Joint Resistance of Bolted Copper BusBar ...

13 th  Middle East Power Systems Conference, MEPCON' 2009, Assiut University, Egypt, December 20­23, 2009 

Joint Resistance of Bolted Copper Bus­Bar  Connections as influenced by Mechanical  Contact Devices Material and  Configuration.  Ghareeb Moustafa 

Steffen Grossmann 

TU Dresden – Germany  ghareebmoustafa@  yahoo.com 

grossmann@  ieeh.et.tu­dresden.de 

Mazen Abdel­Salam 

S. S. Dessouky  Samir M. El­Makkawy 

Assiut University­ Egypt 

Suez Canal University­ Egypt 

mazen2000as@  yahoo.com 

Abstract­  The  effect  of  different  Mechanical  contact  devices  on  the  DC  Joint  resistance  of  overlapping  bolted  connection  was  investigated experimentally, A  thermal network  calculations are  done and the result power and  temperature  are compared  with  that  obtained  experimentally  the  agreement  between  measured  and calculated values are quite good.  Furthermore, the behavior  of the joint resistance of bolted copper joint when loaded by AC  current was measured with changing mechanical contact devices  shape  and  material,  It  was  found  that  use  of  steel  plate  significantly  increase  the AC  contact  resistance  especially  if  the  direction of the plate is normal to current direction.  In addition,  the temperature rise and power dissipated through the joint with  different mechanical contact device was measured. 

I. INTRODUCTION  The main function of the sub­station is to provide a point in  the  electrical  system  where  energy  can  be  tapped  from  the  transmission  lines,  transformed  to lower voltage and directed  via busses to switches and circuit breakers  for the purpose of  either  protecting  the  various  circuits  in  emergencies,  or  switching  circuits  according  to  load,  need  for  maintenance,  etc.  Furthermore,  of  the  many  types  of  connections  used  in  sub­stations  components,  overlapping  bolted  joints  are  the  most  widely  used.  They  are  versatile,  dependable,  and  economical.  There are several factors influencing the performance of an  electrical  contact.  Such  important  factors  are:  design,  environmental  conditions,  mechanical  and  electrical  loads,  materials  and  assembling  procedures.  As  the  performance  demands  on  electrical  networks  and  plants  in  general,  and  electrical contacts in particular, constantly increases, the need  for  more  reliable  rules  for  design  and  testing  of  electrical  contacts  becomes  necessary.  As  for  the  design  factor,  a  number  of  more  or  less  important  design  parameters  can  be  identified,  including:  contact  force,  specific  contact  pressure  (i.e.  pressure  distribution  on  the  contact  surface)  ,  contact  surface topography (preparation), etc (1). 

ssdesouky@  yahoo.com 

makkawy_06@  hotmail.com 

A  well­designed  contact  device  should  have  an  adequate  mechanical strength to maintain the mechanical  integrity of  a  connector under normal and overload conditions of conductor  operation.  It should also establish and maintain a low contact  resistance,  thus  preventing  or  minimizing  the  excessive  heating  of  the  joint  under  overload  conditions.  In  fact,  the  temperature  rise  of  the  joint  should  not  exceed  that  of  the  conductor under normal or emergency conditions (2).  The  simplest type of  connection  is  made  using a hand  tool  and  a  mechanical  connector,  most  of  which  use  mechanical­  contact  devices  such  as  washers,  bolts,  screws,  etc.  These  connectors are inexpensive and easily installed but give rise to  doubts  about  their  reliability,  primarily  because  of  their  performance under operating conditions.  It is well established that the electrical contact resistance of  clean contacts, depends  on such parameters  as: normal  force,  contact  microhardness,  electrical  resistivity  and  surface  texture   (roughness) Traditionally, surface texture  parameters  are defined by the variance of  the height and the slope of the  surface  (3).  The  most  significant  quantity  to  assess  is  the  joint  resistance  to  guarantee  reliable  operation  of  the  joint.  The joint resistance should be  no greater than  limiting  value.  Such limiting values do not exist at present. Furthermore, it is  known  that  the  life  time  of  an  electrical  joint  will  be  determined  significantly  by    the    joint  resistance  R0  after  assembly (before aging) (4). The quickness of ageing depends  on the  performance  factor k  which equal the  joint resistance  divided  by  the  resistance  of  an  unjointed  bar  of  the  same  length, it has proven that  maximum initial performance factor  must be equal or less than 1.5  to have a life time 25…30 year  for bolted joint (5) (6).  Previous  studies  on  the  effectiveness  of  different  mechanical  contact  devices  (2)  have  shown  that  the  use  of

