Werkstoffe und elektrische Verbindungen
Werbung
Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik Werkstoffe und elektrische Verbindungen N. Lücke, S. Dreier, T. Fuhrmann, C. Hildmann, S. Pfeifer, S. Schlegel Industrie-Partner-Symposium, 06. Oktober 2011 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik Gliederung 1. Einleitung 2. Vergleich von Kupfer und Aluminium als Leiterwerkstoff 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer 5. Zusammenfassung IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 2 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 1. Einleitung Historie - Trend IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 3 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 2. Vergleich von Aluminium und Kupfer als Leiterwerkstoff Übersicht Materialeigenschaften Werkstoff Cu-ETP Al99,5 AlMgSi0,5 AlSi7Mg0,3 min. 57 34 - 36 28 - 34 20 - 27 8,93 2,71 2,7 2,65 Rm / N/mm² min. 250 min. 60 min. 190 min. 230 αL / K-1 10-6 17,7 23,8 23,4 22,0 7231 2235 - - Eigenschaft κ / mm²/Ωm ρ / g/cm³ (20-200) °C Preis / USD/t Stand: 28.09.11 Beim Einsatz von niedrig legiertem Al anstelle von Cu größerer Leiterquerschnitt aber geringeres Gewicht und niedrigerer Preis IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 4 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen Entwicklungstrends bei Leiterseilverbindungen Steigende Übertragungsleistungen in der Elektroenergieversorgung Hochtemperaturseile Al/St - Freileitungsseil Quelle: J-Power Systems Corp. Quelle: CTC IPS, 06.10.2011 Quelle: 3M Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 5 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 3. Aluminium in elektrischen Verbindungen Leiterseilverbindungen Langzeitverhalten Größeres Temperaturgefälle bei HochTemperaturverbindungen → Reserven? RV Δϑ ? Hochtemperaturseil Al/St - Freileitungsseil x IPS, 06.10.2011 40 a t Höhere thermische Auslastung der Verbindungen → Lebensdauer? Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 6 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer Alternativen AlCu-Blech Federnde Kontaktelemente Beschichten der Kontaktpartner Vorteile -Einsatz auch bei Reinaluminium möglich -Breiter Einsatzbereich -Verlagern der Elektrochemischen Korrosion -Vorgefertigte Module -Einfache Montage -Vorbehandlung einfach -Abgedichtete Kontaktfläche -Verminderte elektrochemische Korrosion -Breiter Einsatzbereich -Vorbehandlung der KP einfach -Einsatz auch bei Reinaluminium -Elektroch. Reaktion verhindert -Kleiner zusätzl. Widerstand Nachteile -Beschichten von Aluminium -Zusätzlicher el. Widerstand -Zusätzlicher el. Widerstand -Einsatz nicht bei Reinaluminium komplexer als bei Kupfer -Vorbehandlung notwendig -Qualitätssicherung -Elektrochemische Korrosion IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 7 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 4. Verbinden von Aluminium und Kupfer Untersuchungen zur Interdiffusion im System Al-Cu (AiF-Projekt) Ziele: - Charakterisieren (elektrisch und mechanisch) der IMP im Temperaturbereich zwischen 90 °C und 200 °C - Aussagen zum Einfluss der Interdiffusion auf das Langzeitverhalten von elektrischen Verbindungen - Erweitern des Modells zur Alterung elektrischer Verbindungen durch Interdiffusion Aufgaben: - Aufbau einer Anordnung zum Messen der elektrischen Eigenschaften (TUD) • Strom-Spannungsmessung an sehr dünnen Proben (Einfluss von Querschnitt, Dicke, Kontaktierung, Erwärmung,…) • Automatisierte Messungen zum Temperaturbeiwert des Widerstandes im Wärmeschrank Cu bis zu einer Temperatur von 200 °C Cu9Al4 - Herstellen phasenreiner IMP mittels galvanischer Methoden und durch PVD-Prozesse (fem) IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Al 530 °C / 8 h / Ar Folie 8 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik 5. Zusammenfassung • Langzeitverhalten von ruhenden elektrischen Verbindungen seit drei Jahrzehnten ein wichtiger Forschungsschwerpunkt • Übergang zu hochfesten Aluminium-Legierungen aufgrund der zu erwartenden höheren Temperaturbelastungen • Höhere Auslastung bestehender und Design neuer AluminiumVerbindungen (z. B. Clinchverbindungen) • Langzeitstabiles Verbinden von Kontaktpartnern aus Aluminium und Kupfer • Grundlagenuntersuchungen zur Interdiffusion an Grenzflächen zwischen Aluminium und Kupfer IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 9 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik Industriepartner Forschungspartner IPS, 06.10.2011 Werkstoffe und elektrische Verbindungen Folie 10 Institut für Elektrische Energieversorgung und Hochspannungstechnik Professur für Hochspannungs- und Hochstromtechnik TU Dresden, IEEH Mommsenstraße 10 Binderbau 01062 Dresden Dipl.-Ing. Nils Lücke [email protected] Dipl.-Wi.-Ing. Sebastian Dreier [email protected] Dipl.-Ing. Stephanie Pfeifer [email protected] Dipl.-Ing. Torsten Fuhrmann [email protected] Dipl.-Ing. Stephan Schlegel [email protected] Dipl.-Ing. Christian Hildmann [email protected]
