Verbindungs- und Klemmtechnik

Stell dir eine Leitung vor, die Strom zu einem Motor führt. Über die ganze Länge ist das Kupfer homogen – ein durchgehender Leiter mit definiertem Querschnitt und bekanntem Widerstand. Sobald die Leitung aber in eine Klemme geht, ändert sich die Lage. Hier pressen zwei Metalloberflächen aufeinander, und an dieser Pressstelle muss der Strom von einem Bauteil ins andere übertreten.

Diese Übertrittstelle ist die Schwachstelle. Sie kann sich lockern, korrodieren oder von Anfang an schlecht ausgeführt sein. Eine lose Klemme im Verteiler ist eine der häufigsten Brandursachen in elektrischen Anlagen – sie erwärmt sich schleichend, oft über Monate, bis Isolierung oder umliegendes Material zündet.

An jede Verbindung werden vier Grundanforderungen gestellt:

• dauerhaft niedriger Übergangswiderstand – der Strom soll ohne nennenswerten Verlust übertreten
• mechanische Festigkeit – die Verbindung darf sich durch Vibration, Temperaturwechsel oder Zug nicht lösen
• Korrosionsbeständigkeit – die Kontaktstelle darf nicht durch Oxidation langsam unbrauchbar werden
• Zugentlastung – an der eigentlichen Kontaktstelle darf keine Zugkraft ziehen

Das Wort „dauerhaft“ ist dabei entscheidend. Eine Verbindung, die heute funktioniert, muss auch nach zehn Jahren Betrieb noch gut sein. Genau daran scheitern schlechte Verbindungen: Sie sind anfangs unauffällig und verschlechtern sich über die Zeit.

Zwei Metalloberflächen sehen glatt aus, sind es aber nicht. Unter dem Mikroskop besteht jede Oberfläche aus Bergen und Tälern. Wenn man zwei solche Flächen aufeinanderpresst, berühren sie sich nicht flächig, sondern nur an den höchsten Spitzen – an einer Vielzahl winziger Punkte. Diese tatsächlichen Berührungspunkte nennt man Mikrokontakte (auch A-Spots). Die echte stromführende Fläche ist nur ein Bruchteil der scheinbaren, geometrischen Fläche.

Der Strom muss durch genau diese Mikrokontakte. Je weniger und kleiner sie sind, desto höher der Widerstand an der Übertrittstelle – der Übergangswiderstand. Er ist der zusätzliche Widerstand, der allein durch die Kontaktstelle entsteht, unabhängig vom Leiterwiderstand.

Was hilft? Kontaktkraft. Je stärker man die beiden Flächen zusammenpresst, desto mehr werden die Mikrokontakte plattgedrückt, neue entstehen, die echte Berührungsfläche wächst. Der Übergangswiderstand sinkt. Deshalb hat fast jede Klemmtechnik ein Element, das dauerhaft Druck erzeugt: die Schraube, die Feder, der gecrimpte Mantel.

Hohe Kontaktkraft bewirkt noch etwas Zweites. Sie drückt die Oberflächen so fest zusammen, dass keine Luft mehr dazwischenkommt. Damit kann sich keine Oxidschicht bilden. Eine solche Verbindung nennt man gasdicht. Gasdicht heißt nicht luftdicht im Wortsinn, sondern: an der Kontaktstelle selbst ist kein Sauerstoff mehr wirksam. Das ist das Ziel jeder dauerhaften Verbindung.

Der Übergangswiderstand hat eine unangenehme Folge. An ihm fällt eine Verlustleistung ab:

Das Quadrat ist der Knackpunkt. Verdoppelt sich der Strom, vervierfacht sich die Verlustleistung. Diese Leistung heizt die Klemme auf. Eine erwärmte Klemme oxidiert schneller, der Übergangswiderstand steigt weiter, die Erwärmung nimmt zu – ein Teufelskreis, der am Ende zum thermischen Versagen führt.

Zusätzlich fällt an der Übertrittstelle eine Spannung ab:

Dieser Spannungsfall ist für die Fehlersuche praktisch. Eine schlechte Klemme verrät sich durch einen messbaren Spannungsfall über der Verbindung, schon bevor sie sichtbar heiß wird.

Die Schraubklemme ist die klassische Lösung. Eine Schraube presst den Leiter gegen ein Metallteil und erzeugt so die Kontaktkraft. Es gibt zwei Bauformen, die man nicht verwechseln sollte.

