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Die Erfindung betrifft ein Kabelanschlusselement für Leitungs- und Lastkabelverbindungen im Starkstrom-Transformatorenbau, wobei wenigstens ein Ende des Kabels als Kontakt herstellendes Element bzw. Flachteil ausgebildet ist, welches die Funktion eines Befestigungselementes zur Befestigung von Kabelanschlüssen erfüllt.
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Einsatz findet eine derartige Lösung bei der elektrischen Montage in Transformatoren im Starkstrom- und/oder im Unterspannungsbereich.
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Lösungen für eine unkomplizierte Verbindung von zwei Kabelenden sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.
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So beschreibt die
DE 103 36 408 A1 ein Verfahren zum Verbinden eines Elektrokabels mit einem hülsenförmigen Verbindungselement, bei dem das Elektrokabel in die Einführbohrung der Hülse eingeführt, das Kabel radial nach innen zusammengedrückt wird, um den eingeführten Abschnitt des Elektrokabels gleichförmig über dessen gesamten Umfang einzuschnüren, und anschließend das hülsenförmige Verbindungselement mit einem Kontaktelement durch Ultraschallschweißen zu verbinden.
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Diese Lösung wird bereits sehr vielfältig in der Praxis und bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Sie hat sich bewährt, hat jedoch den Nachteil, dass die Kabelenden mit zusätzlichen Bauteilen, wie Kabelschuhen oder Kabelhülsen versehen werden müssen um eine funktionierende Kabelanschlussverbindung herstellen zu können, Diese Art der Kabelverbindung führt jedoch durch den Einsatz von weiteren Materialien zu zusätzlichen Kontaktverlusten zwischen dem Kabel und dem angeordneten kontaktierenden Bauteil. Im Niederspannungsbereich können derartige Verluste ignoriert werden, im Hochspannungsbereich führt dies zu relevanten Leistungsverlusten und Temperaturerhöhungen, welche beide unbedingt so gering wie nur möglich gehalten werden müssen.
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Außerdem führt die Anordnung von Kabelschuhen im Hochspannungsbereich zu erheblichen Zusatzkosten.
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Die in der Offenlegungsschrift
DE 102006021422 A1 dargelegten Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines im Querschnitt eine Rechteckgeometrie aufweisenden Durchgangs- oder Endknotens aus elektrischen Leitern durch Kompaktieren und anschließendes Verschweißen der Leiter mittels Ultraschall in einem in Höhe und/ oder Breite verstellbaren und im Querschnitt rechteckförmigen Verdichtungsraum einer Ultraschallschweißmaschine, wobei gegenüberliegende Begrenzungsflächen des Verdichtungsraums Abschnitte einer Sonotrode bzw. einer dieser gegenüberliegenden Gegenelektrode sind. Diese Lösung wird als zuverlässige Verbindung von wenigstens zwei Kabelenden in der Automobilbranche eingesetzt und gilt dort als sehr zuverlässig. Es entsteht jedoch keine glatte Oberfläche des mit Ultraschweißen bearbeiteten Abschnittes, was bei der Anwendung im Kabelverbindungsbereich bei niederen Spannungsbereichen keine Rolle spielt. Im Bereich von Hochspannungsanschlüssen ist die glatte Oberfläche unbedingt zu erreichen, um die Spannungsverluste im Kontaktbereich so gering wie möglich zu halten.
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Aus der Niederspannungstechnik ist das Kompaktieren von Litzen bekannt, um an die so verfestigten Enden einfacher den entsprechenden Kontakt zu den, den Kontakt herzustellenden Bauteilen fügen zu können, was zum Teil im gleichen Arbeitsschritt mit dem Kompaktieren erfolgt. Anwendungen finden wir im Automotive-Bereich, bei Heimelektrik und Elektronik, mit jeweils kleinen Leitungsquerschnitten und zusätzlichen Bauteilen.
