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Steckverbinder Verbindungslösungen in Energieanlagen – Schraubst du noch oder steckst du schon?

| Redakteur: Ines Stotz

Für Betreiber von Energie-Anlagen zählt jede Minute, deshalb sollten die Abschaltzeiten bei Wartungseinsätzen möglichst kurz sein. Welche Vorteile gesteckte Anschlüsse dabei bieten, zeigt dieser Beitrag.

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Im versilberten Alukörper des Gabelsteckers GSR 5 sorgt die V-Förmige Kontaktlamelle Multilam LAI GSR für verlässlichen Kontakt. Bild: versilberter Alukörper
Im versilberten Alukörper des Gabelsteckers GSR 5 sorgt die V-Förmige Kontaktlamelle Multilam LAI GSR für verlässlichen Kontakt. Bild: versilberter Alukörper
(Bild: Stäubli Electrical Connectors)

Den Vergleich zwischen geschraubten und gesteckten Anschlüssen im Bereich PTD (Power Transmission und Distribution) gewinnt der Steckverbinder, er punktet vor allem mit Schnelligkeit und Sicherheit. Oliver Semling ist Product Manager Industrial Connectors beim Stäubli-Konzern. Er ist der Meinung, dass im Bereich der PTD immer noch zu viel geschraubt wird und vermutet: „Ich denke, dass es nur selten Kostenerwägungen sind, welche die Produktentwickler an geschraubter Anschlusstechnik festhalten lässt.“ An dieser Stelle lohnt sich ein Blick auf das Steckverbinder-Portfolio von Stäubli Electrical Connectors für PTD-Anwendungen. Seit 56 Jahren sind die Schweizer Technologiepartner von Unternehmen, die große elektrische Leistungen transportieren und schalten müssen. Mit den Gabelsteckern für Stromschienen deckt Stäubli den Leistungsbereich von bis zu 1.000 V / 2.000 A ab.

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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 Stecker leicht und rasch austauschbar. Auch Rechenzentren gehören zu den Anwendern sowie Hersteller von Energiespeichern. Wir finden die Verbinder auch in Bahnfahrzeugen. Stecker erleichtern die Montage und den Wartungseinsatz, sparen Zeit und garantieren konstante elektrische Verbindungswerte über viele Jahrzehnte hinweg.

Die Vorteile des Steckens liegen auf der Hand, allein wenn es um Platz- und Zeitersparnis geht. Bei geschraubten Verbindungen muss Raum für den Techniker vorgesehen werden zum Anschrauben der Modulanschlüsse an die Stromschienen. Die Arbeit verlangt Konzentration, denn herunterfallende Schrauben, Scheiben oder Muttern können zu gefährlichen Kurzschlussverursachern werden. Werden hingegen Steckverbinder eingesetzt, erfolgt der Anschluss automatisch mit dem Einschieben des Moduls in seine Betriebsposition. Niemand muss an die Rückseite heran. So kann wertvoller Platz in den Gestellen eingespart werden und die Stillstandzeiten schrumpfen auf ein Minimum.

Gabelstecker – jetzt kommt es dick…

Die Gabelstecker-Baureihe GSR5 eignet sich für die Kontaktierung von Einschüben mit 5 mm dicken Stromschienen. Das eigentliche Kontakt gebende Element in den Gabelsteckverbindern ist die patentierte Kontaktlamelle Multilam von Stäubli. Die federnden, stark gerippten Kontaktelemente sind zusätzlich galvanisch veredelt und sorgen für zuverlässige Kontaktgabe über die gesamte Lebensdauer der Stecker. Sie sind für Betriebstemperaturen von bis zu 150°C ausgelegt. Der massive Aluminiumkörper ist mit Multilam Kontakttechnologie ausgestattet. Die Stecker können bei max. 600 V mit bis zu 400 A belastet werden. Die Zuleitung erfolgt über Crimp- oder Schraubanschluss. Es gibt die Stecker unisoliert oder mit Isoliergehäuse.

Die Doppelgabelstecker-Reihe GSRD eignet sich für die Verbindung von Stromschienen untereinander, kann aber auch Leistungsmodule mit den Schienen verbinden. Die federnden Kontaktplatten aus massivem Aluminium sind ebenfalls mit versilberten Multilam-Kontakten ausgestattet. Es gibt diese Stecker für Stromschienen der Dicke 5, 6,35 und 10 mm in unterschiedlichen Standardbreiten und Bemessungsströme bis ca. 1200 A.

Für Verbindungen mit 15 mm starken Stromschienen hat Stäubli die Reihe HP-GSRD in der Breite 130 mm herausgebracht für Ströme bis 2000 A. Die genannten Stromwerte setzen allerdings voraus, dass die Kontaktstellen der Stromschienen versilbert sind.