300 

disc­spring  (Belleville)  washers  combined  with  thick  flat  washers assures the most satisfactory mechanical stability of a  bolted  joint  under  stress­relaxation  and  current­cycling  conditions.  The  same  combination  was  also  found  to  be  the  most  effective  in  reducing  the  deleterious  effects  of  thermoelastic ratcheting on the mechanical integrity of bolted  aluminum­to­aluminum  connections  (7).  Recently  the  effect  of  Shape  Memory  Alloy  (SMA)  Belleville  Washer  on  the  contact resistance was studied (8).  Distributions  of temperature  in  electro­technical  devices  and  plant  as  well as  thermal transfer  between  the  parts  of  device  and  from  device  to  the  environment  can  be  calculated  by  means of thermal networks (9) (10). 

3. Solvent  cleaned  to  remove  grease  and  abrade  the  surface with a steel wire brush. 

Figure (1­a)  plate and twin nut direction perpendicular to current direction  assembly number 1, 2, 5, 6, 7 and 8 table (1). 

This paper is discussing whether special type of mechanical  contact device  has  any influence on  a contact resistance  of  a  bolted  joint  copper busbar.  At  the  same  time,  a  comparative  study between  the different  type of the joint  cleaning  and  its  effect  on  contact  resistance  during  tightening  and  releasing  was made. Moreover, the power dissipated  through the joints  with different mechanical contact devices is measured.  The  experiments  were  carried  out  in  Institute  of  Electrical  Power Systems and High Voltage Engineering of the Dresden  University of Technology  ­Germany 

Figure (1­b) plate and twin nut direction parallel to current direction  assembly number 9 table (1).  Figure 1:  copper busbar and test object assembly. 

.  Plate stainless steel 

II.  EXPERIMENTAL DETALS 

Plate steel S52 

A.  Copper Busbars  All the tests in this study were performed using copper busbars from SE­  CuF25 ( Figure 1)  measuring 80 mm by 10 mm by 180 mm long, delivered  from SIEMENS to TUD Dresden –Germany; the two busbares are connected  by four bolt  arranged in rectangular shape in an overlap distance  of  90 mm  Figure 1 . 

B.  Figure 2)  1.Stainless  steel  Plate,  KLT­Plate  76X38x2,5;  X5CrNi18­10  2.  Normal steel Plate, 76X38x2,5  3.Washer:  A12, A2­70, ISO 7019  4.Single nut: Hexagonal ,A2­70, ISO 4017  5.Stainless  steel  Twin  Nut,  M12/62x25x14;  X5CrNi18­10  6.Normal steel  Twin Nut , M12/62x25x14  7.Screw:  M12x55 Hex, A2­70, ISO 4017  8.Screw: M12x55 Hex, Normal steel , ISO 4017  The  contact  surfaces  of  the  connectors  intended  for  the  contact  resistance  measurements  were  cleaned  used  three  different  methods  for  cleaning  before  measuring  the  joint  resistance with increasing and decreasing torque  1.Solvent cleaned by alcohol.  2.Solvent  cleaned  and  polished  the  surface  by  fleece  sheet. 

301 

Washer 

Twin nut stainless steel 

Single nut

Twin nut steel S52 

Figure 2: Photograph for the Mechanical Contact Device. 

Table 1: test number, D.C and first ac Joint resistance reading. 

