab 100 A.

IEC 61439-6

ist der Teil der Reihe IEC 61439 über Schienenverteilersysteme. Prüfen Sie ihren Anwendungsbereich, bevor Sie sie zitieren. Sie gilt für Schienenverteilersysteme bis 1000 V AC oder 1500 V DC und nennt, anders als UL 857, keine Stromobergrenze. Auch sie kann nicht allein verwendet werden: Sie ist als Ergänzung zu IEC 61439-1 geschrieben und ist zusammen mit dieser zu lesen, so wie IEC 61439-2 auch. Sie hat IEC 60439-2 ersetzt und den Schienenverteiler auf die Nachweisstruktur gebracht, die die übrige Reihe verwendet: Prüfung, Berechnung oder Vergleich mit einer nachgewiesenen Referenzkonstruktion. Für einen Fertiger ist die praktische Folge dieses dritten Weges, dass Ihr Verfahren wiederholgenau genug sein muss, damit die gelieferten Einheiten mit der nachgewiesenen vergleichbar sind. Die Verpflichtung landet in der Fertigung und nicht bei der Dokumentenverwaltung.

Keine der beiden Normen sagt Ihnen, wie eine Kröpfung zu formen ist. Beide machen die Folgen einer schlecht geformten Kröpfung zu Ihrem Problem.

Was die Last aus dem Rechenzentrum mit der Verbindung macht

Verbindungen im Schienenverteiler waren in einer Verteilungsplanung früher ein Nebenschauplatz mit kleinen Strömen. Das hat sich geändert. Während die Racks von einer Ausgangsgröße von 5–15 kW auf KI-optimierte Schränke mit 60, 80 und über 100 kW gehen, sind Bemessungswerte von 400 A dauernd und darüber an Abgängen und Verbindungen gewöhnlich geworden statt außergewöhnlich. Eine Verbindung, die ihr Leben bei 400 A statt bei 100 A verbringt, setzt bei gleichem Übergangswiderstand die sechzehnfache Leistung um, im selben gekapselten Volumen, mit demselben Isolator daneben.

Das ändert, was ein Fertiger beherrschen muss. Die Beschichtung der Kontaktflächen ist keine Position mehr, die man aus Kostengründen streicht. Die Ebenheit der Verbindungslasche ist keine Frage der Optik mehr. Und die Erwärmungsreserve, die früher eine nachlässige Verbindung aufgefangen hat, gibt es nicht mehr. Wenn Sie sehen wollen, wie schnell sich die Leitertemperatur bei einem gegebenen Querschnitt mit dem Strom bewegt, macht der Rechner für die Strombelastbarkeit den Zusammenhang I²R greifbar.