Gabelsteckverbinder garantieren gleichbleibende Kontaktqualitäten und das auch nach etlichen Steckvorgängen. Die GSRD-Reihe beispielsweise ist für mehr als 1000 Steckzyklen ausgelegt.

Es gibt immer eine Stecker-Lösung

Nicht immer sind die Stecker aus den Standardreihen passend für eine Anwendung. Hierfür sind die Stäubli-Techniker am Standort Allschwil bei Basel auf die Realisierung von Sonderlösungen spezialisiert. Es 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.

Die Standard GSR-Stecker können ebenfalls mit der 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.

Bei einem solchen Sonderprojekt suchte ein namhafter Kunde nach einer elektrisch/ mechanischen 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 zwei-Komponenten Kontaktlamellen LA-CUD und LA-CUDD zum Einsatz. Eine elegante Lösung, die bei hoher Präzision dennoch einfach zu montieren ist und auch nach mehr als 5000 Schaltvorgängen einwandfrei funktioniert.

„Es sind meist die Kunden, die uns jeden Tag auf neue Ideen bringen. Nicht selten finden die Sonderlösungen ihren Weg ins Serienprogramm“, berichtet Oliver Semling.

Ein aktuelles Projekt führt nach Korea. Hier stabilisieren Batteriespeicher in großen Containern das Stromnetz. In den Powermodulen kommen Umrichter in IGBT-Technik zum Einsatz. Stäubli kam mit Stecklösungen am besten mit dem beengten Raum und den hohen elektrischen Anforderungen zurecht und stattet nun die Batteriespeicher mit Steckverbindern aus, die landesweit aber auch in Übersee und in den USA eingesetzt werden. Kürzlich erhielten die Gabelstecker die für den USA Markt wichtige UL Zertifizierung.

Verbindungen mit Selbstreinigungsfunktion

„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“, erklärt Semling weiter. Denn zu den wichtigen Einflussgrößen der Kontaktgabe gehörten die gründliche Reinigung der Kontaktstelle und das vorgeschriebene Drehmoment der Verschraubung. „Je nach Sorgfalt des Monteurs erhalten wir unterschiedliche Übergangswiderstände und damit unter Umständen ungewollte Spannungsabfälle mit Erwärmung der Kontaktstelle.

Dagegen kann die Multilam oberflächliche Verunreinigungen der Stromschiene 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 etwa bei einer Steckbreite von 50 mm gerade mal bei 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.“

Stecker kompensieren Fehlertoleranz

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 3 s 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“, so der Produktmanager.

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

Die Stecker federn Schwingungen ab

Die Gabelsteckverbinder zeigen ihre Qualitäten gerade auch dann, wenn es zwischen den Verbindungspartnern zu Vibrationen und Schwingungen kommt, wie in Windkraftanlagen. Die federnden Kontaktplatten und die eingelegten Kontaktlamellen federn Schwingungen ab, die bei geschraubten Verbindungen durchaus zu einer Materialermüdung führen können. Wartungseinsätze sind kostspielig, deshalb werden aus gutem Grund für Komponenten in Windkraftanlagen höchste Standards vorausgesetzt. Wenn hier die Wahl beispielsweise auf GSRD-Stecker von Stäubli fällt, dann wegen der zugesicherten Eigenschaften, wie Ströme von 500 bis 600 A bei max. 1.000 V. „Dass diese Eigenschaften auch nach tausenden Steckzyklen noch eingehalten werden, ist selbstverständlich für unsere Stecker“, sagt Semling abschließend.

Hannover Messe: Halle 17, Stand B14

Anwenderkongress Steckverbinder Der Anwenderkongress Steckverbinder, der vom 1. bis 3. Juli 2019 in Würzburg stattfindet, beleuchtet praxisorientiert technische Aspekte beim Design und Einsatz moderner Steckverbinder. In Praxis-Workshops vermitteln Experten elektrotechnische Grundlagen, spezifisches Know-how und helfen bei der Auswahl des richtigen Steckverbinders.
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Power Kongress Beim Power-Kongress 2019, der am 22. und 23. Oktober stattfindet, dreht sich alles um die Entwicklung und die Auswahl geeigneter Stromversorgungen für vielfältige Anwendungen in allen Industriefeldern. Eine begleitende Fachausstellung zeigt neueste Power-Komponenten und Stromversorgungs-Lösungen. Am 24. Oktober folgt der 2. DC/DC-Wandler-Tag.
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BUCHTIPP Das „Praxishandbuch Steckverbinder“ ist ein Nachschlagewerk für die Geräteentwicklung und für den Einsatz von Steckverbindern. Entwickler und Anwender erhalten Antworten auf Fragen zur Ausführung, Materialien, physikalische Grundlagen, Kontaktoberflächen, Abschirmmaßnahmen, Gehäusemechanik und Verriegelungssysteme.

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