C.  DC Joint resistance measurement  The  DC  contact  resistance  was  measured  by  a  micro­  ohmmeter MO2­ 50 (manufacturer: Rasmus, Germany).  D.  AC Joint Resistance Measurement  The joint was connected as shown in Figure 3, for different  joint  assemblies  in  Table  1  operating  under  the  same  environmental  and  loading  condition  of 50  Nm. The  applied  current  was  2300  A  to  2350  A.  The  temperature  of  the  busbars  was  measured  by  ALMEMO  2590  (manufacturer:  AHLBORN),  until  it  reaches  the  steady  state  temperature.  Moreover,  the  joints  resistance  and  power  dissipated  were  also  measured  by  a  Single­Phase  Precision  Power  Analyzer  LMG95  (manufacturer:  HOTEK  TECHNOLOGY)  to  eliminate  the  effect  of  magnetic  field  ­  produce  by  high  current­  on  the  measuring  value,    Measuring  terminal  of  power analyzer must be crossed as shown in Figure 3.  Before  connected  the  circuit,  all  contacting  surfaces  of  the  copper  busbars were prepared following the same procedure.  III.  RESULTS  Figure 4 shows a comparison between DC joints resistance  and  Initial  AC  Joint  resistance  at  the  same  contact  force.  It  can  be  seen  that  the  initial  AC  contact  resistance  of  the  copper  joint  with  Plate  and  twin  nut  from  normal  steel  is  higher than the AC value for  other connection assemblies. 

Figure 4: comparison between DC joint resistance and initial AC joint  resistance. 

B.  Effect of alternating current on the joint resistance  Figure 6 shows the relation between joint resistance and joint  temperature for all tests.  It is clear from the figure that using  normal  steel  plate  has  a  great  effect  on  joint  resistance  especially  when  used  with  normal  steel  nut,  this  can  be  ascribed  to  the  eddy  current  produced  on  normal  steel  plate  when  subjected  to AC current. This cause  increasing in  joint  resistance  and  increasing  in  power  dissipated  as  shown  in  Figure 7 .  If we compare the result obtained from assembly 3,  4  and  5,  6  and  7,  8  we  can  observe  that  changing  screw  material has no effect in AC or DC joint resistance.  Figure 3: Circuit diagram for AC test circuit. 

Table 1 : test number, D.C and first ac Joint resistance reading.  A.  Relation between joint resistance and joint force  Effect  of  increasing  and  decreasing  torque  on  the  joint  resistance  is  assessed  as  shown  in  Figure  (5)  where  the  cleaning method was changed as explained previously.   This  figure shows that at the same joint force the joint resistance is  always  higher  during  tightening  than  during  releasing  this  behavior is known as hysteresis of the joint resistance.  Also it  is  clear  from  Figure  5  that  the  Joint  resistance  does  not  depend  on  joint  torque  at  torque  greater  than  20  Nm  for  polished and abraded joint. 

If  the  direction  of  the  steel  plate  was  changed  (assembly  number  9  figure  (1­b))  to  be  in  the  same  direction  of  the  passed current  the joint resistance and power dissipated  will  decreased  when compared with that when the plate direction  is perpendicular to the current direction.  C.  Power Dissipated through the joint  The  power  dissipated  through  the  special  (normal  steel)  and  normal  copper  joints  was  measured  by  Power  analyzer.  Experiment  was  carried  out  two  times  the  first  one  is  to  measure  the  power  dissipated  at  20 o C  (  Figure  8  )  and  the  second one is to measure the  power dissipated  when current  flows for about 2  hours (  Figure 10).  From this  figure,  it can  be  seen  that  the  power  dissipated  and  the  temperature  rise

302 

through the normal steel contact devices copper joint is higher  in comparison to the other type. 

Figure 5: Relation between joint resistance and joint torque at assembly No.3. 

Figure 8 : Power dissipation versus AC current for different joints  at T= 20  o C. 

