Langzeitverhalten elektrotechnischer Verbindungen unter Berücksichtigung des Kriechens der Leitermaterialien
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Abschlussarbeit Buch |
| Sprache: | German English French |
| Veröffentlicht: |
Düsseldorf
VDI Verl.
2008
|
| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Fortschrittberichte VDI
Reihe 21, Elektrotechnik ; 381 |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
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Inhalt
FORMELZEICHEN IX
ABSTRACT XVI
RESUME XVII
1 EINLEITUNG 1
2 GRUNDLAGEN ZU ELEKTRISCHEN VERBINDUNGEN UND IHRER
alterung 2
2.1 Definition 2
2.2 Verbindungsflächen 2
2.3 Verbindungswiderstand und Gütefaktor 3
2.4 Alterungsmechanismen elektrischer Verbindungen 4
2.4.1 Materialwanderimg 6
2.4.2 Reibkorrosion 8
2.4.3 Elektrochemische Korrosion und chemische Reaktionen 9
2.4.4 Kriechen des Leitermaterials 12
3 AUFGABENSTELLUNG 18
4 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER VERFORMUNG VON METALLEN 21
4.1 Rheologische Modelle und Materialgesetze 21
4.2 Kristallstruktur der Metalle 22
4.2.1 Elementarzellen 22
4.2.2 Gitterfehler 23
4.2.3 Rekristallisation und Erholung 26
4.2.4 Textur 28
4.3 Elastische und plastische Verformung von Metallen 29
4.4 Kriechen von Metallen 32
4.4.1 Kriechkune 33
4.4.2 Kriechmechanismen. Verformungsmechanismus-Diagramme und
Kriechgesetze 34
4.4.3 Kriechen von Legierungen: 40
4.4.4 Kriechen von Aluminium und Aluminiumlegierungen 40
4.4.5 SpannungsrelcLxation 42
VI
5 MESSUNG DES VERLAUFS DER VERBINDUNGSKRAFT UND DES
VERBINDUNGSWIDERSTANDS IN ELEKTROTECHNISCHEN
VERBINDUNGEN 44
5.1 Untersuchungsgegenstand 44
5.2 Schraubenkraft und Anziehdrehmoment 49
5.3 Messzeuge zur Messung der Verbindungskraft und des
Verbindungswiderstands 53
5.4 Versuchsaufbauten 57
5.5 Thermisches Verspannen in elektrotechnischen Verbindungen 60
5.6 Verlauf der Verbindungskraft abhängig von der Verbindungstemperatur
63
5.7 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Leitermaterial 65
5.8 Verlauf der Verbindungskraft abhängig von der Verbindungsgeometrie. 68
5.9 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Nachverspannen der
Verbindungen 70
5.10 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Einsatz von Spannscheiben. 71
5.11 Verlauf der Verbindungswiderstände 72
6 BERECHNUNG DES VERLAUFS DER VERBINDUNGSKRAFT IN
ELEKTROTECHNISCHEN VERBINDUNGEN 75
6.1 Mechanische Spannungsverteilung in elektrotechnischen Verbindungen. 75
6.1.1 Stromschienenverbindung mit Rechteckquerschnitt 77
6.1.2 Stromschienenverbindung mit Kreisringquerschnitt
6.1.3 Seilleiterverbindungen 79
6.2 Experimentelle Bestimmung der Kriechparameter von Al-Leiter- und
Al-Klemmenmaterialien 80
6.2.1 Druckversuche 8/
6.2.2 Zugversuche ^
6.3 Verlauf der mechanischen Spannungsverteilung und der
Verbindungskraft 90
7 MESSUNG DES VERBINDUNGSWIDERSTANDS ABHÄNGIG VON DER
VERBINDUNGSKRAFT 93
7.1 Versuchsaufbau 93
7.2 Messung des Verbindungswiderstands abhängig von der Verbindungskraft
bei gerillten verbindungsflächen 9^
7.3 Messung des Verbindungswiderstands abhängig von der Verbindungskraft
bei stochastisch hauen verbindungsflächen ^8
VII
8 GRUNDLAGEN ZUM MECHANISCHEN UND ELEKTRISCHEN KONTAKT