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Eine eins-zu-eins Übertragung dieser Technologie auf die Erfordernisse der Starkstromtechnik ist wegen der ungleich größeren Leitungsquerschnitte nicht durchführbar, auch weil auf zusätzliche Teile verzichtet werden soll.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Lösung für ein stabiles kompaktes Kabelanschlusselement für dessen Einsatz im Starkstrom-Transformatorenbau im Starkstrombereich und dort für das anschließende Verbinden von Starkstromkabeln sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, durch welche die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Es soll eine Lösung für ein kompaktes, aber leistungsstarkes und in den Kabelwerkstoff integriertes Kontakt herstellendes Bauteil mit einer glatten Oberflächenstruktur und definierter Geometrie geschaffen werden sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung, welches seine Funktion unter Verzicht auf weitere Bauteile wie Kabelschuhe oder Hülsen erfüllt und bei der Fertigung Zeit und Materialkosten spart.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Die vorteilhaften Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Danach weist das erfindungsgemäße Kabelanschlusselement für den Einsatz als Leitungs- und Lastkabelverbinder im Verteil- und Leistungstransformatorenbau im Starkstrombereich ein den Kontakt zu anderen stromführenden Teilen herstellendes Formelement auf, das ausschließlich aus dem Kabelmaterial des verwendeten Kabelendes besteht, welches an seinem Ende kompaktiert ist, wodurch die Einzeldrähte des Kabelendes miteinander im stofflichen Schmelzverbund stehen.
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Dazu werden die Enden der Litzen des Kabels bei gleichzeitiger stoffschlüssiger Verbindung der Einzeladern in eine geeignete Querschnittsform mit kontaktfreundlicher glatter Oberfläche umgeformt. Um einen möglichst sicheren und wiederholgenauen Prozeß zu haben ist es vor dem Ablängen des erforderlichen Seilabschnittes sinnvoll, die Enden der Litzen des Kabels im Schnittbereich formerhaltend temporär zu fixieren, um ein Aufspleißen der Kabelenden nach dem Schnitt zu verhindern. Anschließend wird der Kabelendbereich im gewünschten Maß des Kabelanschlusses mittels einer Widerstandsschweißanlage in einer Kompaktier-Gesenkvorrichtung, deren innere Gestaltung der gewünschten Form des Kabelanschlusselementes entspricht, in die gewünschte Geometrie mittels Druck bei gleichzeitiger Temperaturbeaufschlagung des Kabelendbereiches kompaktiert und umgeformt. Dabei wird der Verbund nur im Kontaktflächenbereich der einzelnen Drähte und Litzen hergestellt. Gleichzeitig erhält der Kabelendbereich die gewünschte Form des Kabelanschlussteils. Zum Erreichen des Schmelzverbundes erfolgt die Bearbeitung der abgelängten und fixierten Kabelendabschnitte in einer geeigneten Widerstandsschweißvorrichtung mittels eines entsprechenden Werkzeugs. Zwischen Ober- und Unterelektrode derselben befindet sich der fixierte Kabelendabschnitt, welcher im Gesenk von fünf Seiten (links, rechts, oben, unten und vorn) aus hitzebeständigem Material umgeben ist.
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Der umschlossene Raum zwischen der Unterelektrode, den Seitenbegrenzern und der unteren Stellung der Oberelektrode entspricht dabei der gewünschten Grund- bzw. Endform des Kontakt herstellenden Formelements.
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Unter entsprechendem Druck und bei Temperaturen im Warmumformbereich des Materials findet die Verdichtung des aus vielen Einzeldrähtchen bestehenden Querschnitts des Litzenseils statt bei gleichzeitiger Verschweißung der Oberflächen der nebeneinanderliegenden Drähte und Litzen durch das Anlegen einer Spannung. Dabei erfolgt eine linienförmige bis flächige Verschweißungen der Einzeldrähte- und Litzenperipherien, wodurch ein massiver und formstabiler Körper mit voreingestellter Form und Größe erzeugt wird.
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Unterstützt durch die anschließende Abkühlung erhält man ein kompaktes und stabiles Kabelanschlusselement mit einer glatten Oberfläche als Anlage- und Kontaktfläche.
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Nach Entnahme aus dem Werkzeug liegt ein kompaktes und stabiles Kabelanschlusselement mit wenigstens einer flach ausgebildeten und sehr glatten Oberfläche als Anlagefläche für das Verbinden von Kabelenden mit einem optimalen Stromfluss vor.
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Nachträglich wird an dem erzeugten Formelement ein Befestigungselement in Form wenigstens einer Durchgangsbohrung angeordnet, um einen festen Verbund der beiden Kabelenden im Starkstrombereich zu ermöglichen.
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Die Vorteile der Erfindung liegen zusammengefasst in der Schaffung von kompakten Kabelanschlusselementen, welches ohne zusätzliche Vorrichtungselemente in wenigen zeitminimalen Arbeitsschritten gefertigt werden können, formstabil ausgebildet sind und flexibel angewendet werden können.