IV.  THERMAL N ETWORK 

Figure 6: Relation between joint resistance and temperature raise at different  Mechanical contact Devices 

A.  Simulation concept  The  Thermal  Network  Method  (TNM)  is  based  on  a  substitution  of  an  arbitrary  3D  geometry  by  a  circuit  consisting  of  thermal  resistances,  capacitances  and  heat  sources.  For  such  a  network  the  currents  correspond  to  heat  flow  and  the  nodal  potentials  to  temperatures.  Due  to  similarity  of  mathematical  formulations  the  electrical  circuit  programs  can  be  used  to  obtain  a  solution.  The  basic  advantage  of  the  thermal  network  analysis  is  the  fast  computation  time  as  steady  state  computations  of  large  models can be performed within a few seconds. Therefore, the  TNM  is  very  suitable  for  parameter  studies  and  become  popular as a tool supporting the industrial design (11) (12) .  The  thermal network  is modeled  by  an  equivalent electrical  and  thermal  variables  and  calculation  equations.  Where    are  reported in Table  2  Table  3 respectively.  Table  2: relation between electrical and thermal flow field  Electrical domain  Voltage  V [V]  Current  I [A]  Electrical Resistance  R [Ω]  Electrical Capacitance 

C [F] 

Thermal domain  Temperature  T [°C]  Heat flow  P [W]  Thermal resistance  Rth  [K/W]  Thermal  Cth  [J/K]  Capacitance 

By  using  the  network  simulation  program  PSPICE  with  the  corresponding  thermal  model  libraries  and  calculation  equations  Table  3  for  thermal  power  losses  and  thermal  resistances  for busbar the thermal networks were built Figure  9. 

Figure 7: Power Dissipated vs. Temperature with different twin material  and shape.

303 

Table  3: Calculation Equations For Thermal Power Losses And Thermal Resistances 

Thermal Network  Element 

Equation 

Power Losses 

Convection resistance 

Figure (10­a) 

Radiation resistance 

Losses  Figure (10­b) 

Convectio 

Radiation 

Conducting along  conductor

Figure 10: power dissipated versus AC current for different joints after being  heated. 

I. CONCLUSIONS 

Figure 9:  Thermal Network model of busbar conductor 

B.  Thermal network results  The  thermal  network  results  of  power  and  temperature  at  different  applied  currents are shown  in  Figure 10. The figure  shows a  good  agreement of  the  calculated  values with those  measured  experimentally.  The  different  between  measured  and  computed  value  for  temperature  may  be  attributed  to  instrument  error  or  the  constant  room  temperature  20  o C  in  the calculation procedure. 

304 

1.  Results  of  contact  resistance  measurements  with  changing  applied  torque  show  clearly  that  the  joint  resistance of bolted copper power connectors  can be  significantly  decreased  by  surface  preparation,  such  as abraded or polished.  2.  From  the  available  data  and  the  experimental  tests,  the  DC  joint  resistance  of  cleaning  copper  bas­bar  joint is not affected  by  changing mechanical contact  devices or increasing applied torque.  3.  The  Joint  resistance  of  busbar  joints  is  affected  by  mechanical contact devices  material  when subjected  to AC current.  4.  The  detrimental  effect  of  normal  steel  devices  resulting in the  form of high AC joint resistance and  high power dissipated.  5.  Changing  screw  material  (stainless  steel  –  normal  steel) does not effect on DC or AC joint resistance. 

6.  The  joint  resistance  of  bolted  copper  busbar  with  normal  steel  contact  devices  decreases  when  the  direction  of  used  plate  and  twin  nut  was  changed,  this ascribed  to changing of  the  amount of magnetic  field which cutting plate and twin nut.  7.  The  agreement  between  the  theoretical  and  experimental  result  of  temperature  and  power  dissipated  at  different  joint  assembly  obtained  from  this study is quite good. 