VON FLÄCHE-FLÄCHE-VERBINDUNGEN ABHÄNGIG VON DER
VERBINDUNGSKRAFT 101
8.1 Grundlagen zum elektrischen Widerstand von Ein- und
Mehrpunktkontakten 102
8.1.1 Einpunktkontakt 102
8.1.2 Mehrpunktkontakt 110
8.2 Grundlagen zum mechanischen Kontakt zweier Festkörper 116
8.2.1 Mechanischer Kontakt in einer einzelnen ebenen Fläche 116
8.2.2 Mechanischer Kontakt stochastisch rauer Flächen 119
9 BERECHNUNG DES VERBINDUNGSWIDERSTANDS VON FLÄCHE¬
FLÄCHEVERBINDUNGEN ABHÄNGIG VON DER VERBINDUNGSKRAFT
126
9.1 Gerillte Verbindungsflächen 127
9.2 Stochastisch raue Verbindungsflächen 128
9.2.1 Messung des Oberflächenprofils 128
9.2.2 Elastische und plastische Verformung des Oberflächenprofils und Anzahl und
Größe der mechanisch tragenden Flächen 129
9.2.3 Verbindungswiderstand abhängig von der Verbindungskraft 134
10 ZUSAMMENFASSUNG 137
ANHANG 1: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
INTERDIFFUSION 142
Anhang 1.1 Grundlagen 142
Anhang 1.2 Experimentelle Untersuchungen an Silber-, Nickel- und Zinn¬
beschichteten Al-Stromschienen in Verbindung mitCu-Stromschienen.... 147
Anhang 1.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an gealterten
Al-Cu-StromsschienenverbindunciEnmitSn-Diffusionsbarrieren 149
Anhang 1.4 Experimentelle Untersuchungen an spritzverkupferten
Aluminium-Stromschienenverbindungen 151
ANHANG 2: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
ELEKTROMIGRATION 153
ANHANG 3: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
REIBKORROSION 155
ANHANG 4: NATIONALE UND INTERNATIONALE NORMEN ZU
ALUMINIUM-HOCHSTROMVERBINDUNGEN 158
VIII
Anhang 4.1: Normen zu Stromschienenverbindungen 158
Anhang 4.2: Normen zu Seilleiterverbindungen 159
ANHANG 5: ALLGEMEINE HINWEISE ZUR KONSTRUKTION UND
HERSTELLUNG LANGZEITSTABILER ELEKTROTECHNISCHER
VERBINDUNGEN 161
LITERATURVERZEICHNIS 166
NORMENVERZEICHNIS 176
BILDTEIL 179
|
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V
Inhalt
FORMELZEICHEN IX
ABSTRACT XVI
RESUME XVII
1 EINLEITUNG 1
2 GRUNDLAGEN ZU ELEKTRISCHEN VERBINDUNGEN UND IHRER
alterung 2
2.1 Definition 2
2.2 Verbindungsflächen 2
2.3 Verbindungswiderstand und Gütefaktor 3
2.4 Alterungsmechanismen elektrischer Verbindungen 4
2.4.1 Materialwanderimg 6
2.4.2 Reibkorrosion 8
2.4.3 Elektrochemische Korrosion und chemische Reaktionen 9
2.4.4 Kriechen des Leitermaterials 12
3 AUFGABENSTELLUNG 18
4 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DER VERFORMUNG VON METALLEN 21
4.1 Rheologische Modelle und Materialgesetze 21
4.2 Kristallstruktur der Metalle 22
4.2.1 Elementarzellen 22
4.2.2 Gitterfehler 23
4.2.3 Rekristallisation und Erholung 26
4.2.4 Textur 28
4.3 Elastische und plastische Verformung von Metallen 29
4.4 Kriechen von Metallen 32
4.4.1 Kriechkune 33
4.4.2 Kriechmechanismen. Verformungsmechanismus-Diagramme und
Kriechgesetze 34
4.4.3 Kriechen von Legierungen: 40
4.4.4 Kriechen von Aluminium und Aluminiumlegierungen 40
4.4.5 SpannungsrelcLxation 42
VI
5 MESSUNG DES VERLAUFS DER VERBINDUNGSKRAFT UND DES
VERBINDUNGSWIDERSTANDS IN ELEKTROTECHNISCHEN
VERBINDUNGEN 44
5.1 Untersuchungsgegenstand 44
5.2 Schraubenkraft und Anziehdrehmoment 49
5.3 Messzeuge zur Messung der Verbindungskraft und des
Verbindungswiderstands 53
5.4 Versuchsaufbauten 57