Bei der einfachen Schraubklemme drückt die Schraubenspitze direkt auf den Leiter. Das funktioniert, hat aber einen Nachteil: Die Spitze kann feindrähtige Leiter quetschen, einzelne Drähtchen abscheren und so den Querschnitt schwächen. Bei der Käfigzugklemme (auch Käfigzugbügel) dreht die Schraube einen Bügel, der den Leiter gegen eine Stromschiene zieht. Der Druck verteilt sich über eine Fläche, nicht über eine Spitze. Das schont den Leiter und ist die heute übliche Bauform in Reihenklemmen.

Beim Anzugsdrehmoment geht es hier rein um den elektrischen Aspekt: Es muss so hoch sein, dass die nötige Kontaktkraft entsteht und der Übergangswiderstand niedrig bleibt – aber nicht so hoch, dass der Leiter plastisch verformt und dauerhaft geschwächt wird. Der Hersteller gibt für jede Klemme einen Wert an, der mit dem Drehmomentschlüssel einzuhalten ist. Die mechanischen Grundlagen von Schraube und Gewinde behandelt der eigene Beitrag zu Schraubenverbindungen.

Ein besonderer Fall sind feindrähtige Leiter (flexible Litzen). Sie dürfen in vielen Schraubklemmen nicht ohne Schutz geklemmt werden, weil die Einzeldrähte unter Druck seitlich wegfließen – das nennt man Kaltfließen. Die Folge: Die Kontaktkraft lässt mit der Zeit nach, die Klemme lockert sich. Die Lösung ist die Aderendhülse, eine aufgecrimpte Metallhülse, die alle Drähtchen bündelt und einen festen, fließstabilen Anschlusskörper bildet.

Noch heikler verhält sich Aluminium als Leiterwerkstoff. Aluminium neigt von sich aus zum Kaltfließen: Unter dauerndem Druck weicht das Metall langsam zur Seite aus, die Schraubverbindung verliert an Kontaktkraft. Deshalb müssen Aluminiumverbindungen regelmäßig nachgezogen oder mit speziell dafür zugelassenen Klemmen ausgeführt werden, die den Druck über eine Feder konstant halten. Dazu kommt die Oxidschicht: Aluminium überzieht sich an Luft sofort mit einer dünnen, schlecht leitenden Oxidhaut. Diese Schicht muss beim Klemmen aufgebrochen und mit einer Kontaktpaste am Neubilden gehindert werden. Beim direkten Übergang von Kupfer auf Aluminium kommt die Kontaktkorrosion hinzu: Kupfer und Aluminium liegen in der elektrochemischen Spannungsreihe weit auseinander. Kommt Feuchtigkeit dazu, wirkt sie als Elektrolyt, und zwischen den beiden Metallen entsteht ein galvanisches Element – das unedlere Aluminium wird dabei abgetragen und die Verbindung zerstört. Genau deshalb setzt man Zwischenstücke aus Cupal (ein Kupfer-Aluminium-Verbund) ein, damit nicht blankes Kupfer direkt auf Aluminium trifft.

Bei der Schraubklemme muss eine Person die richtige Kraft aufbringen und über die Jahre kontrollieren. Die Federkraftklemme nimmt dieser Person die Arbeit ab. Statt einer Schraube erzeugt eine vorgespannte Metallfeder die Kontaktkraft. Man steckt den Leiter ein, die Feder drückt ihn gegen die Stromschiene – fertig.

Das hat mehrere Vorteile. Die Kontaktkraft ist immer gleich, unabhängig vom Geschick der montierenden Person. Sie bleibt über die Zeit konstant, weil die Feder nachfedert, wenn das Material minimal nachgibt. Und sie ist vibrationssicher: Eine Feder kann sich nicht losdrehen wie eine Schraube. Deshalb gelten Federkraftklemmen als wartungsfrei – sie müssen im Betrieb nicht nachgezogen werden.

Man unterscheidet zwei Bedienarten. Bei der Push-in-Klemme lässt sich ein starrer Leiter oder ein Leiter mit Aderendhülse direkt einstecken, die Feder gibt nach und schnappt zu. Für feindrähtige Leiter ohne Hülse oder zum Lösen öffnet man die Feder mit einem Hebel oder einem Werkzeug im Betätigungsschlitz.

Eine andere Familie ist die Schneid-Klemm-Technik (englisch IDC, Insulation Displacement Connection). Hier wird der Leiter nicht abisoliert. Stattdessen drückt man ihn in einen schmalen Metallschlitz mit scharfen Kanten. Die Kanten schneiden durch die Isolierung bis auf den Leiter und bilden gleichzeitig eine gasdichte Kontaktstelle. Das ist schnell und reproduzierbar, weshalb man es in der Massenfertigung und bei mehradrigen Datenleitungen findet – etwa in Netzwerk- und Telefonsteckverbindern.