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
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Dazu zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht des Kabelanschlusselementes mit Durchgangsbohrung (2) und festen sowie formstabilden Kabelende (1),
- 2 eine schematische Draufsicht des Kabelanschlusselementes mit Durchgangsbohrung (2) und festen sowie formstabilden Kabelende (1) und
- 3 eine schematische Frontansicht des Kabelanschlusselementes mit Durchgangsbohrung (2) und festen sowie formstabilden Kabelende (1).
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Ein Kabel aus Kupfermaterial mit einem Durchmesser von 150 mm2, bestehend aus 392 Einzeldrähten, welche zu einem Seil zusammengeschlagen wurden, soll an seinem Ende mit einem Kabelanschlusselement ausgebildet sein, welches wenigstens eine glatte und große sowie materialtechnisch gesehen, homogene Anlagefläche für den Anschluss eines weiteren Kabelelementes aufweist. Erfindungsgemäß wird der Kabelendbereich vor dem Ablängen formerhalten fixiert, um ein Aufspleißen der Litzenenden und des Kabelendes zu verhindern.
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Die fixierten Enden des Kabelbereiches werden für das Gestalten eines Kabelanschlusselementes in den aus Ober- und Unterelektrode und den Seitenbegrenzern eines Widerstandsschmelzgesenks in dessen offenen Zwischenraum positioniert und durch das Absenken der Oberelektrode und der Spannungsbeaufschlagung von Ober- und Unterelektrode in die gewünschte Form und Dimensionierung mittels der gleichzeitigen Druck- und Temperaturbeaufschlagung des Kabelendbereiches kompaktiert und umgeformt. Dazu wird das obere Gesenkteil bis zur gewünschten Höhenabmessung des herzustellenden Kabelanschlusselementes abgesenkt, wobei die Druckbeaufschlagung und auch die anzulegenden Spannung und damit die Temperaturentstehung im Kabelendbereich bestimmt werden durch das Material des Kabels und dessen ursprünglicher Dimensionierung. Die Seitenbegrenzer des Gesenkes und der vordere Bereich als Anstoßbegrenzer werden vorteilhafter Weise aus isolierendem Keramikmaterial gestaltet und die Ober- und Unterelektrode werden vorteilhafter Weise aus Wolfram gestaltet, um den Spannungsfluss optimal zu gestalten und die Wärmeeinwirkung vor allem im dazwischen angeordnetem Kabelmaterial entstehen zu lassen. Die Temperaturbeaufschlagung erfolgt dabei bis zum Bereich oberhalb der Rekristallisationstemperatur, so dass ein oberflächiger Schmelzverbund zwischen den nebeneinanderliegenden Einzeldrähten und Litzen entsteht. Die gleichzeitige Beaufschlagung des Kabelmaterials mit Druck durch das Absenken der bis zum Erreichen der gewünschten geometrischen Form des Kabelendabschnittes wird das Kompaktieren und das Herstellen des Schmelzverbundes im Kabelendbereich erreicht.
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Eine vorteilhafte anschließende Abkühlung unterstützt die Verfestigung des Kabelanschlusselementes, so dass ein festes und formstabildes Ende 1 mit wenigstens einer großen flachen sowie glatten Kontaktfläche 3 des Kabelendes als Kabelanschlusselement vorliegt.
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Vorzugsweise ist die Kontaktfläche 3 beidseitig, von oben und auch von unter betrachtet, ausgebildet, so dass der Anschluss entweder von Oben oder von Unten erfolgen kann.
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Durch die anschließende Anordnung einer Durchgangsbohrung 2 als Befestigungselement für das anzuschließende weitere Kabelende wird das Kabelende als Kabelanschlusselement komplettiert.
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Auf diese Weise wird ein Kabelanschlusselement geschaffen, welches eine stabile Form, ausschließlich gebildet aus dem Kabelmaterial, mit wenigstens einer großen und glatten Kontaktfläche 3 als Anschlussfläche zum zu verbindenden weiteren Kabelanschlusselement aufweist und was mit einem Befestigungselement in Form einer Durchgangsbohrung 2 aufweist. Das geschaffene Kabelanschlusselement bietet einen optimale Stromübertragung mit optimalem Spannungsverlauf, da durch den Verzicht auf weitere Materialien und Bauteile der ursprüngliche Widerstand der zu verbindenden Kabel nur unwesentlich verändert und beeinflusst wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10336408 A1 [0004]
- DE 102006021422 A1 [0007]