Schraubensicherung Elektrische Schraubverbindugen effektiv sichern

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Für elektrische Schraubverbindungen werden häufig Sicherungselemente von mechanischen Schraubenverbindungen eingesetzt. Diese sind den Anforderungen nicht gewachsen. Die Sperrkantscheibe NSK-E hingegen kann den Kontaktdruck auch bei weichen Werkstoffen halten.

Lose Schraubverbindungen führen in der Elektrotechnik zu hohen Schadensrisiken. Dabei erhöht sich der Kontaktwiderstand, es kommt zu Spannungseinbrüchen und -schwankungen, die Kontaktstelle erwärmt sich und es kann zum Abbrand der Kontaktstelle selbst oder benachbarter Geräte kommen. Die Folge: Das System fällt komplett aus. Ein kanadischer Energieversorger hat in einer Studie herausgefunden, dass fast 40 Prozent der Netzausfälle auf lose Kontaktteile zurückzuführen sind. Der Grund hierfür: Aktuell werden sehr häufig Sicherungselemente von mechanischen Schraubenverbindungen eingesetzt. Diese sind allerdings für die spezifischen Anforderungen elektrischer Schraubenverbindungen nur bedingt oder nicht geeignet. Bereits in den 90er-Jahren wurden die Feder- und Schraubensicherungswirkung der damals verwendeten Elemente untersucht. Daraufhin wurden die Normen von Federringen, Fächerscheiben und Zahnscheiben zurückgezogen. Verwendet man für solche Anwendungen zwei Schraubensicherungselemente, wie Federring und Scheibe, erfüllen diese ebenfalls nicht die Anforderung.

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Einteiliges Schraubensicherungselement aus Feder- und Edelstahl

Die Firma Teckentrup GmbH & Co. KG hat sich dieser Aufgabe gestellt und mit der NSK-E eine Sperrkantscheibe speziell für die Elektroindustrie entwickelt. Auslöser für die Entwicklung der NSK-E war der Stillstand einer Produktionsanlage bei einem Kunden von Teckentrup. Ursache hierfür war eine gelöste elektrische Schraubenverbindung. Hierdurch kam es erst zu einem erhöhten Kontaktwiderstand und anschließend zu einem Spannungsabbruch. Kein geeignetes Schraubensicherungselement konnte dieses Problem nachhaltig lösen. Daraufhin hat Teckentrup mit der NSK-E eine Sicherungsscheibe entwickelt, die die speziellen Anforderungen elektrischer Verbindungen und deren Normen erfüllt. Die NSK-E ist ein einteiliges Schraubensicherungselement aus Feder- und Edelstahl. Mit ihrer aufgestellten Bogenform hat die Sperrkantscheibe eine gute Federwirkung. Damit können der Kontaktdruck und der Verbindungswiderstand der Verbindung über einen langen Zeitraum konstant gehalten werden.

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Auch die Verzahnung auf der Oberseite der NSK-E hat Teckentrup weiterentwickelt. Sie sorgt für einen Formschluss zum Schraubenkopf und Mutter. Damit wird verhindert, dass sich die Komponenten der Querbelastung losdrehen. Die kufenartige Kontur auf der Unterseite der Sperrkantscheibe vermeidet zudem, dass sich die weichen Verbindungspartner beschädigen. Im verschraubten Zustand liegt die Scheibe auf der Gegenlage auf.

Gütefaktor ausschlaggebend für Verschraubungsqualität

Doch welche Anforderungen muss eine Schraubverbindung im Elektrobereich überhaupt erfüllen? Die Hauptaufgabe einer elektrischen Verbindung ist es, Strom zu übertragen. Um die Verbindungs- bzw. Verschraubungsqualität beurteilen zu können, ist der Gütefaktor k_u ausschlaggebend. Dieser stellt das Verhältnis von dem Widerstand in der Verbindungsstelle, zum Widerstand in der Stromschiene dar. Ziel einer Verbindung ist es daher, dass der Gütefaktor über die Lebensdauer hinweg so konstant wie möglich gehalten wird. Dafür sollte der notwendige Kontaktdruck bei den weichen Leitmaterialien aufrecht bleiben.

Um den dauergaften Kontaktdruck zu realisieren, muss eine Schraubenverbindung zwei Funktionen erfüllen:

• Elastizitätsfunktion

• Schraubensicherungsfunktion

Die Elastizitätsfunktion ist erforderlich, weil sich zum einen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und stark schwankende Betriebstemperaturen zu wechselnden mechanischen Spannungen in der Schraubenverbindung führen. Zum anderen, weil Setzvorgänge zu kompensieren sind. Setzen bezeichnet hierbei, dass sich die Oberflächen der Verbindungspartner einebnen. Die Anzahl der Trennfugen und der weiche Leiterwerkstoff wirken hier erschwerend. Die erforderliche Elastizität der Schraubenverbindung kann aufgrund der kurzen Klemmlängen nur durch federnde Sicherungselemente realisiert werden.

Losdreheffekte durch Vibrationen und Querverschiebungen können ebenfalls dazu führen, dass sich der Kontaktdruck verringert. Die Folge: es kommt zu den beschriebenen Schadensbildern. Doch warum versagt eine Schraubenverbindung? Das kann folgende Ursachen haben:

• Thermische Ausdehnungen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufgrund verschiedener Werkstoffe (Stahl, Kupfer oder Aluminium)

• das Setzen innerhalb der Verbindung

• Schwingungen, beispielsweise bei hohen Frequenzen oder durch Bewegungsübertragungen vom Gesamtsystem

Durch seine langjährigen Erfahrungen mit mechanischen Schraubensicherungselementen konnte Teckentrup auf die spezifischen Anforderungen in der Elektrotechnik eingehen. In Zusammenarbeit mit Endanwendern und externen Prüflaboren wurde die NSK-E unter extremen Bedingungen getestet. Hierfür hat Teckentrup passende Prüfmethoden entwickelt. Zu den angewandten Prüfverfahren zählen u.a. die DIN 25201-4 (Anhang B), DIN 267-26 und die IEC 61373.

Die NSK-E überzeugte bei sämtlichen Qualitätsprüfungen. Die Scheibe kann somit als Sicherungselement gemäß den gängigen Normen eingesetzt werden:

• DIN 25201-3: Elektrische Schraubenverbindungen

• DIN 46200: Stromführende Anschlussbolzen

• DIN 43673-1: Stromschienenverschraubungen

• DIN EN 50343: Installation von elektrischen Leitungen

Die NSK-Scheiben sind in der Ausführung Federstahl beschichtet und Edelstahl 1.4401 erhältlich. Die Scheiben sind in den Abmessungen M3-M16 verfügbar und können in der Kombination mit herkömmlichen Schrauben verwendet werden.

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