Schraubst Du noch oder steckst Du schon?

Eine alltägliche Aufgabe für Wartungstechniker in einer Anlage der Energieverteilung: der Austausch eines Umrichter-Moduls.

Szenario A (Modul mit Schraubanschlüssen): Die Anschlussfahnen des Moduls von den Stromschienen abschrauben. Zeitraubend, da enge Platzverhältnisse auf der Rückseite des Moduls. Reinigen der Anschlussstellen, Einschieben des Tauschgeräts und Verschrauben der Stromschienenanschlüsse. Auf korrekte Anzugsmomente achten. Vorsicht: Herunterfallende Schrauben können in darunter befindlichen Modulen erhebliche Probleme auslösen und zusätzlichen Aufwand mit Zeitverzögerungen verursachen.

Szenario B (Modul mit Steckverbindern): Lösen der Einzugsbolzen, die elektrischen Verbindungen lösen sich selbsttätig beim Herausziehen des Moduls. Neues Umrichter-Modul in Position bringen. Wenige Umdrehungen mit dem Akkuschrauber und der Einschub «fährt» in seine Betriebsposition. Gleichzeitig gleiten die Gabelsteckverbinder auf der Rückseite des Einschubs auf die Stromschienen. Modul mechanisch verankert und gleichzeitig sicher kontaktiert! Und das in nur wenigen Minuten.

Einfach und technisch überzeugend
Den Vergleich zwischen geschraubten und gesteckten Anschlüssen im Bereich von «Power Transmission und Distribution», PTD, gewinnt der Steckverbinder, er punktet vor allem mit Schnelligkeit und Sicherheit. Für die Betreiber der Energieanlagen zählt jede Minute, deshalb haben sie ein grosses Interesse daran, die Abschaltzeiten bei Wartungseinsätzen möglichst kurz zu halten. Oliver Semling ist Produktmanager bei Stäubli Electrical Connectors. Semling ist der Meinung, dass im Bereich der PTD immer noch zu viel geschraubt wird. «Ich denke, dass es nur selten Kostenerwägungen sind, welche die Produktentwickler an geschraubter Anschlusstechnik festhalten lässt», vermutet Semling.

An dieser Stelle lohnt sich ein Blick auf das Steckverbinder-Portfolio von Stäubli Electrical Connectors für PTD-Anwendungen. Seit 56 Jahren ist das Schweizer Unternehmen Technologiepartner von Betrieben, die grosse elektrische Leistungen transportieren und schalten müssen. Mit den Gabelsteckern für Stromschienen deckt Stäubli den Leistungsbereich von bis zu 1 000 V und bis zu 2 000 A ab. Einsatzmöglichkeiten gibt es in AC-DC und DC-AC Konvertern, Filtern, Leistungsmodulen, Stromversorgungen, Gleichstromstellern, Frequenzumrichtern und anderem Equipment in Racks. Meist hängen die Geräte an Stromschienen, sind aber dank der Steckverbinder leicht und rasch austauschbar. Rechenzentren sowie Hersteller von Energiespeichern gehören ebenfalls zu den Anwendern, wir finden die praktischen Verbindungslösungen aber auch in Bahnfahrzeugen. Stecker erleichtern die Montage und den Wartungsein­satz, sparen Zeit und garantieren konstante elektrische Verbindungswerte über viele Jahrzehnte hinweg.

Es gibt immer eine Lösung
Nicht immer sind die Stecker aus den Standardreihen passend für eine Kunden-Anwendung. Kein Problem, denn die Techniker von Stäubli am Standort Allschwil bei Basel sind auf die Realisierung von Sonderlösungen spezialisiert. Hierfür werden entweder Standard-Profile aus Aluminium, Messing oder Kupfer oder aber eigens dafür konstruierte Profilschienen aus den unterschiedlichsten Materialien eingesetzt, die entsprechend den Kundenvorgaben zugeschnitten und mit Multilam Kontaktelementen ausgestattet werden. Auf diese Weise entstehen zuverlässige Steckverbinder mit grossem Nutzen. Die Standard GSR-Stecker können ebenfalls mit der hochwertigen 2-Komponenten-Multilam «LA-CUT» versehen werden. Sie eignen sich dann für noch anspruchsvollere Anwendungen in Bezug auf die zu übertragenden Leistungen, die mechanischen Toleranzen und die Zahl der Steckzyklen.

