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Steckbare Verbindungslösungen in Energieanlagen

01 Gabelstecker vom Typ GSRD 40 kontaktieren in einer Windenergieanlage Umrichtermodule (Kontaktmesser) mit den Stromschienen (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

01 Gabelstecker vom Typ GSRD 40 kontaktieren in einer Windenergieanlage Umrichtermodule (Kontaktmesser) mit den Stromschienen (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

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

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

03 Die massiven Aluminium-Kontaktplatten des GSRD-Steckers stehen unter Federspannung. Die seitlich eingeschobenen Multilam-Kontakte reinigen beim Einschieben die Kontaktoberfläche und übertragen große Leistungen, auch nach vielen Steckvorgängen (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

03 Die massiven Aluminium-Kontaktplatten des GSRD-Steckers stehen unter Federspannung. Die seitlich eingeschobenen Multilam-Kontakte reinigen beim Einschieben die Kontaktoberfläche und übertragen große Leistungen, auch nach vielen Steckvorgängen (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

04 Ein Stromschienenverbinder als kundenspezifische Lösung (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

04 Ein Stromschienenverbinder als kundenspezifische Lösung (Bild: Stäubli Electrical Connectors AG)

Häufig kommt für die elektrischen Verbindungen in Energieverteilungen noch die Schraubtechnologie zum Einsatz, obwohl steckbare Verbindungslösungen zahlreiche Vorteile bieten. Dabei ist nicht nur der offensichtliche Zeitgewinn bei der Montage von Bedeutung – zum Beispiel können Steckverbindungen auch mit geringen Übergangswiderständen und hoher Zuverlässigkeit bei Vibrationen punkten.
Eine alltägliche Aufgabe für Wartungstechniker ist zum Beispiel der Austausch eines Umrichtermoduls (Bild 1) in einer Energieverteilung. Das Modul kann mit Schraubanschlüssen oder Steckverbindern ausgerüstet sein – dies ist entscheidend für den Arbeitsablauf.
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. Dabei können herunterfallende Schrauben 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 Umrichtermodul 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 Wartungs-einsätzen möglichst kurz zu halten.
Oliver Semling ist Product Manager Industrial Connectors beim Stäubli-Konzern. O. 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 er.
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 Unternehmen, 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 Stecker leicht und rasch austauschbar. Auch Rechenzentren gehören zu den Anwendern der Stromschienenstecker, sowie die Hersteller von Energiespeichern.
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.
Kontaktierung von Einschüben mit Stromschienen
Die Gabelsteckerbaureihe GSR5 eignet sich für die Kontaktierung von Einschüben mit 5 mm dicken Stromschienen. Das eigentliche Kontakt gebende Element in den Gabelsteckverbindern ist die Kontaktlamelle Multilam (Bild 2). Die federnden, gerippten Kontaktelemente sind zusätzlich galvanisch veredelt und sorgen für zuverlässige Kontaktgabe über die gesamte Lebensdauer des Steckers. Die Gabelsteckverbinder sind für Betriebstemperaturen von bis zu 150 °C ausgelegt. Sie können bei maximal 600 V mit bis zu 400 A belastet werden. Die Zuleitung erfolgt entweder über einen Crimp- oder einen Schraubanschluss. Die Stecker werden sowohl unisoliert als auch mit Isoliergehäuse angeboten.
Die Doppelgabelstecker-Reihe GSRD eignet sich für die Verbindung von Stromschienen untereinander, kann aber auch Leistungsmodule mit den Schienen verbinden. Die federnden Kontaktplatten aus Aluminium (Bild 3) sind ebenfalls mit versilberten Multilam-Kontakten ausgestattet. Es gibt diese Stecker für Stromschienen der Dicke 5 mm, 6,35 mm und 10 mm in unterschiedlichen Standardbreiten und Bemessungsströmen bis circa 1 200 A. Für Verbindungen mit 15 mm starken Stromschienen hat Stäubli die Reihe HP-GSRD in der Breite 130 mm für Ströme bis 2 000 A herausgebracht. Die genannten Stromwerte setzen allerdings voraus, dass die Kontaktstellen der Stromschienen versilbert sind. Gabelsteckverbinder garantieren gleichbleibende Kontaktqualitäten und das auch nach vielen Steckvorgängen. Die GSRD-Reihe beispielsweise ist für mehr als 1000 Steckzyklen ausgelegt.