5.5 Thermisches Verspannen in elektrotechnischen Verbindungen 60
5.6 Verlauf der Verbindungskraft abhängig von der Verbindungstemperatur
63
5.7 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Leitermaterial 65
5.8 Verlauf der Verbindungskraft abhängig von der Verbindungsgeometrie. 68
5.9 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Nachverspannen der
Verbindungen 70
5.10 Verlauf der Verbindungskraft abhängig vom Einsatz von Spannscheiben. 71
5.11 Verlauf der Verbindungswiderstände 72
6 BERECHNUNG DES VERLAUFS DER VERBINDUNGSKRAFT IN
ELEKTROTECHNISCHEN VERBINDUNGEN 75
6.1 Mechanische Spannungsverteilung in elektrotechnischen Verbindungen. 75
6.1.1 Stromschienenverbindung mit Rechteckquerschnitt 77
6.1.2 Stromschienenverbindung mit Kreisringquerschnitt ''
6.1.3 Seilleiterverbindungen 79
6.2 Experimentelle Bestimmung der Kriechparameter von Al-Leiter- und
Al-Klemmenmaterialien 80
6.2.1 Druckversuche 8/
6.2.2 Zugversuche ^
6.3 Verlauf der mechanischen Spannungsverteilung und der
Verbindungskraft 90
7 MESSUNG DES VERBINDUNGSWIDERSTANDS ABHÄNGIG VON DER
VERBINDUNGSKRAFT 93
7.1 Versuchsaufbau 93
7.2 Messung des Verbindungswiderstands abhängig von der Verbindungskraft
bei gerillten verbindungsflächen 9^
7.3 Messung des Verbindungswiderstands abhängig von der Verbindungskraft
bei stochastisch hauen verbindungsflächen ^8
VII
8 GRUNDLAGEN ZUM MECHANISCHEN UND ELEKTRISCHEN KONTAKT
VON FLÄCHE-FLÄCHE-VERBINDUNGEN ABHÄNGIG VON DER
VERBINDUNGSKRAFT 101
8.1 Grundlagen zum elektrischen Widerstand von Ein- und
Mehrpunktkontakten 102
8.1.1 Einpunktkontakt 102
8.1.2 Mehrpunktkontakt 110
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8.2.1 Mechanischer Kontakt in einer einzelnen ebenen Fläche 116
8.2.2 Mechanischer Kontakt stochastisch rauer Flächen 119
9 BERECHNUNG DES VERBINDUNGSWIDERSTANDS VON FLÄCHE¬
FLÄCHEVERBINDUNGEN ABHÄNGIG VON DER VERBINDUNGSKRAFT
126
9.1 Gerillte Verbindungsflächen 127
9.2 Stochastisch raue Verbindungsflächen 128
9.2.1 Messung des Oberflächenprofils 128
9.2.2 Elastische und plastische Verformung des Oberflächenprofils und Anzahl und
Größe der mechanisch tragenden Flächen 129
9.2.3 Verbindungswiderstand abhängig von der Verbindungskraft 134
10 ZUSAMMENFASSUNG 137
ANHANG 1: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
INTERDIFFUSION 142
Anhang 1.1 Grundlagen 142
Anhang 1.2 Experimentelle Untersuchungen an Silber-, Nickel- und Zinn¬
beschichteten Al-Stromschienen in Verbindung mitCu-Stromschienen. 147
Anhang 1.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an gealterten
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Anhang 1.4 Experimentelle Untersuchungen an spritzverkupferten
Aluminium-Stromschienenverbindungen 151
ANHANG 2: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
ELEKTROMIGRATION 153
ANHANG 3: ALTERUNG ELEKTROTECHNISCHER VERBINDUNGEN DURCH
REIBKORROSION 155
ANHANG 4: NATIONALE UND INTERNATIONALE NORMEN ZU
ALUMINIUM-HOCHSTROMVERBINDUNGEN 158
VIII
Anhang 4.1: Normen zu Stromschienenverbindungen 158
Anhang 4.2: Normen zu Seilleiterverbindungen 159
ANHANG 5: ALLGEMEINE HINWEISE ZUR KONSTRUKTION UND
HERSTELLUNG LANGZEITSTABILER ELEKTROTECHNISCHER
VERBINDUNGEN 161
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