Contacts and the 22nd International Conference on Electrical  Contacts,20­23 Sept. 2004, PP.111­ 117.  11. Christoph Gramsch, Andreas Blaszczyk, Helmut Löbl1  and Steffen Grossmann. "Thermal Network Method in the  Design of Electric Power Equipment". Scientific Computing  in Electrical Engineering SCEE 2006.  12. Ina Berg, Helmut LöbL, Steffen Grossmann and Frank  Golletz. "Thermal Behavior Of Network Components  Depending On Outdoor Weather Conditions". 20th  International Conference on Electricity Distribution,Prague,  8­11 June 2009. 

References 

1. K.­E. Olsson. “Influence Of Mechanical Design  Parameters On Electrical Contact Performance”.  Proceedings of the Thirty Fifth Meeting of the IEEE Holm  Conference on Electrical Contacts, 18­20 Sept. 1989, PP.133  ­ 140.  2. M. Braunovic. “Effect of different types of mechanical  contact devices on the performance of bolted aluminum to  aluminum joints under current cycling and stress relaxation”.  Proc. of 32nd IEEE Holm conference on Electrical  Contacts,1986.PP.133­141.  3. Michael T. Singer and Kristopher Kshonze. "Electrical  Resistance Of Random Rough Contacting Surfaces Using  Fractal Surface Modeling". Proceedings of the Thirty­  Seventh IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 6­9  Oct 1991,PP. 73­82.  4. Ralf Bergmann, Helmut Löble, Helmut Böhme and Steffen  Grossmann. "Model To Assess The Reliability of Electrical  Joints". 18th international Conference on Electrical Contacts,  chicago 16­20.9.19996, PP.173­179.  5. Steffen Grossmann, Habil Helmut Löbl and Habil Helmut  Böhme. "Contact Lifetime of Connections in Electrical Power  System". 16th International Conference on Electrical Contacts  ,Loughborough University of Technology, 1992.  6. H.Böhme and H.Löbl. "Zur Theorie des Langzeitverhaltens  von Aluminium ­Schraubverbindungen". ELEKTRIE, Berlin  41(1987),PP.179­183.  7. Milenko Braunovic and Milutin Marjanov. "Thermoelastic  Ratcheting Effect in Bolted Aluminum­to­Aluminum  Connections". IEEE Transactions on Components, Hybrids,  and Manufacturing Technology, VOL. 11, NO. I, March  1988, PP.54­63.  8. C. Labrecque, M. Brauinovic, P. Terriault, F. Trochu and  M. Schetky. "Experimental and Theoretical Evaluation of the  Behavior of a Shape Memory Alloy Belleville Washer under  Different Operating Conditions". Proceedings of the Forty­  Second IEEE Holm Conference on Electrical Contacts,16­20  Sept. 1996,PP.195 ­ 204.  9. H. Löbl. " Basis of Thermal Networks" (unpuplished).  Dresden University of Technology, 1999.  10. Thomas Schoenemann, Mario Schenk,Helmut Löbl,  Marianne Pleines, Tomasz Magier. "Optimal Design of  Generator Circuit Breakers up to a Capacity of 2000 MVA  using Thermal Models under Consideration of Electrical and  Thermal Contact Resistances". Electrical Contacts, 2004.  Proceedings of the 50th IEEE Holm Conference on Electrical 

List of symbol  K  :  Skin effect  αconv  :  Convection coefficient  αrad  :  radiation coefficient  Aconv  :  surface area for convection  Arad  :  surface area for radiation  Nu  :  Nusselt number  Gr  :  Grasshof number  C1  :  Factor  n1  :  Exponents  ε12  :  Emissivity between  the  radiating and absorbing  surface  T1,T 2  :  Absolute temperatures of both surface  λfluid  :  Thermal conductivity of fluid  ρ20  :  Specific electrical resistance at 20  o C     :  Temperature  Pr  :  Prandtl number  Ich  :  Characteristic lenghth  Rconv  :  Convection resistance  Rrad  :  Radiation resistance  σ  :  Stefan Boltzmann constant 5.67*10 ­8  W/(m 2 K 4 )  :  Electrical resistance R(  ) 

305