Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Zuverlässigkeit und Sicherheit von Betriebsmitteln in Niederspannungsverteilstationen für die Anwendung im Bereich der Windkraft- und Photovoltaikanlagen

Ziel des Projekts ist es, die Zuverlässigkeit von Sicherungen und stromtragenden Verbindungen als Teilkomponenten des gesamten Energieversorgungsnetzes zu erhöhen. Dabei ist insbesondere der Einfluss der Interdiffusion in den Systemen Zinn-Silber und Zinn-Nickel relevant. Einerseits sollen Langzeitversuche an Realteilen Aufschluss über die Bildungsreihenfolge und –geschwindigkeit der bei Temperaturen <150°C entstehenden intermetallischen Phasen (IMP) geben. Andererseits erfolgen eine gezielte sortenreine Herstellung der in den beiden Systemen auftretenden IMP und deren elektrische Charakterisierung.

Für Sicherungen können anhand der gewonnenen Erkenntnisse Grenztemperaturen festgelegt werden, wogegen für stromtragende Verbindungen abgeschätzt werden kann, welchen Einfluss die IMP-Bildung auf den Verbindungswiderstand hat.

Durch das neu erworbene Wissen kann bereits während der Entwicklung von elektrischen Betriebsmitteln eine genauere Abschätzung des Langzeitverhaltens und der Zuverlässigkeit durchgeführt und auf eine meist vorsorgliche, material- und damit kostenintensive Überdimensionierung bei der Entwicklung verzichtet werden. Die Bereiche Kraftwerkstechnik, Anlagen- und Freileitungsbau werden zwar von größeren Firmen dominiert, da aber innerhalb der Wertschöpfungskette mehrere Herstellungsschritte wie z. B. das Aufbringen galvanischer Zwischenschichten erforderlich sind, profitieren von den angestrebten Ergebnissen auch Zulieferbetriebe, bei denen es sich in erster Linie um KMU handelt.

Von der Verbesserung der Zuverlässigkeit von Sicherungen profitieren aufgrund der zunehmenden Dezentralisierung nicht allein die Sicherungshersteller, sondern auch PV-Betreiber wie z.B. private Haushalte. Ferner sind durch die Übertragung der Erkenntnisse auf neue Anwendungsfelder, z. B. in der Mikroelektronik, Vorteile für KMU-strukturierte Zulieferketten im Automobilbau denkbar, vor allem im Hinblick auf die Integration elektrischer Antriebe.

Ergebniszusammenfassung:

Anhand der Untersuchungen konnten die in den Systemen Nickel-Zinn und Silber-Zinn auftretenden Phasen Ni3Sn4, Ag3Sn und Ag4Sn dargestellt und elektrisch charakterisiert werden. Anhand von Langzeitversuchen an Realproben konnten die Wachstumskontanten bestimmt werden. Mit den Ergebnissen des Projekts kann damit der Einfluss von intermetallischen Phasen auf das Langzeitverhalten der Betriebsmittel rechnerisch abgeschätzt werden, in denen diese Materialkombinationen vorkommen.

Damit wird es Sicherungsherstellern, Anlagenbauern und Beschichtern ermöglicht, die Zuverlässigkeit von Sicherungen und stromführenden Verbindungen zu erhöhen. Für stromführende Verbindungen kann anhand der Ergebnisse der Untersuchungen abgeschätzt werden, welchen Einfluss das Bilden der IMP auf den Verbindungswiderstand hat. Je nach Einsatzort, -zweck, und -bedingung kann so abgeschätzt werden, welche Materialkombination das gewünschte Langzeitverhalten gewährleistet.

Des Weiteren wurden direkt verzinnte Stromschienen aus Aluminium, an denen sich keine IMP bilden, als Alternative zu den Beschichtungen mit Zwischenschicht untersucht. Im stationären Betrieb bei Temperaturen bis 105 °C stellt die Variante der Beschichtung ohne Zwischenschicht eine Alternative zum Unternickeln dar.

Die Anwendungsmöglichkeiten der im Rahmen des Projekts gewonnenen Erkenntnisse liegen in den Bereichen der Elektrotechnik, Werkstoffe und Materialien, Energietechnik sowie Oberflächentechnik. Die zugehörigen Wirtschaftszweige sind Hersteller von elektrischen Ausrüstungen, Energieversorger, Metallerzeuger und –bearbeiter sowie Maschinenbauer.