Die Entwickler von Stäubli sind immer offen für Sonderprojekte. Ein namhafter Kunde suchte nach einer elektrisch wie mechanisch zufriedenstellenden Lösung für Drehschalter mit Gabelkontakt, die in Energieverteilanlagen als Trenn- oder Erdungsschalter eingesetzt werden. Das Schaltorgan ist ein Kontaktmesser, das seinen Gegenpart in einem Gabelkontakt findet. Bei der Stäubli typischen Lösung werden dafür auf beiden Schenkeln Multilam eingesetzt. Dabei kommen die hochwertigen Zwei-Komponenten-Kontaktlamellen «LA-CUD» und «LA-CUDD» zum Einsatz. Eine elegante Lösung, die bei hoher Präzision dennoch einfachst zu montieren ist und auch nach mehr als 5000 Schaltvorgängen einwandfrei funktioniert.

Verbindungen vom Feinsten
Es ist ein Irrtum zu glauben, dass Schraubverbindungen stets geringere Kontaktwiderstände aufweisen. Man muss sich dazu nur klar machen, dass die elektrische Qualität der Schraubverbindung unter anderem von der «Tagesform» des Monteurs abhängt. Denn zu den wichtigen Einflussgrössen der Kontaktgabe gehören die gründliche Reinigung der Kontaktstelle und das vorgeschriebene Drehmoment der Verschraubung. Je nach Sorgfalt des Monteurs erhalten wir unterschiedliche Übergangswiderstände und damit u. U. ungewollte Spannungsabfälle mit Erwärmung der Kontaktstelle.

Oberflächliche Verunreinigungen der Stromschiene kann die Multilam aufgrund ihrer federnden Stege beim Steckvorgang beseitigen bzw. diese durchdringen, was einer Selbstreinigungsfunktion gleichkommt. Vorausgesetzt ist eine Veredelung bzw. Versilberung der Kontaktstelle, die bei hohen Strömen generell empfohlen wird. Die Öffnungsweite jedes Steckers ist auf die Stromschienenstärke abgestimmt. Die Federkraft der Kontaktplatten und die Rückstellkräfte der Multilam-Kontaktlamellen sorgen für einen gleichbleibenden Kontaktdruck.

Dies ist nicht nur von entscheidender Bedeutung für die Langlebigkeit sondern auch für einen geringen Durchgangswiderstand, der beispielsweise bei einer Steckbreite von 50 mm gerade mal bei geringen 20 µΩ liegt. Selbst ein «Schwergewicht» unter den Gabelsteckern, der GSRD 10–100, zeigt bei einem Bemessungsstrom von knapp 1 500 A eine zu vernachlässigende Kontaktverlustleistung von 22 W und dürfte damit kaum zur Erwärmung des Anschlussraums beitragen. Darüber hinaus sind die Feder- und Kontaktkräfte bei den Gabelsteckern so optimiert, dass die Stromschienen mit relativ geringem Kraftaufwand kontaktiert werden können. Semling: «Bei der Auslegung der Steckverbinder berücksichtigen wir stets auch die vorgegebene Steckhäufigkeit und die Kontaktkraft. Die kundenspezifischen Anforderungen mit den technischen Gegebenheiten und Abhängigkeiten in Einklang bringen und optimieren zu können, führt zu absolut massgeschneiderten Lösungen.

Toleranz in jeglicher Hinsicht
Für die Auslegung von Energieanlagen spielt der Bemessungsstrom die entscheidende Rolle. Er definiert die korrekte Wahl der Komponenten und damit auch die Kosten der Installation. Genauso wichtig ist die Widerstandsfähigkeit der Verbindungen gegenüber Kurzschlussströmen. Aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit der Stäubli-Kontaktlamellen können die Gabelsteckverbinder kurzzeitig sehr hohen Strömen standhalten. Liegt beispielsweise für den 75 mm breiten Gabelstecker für ¼ Zoll starke Alustromschienen der Bemessungsstrom bei 760 A, kann er für drei Sekunden immerhin 23’500 A übertragen. Bei einem Stosskurzschluss dürfen es auch 108’000 A sein. Auch das sind Argumente, die hartnäckige «Stecker-Skeptiker» überzeugen müssten.

Ein weiterer Punkt, den alle mit der Montage betrauten Personen sehr schätzen, ist die Toleranz der Steckverbinder bei Fluchtungs- und Winkelfehlern. Man findet Bauteile und Geräte unterschiedlichster Herkunft vor Ort in einer Anlage. Da ist es verständlich, dass es zu Massabweichungen kommt. GSRD-Gabelstecker kompensieren einen seitlichen Versatz von bis zu 6 mm und eine Neigung von ± 6° ohne weiteres. Bei solchen Toleranzen wird es für Schraubverbindungen eng, wenn nicht gar unmöglich.