Realisierung von Sonderlösungen
Nicht immer sind die Stecker aus den Standardreihen für eine Kundenanwendung passend. Daher sind die Techniker von Stäubli am Standort Allschwil bei Basel auf die Realisierung von Sonderlösungen spezialisiert. Hierfür werden entweder Standardprofile aus Aluminium, Messing oder Kupfer oder aber eigens dafür konstruierte Profilschienen aus unterschiedlichen Materialien eingesetzt, die entsprechend den Kundenvorgaben zugeschnitten und mit Multilam-Kontaktelementen ausgestattet werden (Bild 4).
Die Standard-GSR-Stecker können ebenfalls mit der Zwei-Komponenten-Multilam „LA-CUT“ versehen werden. Sie eignen sich dann für 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 Kunde suchte nach einer elektrisch wie mechanisch zufriedenstellender 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.
O. Semling: „Es sind meist die Kunden, die uns jeden Tag auf neue Ideen bringen. Nicht selten finden die Sonderlösungen ihren Weg in das Serienprogramm.“ Ein aktuelles Projekt führte die Stäubli-Techniker nach Korea. Hier stabilisieren Batteriespeicher in Containern das Stromnetz. In den Powermodulen kommen Umrichter in IGBT-Technik zum Einsatz. Stäubli stattet diese 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.
Geringe Kontaktwiderstände
Es ist ein Irrtum, 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 entstehen unterschiedliche Übergangswiderstände und damit unter Umständen ungewollte Spannungsabfälle mit Erwärmung der Kontaktstelle.
Oberflächliche Verunreinigungen der Stromschiene kann die Multilam aufgrund ihrer federnden Stege beim Steckvor-gang 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 für die Langlebigkeit, sondern auch für einen geringen Durchgangswiderstand von entscheidender Bedeutung. Der Durchgangswiderstand liegt beispielsweise bei einer Steckbreite von 50 mm bei geringen 20 μΩ. Selbst ein „Schwergewicht“ unter den Gabelsteckern, der GSRD 10-100, zeigt bei einem Bemessungsstrom von knapp 1 500 A eine geringe Kontaktverlustleistung von 22 W. Darüber hinaus sind die Feder- und Kontaktkräfte bei den Gabelsteckern so optimiert, dass die Stromschienen mit relativ geringem Kraftaufwand kontaktiert werden können.
O. 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 hohen Strömen standhalten. Liegt beispielsweise für den 75 mm breiten Gabelstecker für ¼ Zoll starke Aluminiumstromschienen 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.
Ein weiterer Punkt, den alle mit der Montage betrauten Personen sehr schätzen, ist die Toleranz der Steckverbinder bei Fluchtungs- und Winkelfehlern. In einer Anlage befinden sich Bauteile und Geräte unterschiedlicher Herkunft. 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°. Ein Ausgleich solcher Toleranzen ist mit Schraubverbindungen schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
Die Gabelsteckverbinder zeigen ihre Qualitäten auch dann, wenn es zwischen den Verbindungspartnern zu Vibrationen und Schwingungen kommt, zum Beispiel in Windenergieanlagen. Die federnden Kontaktplatten und die eingelegten Kontaktlamellen kompensieren Schwingungen, die bei geschraubten Verbindungen durchaus zu einer Materialermüdung führen können. Wartungseinsätze sind kostspielig – deshalb werden aus gutem Grund für Komponenten in Windenergieanlagen hohe Standards vorausgesetzt. Wenn hier die Wahl beispielsweise auf GSRD-Stecker fällt,dann wegen der zugesicherten Eigenschaften, wie Ströme von 500 A bis 600 A bei maximal 1 000 V. „Dass diese Eigenschaften auch nach tausenden Steckzyklen noch eingehalten werden, ist selbstverständlich für unsere Stecker“, sagt O. Semling. (mh)
Dipl.-Ing. Joachim Tatje ist Fachautor und Inhaber der Agentur Viatico Strategie und Text in Bruchsal. info@viatico.de