Crimpen heißt: Ein Metallteil – eine Hülse, ein Kabelschuh – wird mit hohem Druck dauerhaft um den Leiter herum verformt. Bei richtig ausgeführtem Crimp presst sich das Material so fest um die Einzeldrähte und in die Zwischenräume, dass eine gasdichte, dauerhafte Verbindung entsteht. Man spricht von einer Kaltverschweißung: Die Metalle verbinden sich unter Druck, ohne Hitze, fast wie verschweißt.

Der häufigste Crimp im Alltag ist die schon erwähnte Aderendhülse. Sie wird über das abisolierte Ende einer Litze geschoben und mit der Crimpzange verpresst. Wichtig ist die richtige Hülsengröße zum Leiterquerschnitt und die passende Zange – das Crimpprofil prägt die endgültige Form. Gängige Profile sind der Vierkant-, der Sechskant- und der Trapezcrimp; welches verwendet wird, hängt von Hülse und Zange ab. Ein guter Crimp ist gleichmäßig verpresst und sitzt fest; die Hülse darf sich nicht von Hand abziehen lassen.

Für größere Querschnitte und für die Verbindung an Schienen oder Bolzen verwendet man Kabelschuhe und Quetschverbinder. Auch sie werden aufgecrimpt. Bei Aluminium-Kabelschuhen gelten dieselben Vorsichtsmaßnahmen wie beim Schraubanschluss: Die Oxidschicht muss beim Crimpen aufgebrochen werden, und es sind speziell für Aluminium vorgesehene Kabelschuhe und Werkzeuge zu verwenden, häufig mit Kontaktfett gefüllt.

Typische Fehler beim Crimpen: die falsche Hülsengröße, eine ungeeignete oder verschlissene Zange, zu wenig oder zu weit abisolierter Leiter, oder ein Crimp, der nicht vollständig geschlossen wurde. Jeder dieser Fehler erhöht den Übergangswiderstand oder schwächt die mechanische Festigkeit.

Crimpen ist eine von mehreren Möglichkeiten, einen Leiter dauerhaft zu kontaktieren. Eine andere ist das Löten – das hat aber eigene Besonderheiten und wird getrennt behandelt.

Im Verteiler laufen viele Leiter zusammen, und sie müssen geordnet und sicher verbunden werden. Das gängige Bauteil ist die Reihenklemme – einzelne Klemmen, die auf eine Tragschiene aufgereiht werden, meist als Käfigzug- oder Federkraftklemme. Schutzleiter und Neutralleiter bekommen eigene Sammelschienen: die PE-Schiene und die N-Schiene, an denen die jeweiligen Leiter zusammengeführt werden.

In der Installationsdose, etwa hinter Schaltern und Steckdosen, verbindet man die Adern mit Verbindungsklemmen. Verbreitet sind Steck- und Hebelklemmen, die mehrere Leiter aufnehmen und nach dem Federkraftprinzip arbeiten. Sie haben die früher üblichen Lüsterklemmen weitgehend abgelöst, weil sie schneller und zuverlässiger sind und auch feindrähtige Leiter sicher aufnehmen.

An jeder Verbindung gilt: Die Zugentlastung liegt nicht auf der Kontaktstelle. Die Leitung wird mechanisch gehalten – durch eine Schelle, einen Zugentlastungsbügel oder die Gehäuseführung – bevor sie zur Klemme geht. So zieht keine Kraft am eigentlichen Kontakt.

Für die Errichtung und Prüfung elektrischer Anlagen gilt in Österreich die ÖNORM E 8101. Sie regelt unter anderem, dass Verbindungsstellen grundsätzlich zugänglich sein müssen, damit man sie kontrollieren und warten kann. Eine wichtige Ausnahme bilden wartungsfreie Verbindungen – etwa dauerhaft verpresste oder bestimmte Federkraftverbindungen –, die auch unzugänglich verbaut werden dürfen, weil sie kein Nachziehen brauchen. Vor der Inbetriebnahme ist eine Erstprüfung vorgeschrieben, die eine Sichtprüfung und Erprobung einschließt.

Die Prüfung einer Verbindung läuft in mehreren Stufen:

• Sichtprüfung: Sitzt der Leiter vollständig in der Klemme? Ist nicht zu viel blanker Leiter sichtbar? Stimmt die Hülse, ist der Crimp sauber?
• Zugprobe: Ein leichter, definierter Zug am Leiter zeigt, ob er fest sitzt. Er darf sich nicht herausziehen lassen.
• Drehmomentkontrolle: Bei Schraubklemmen wird das vorgeschriebene Anzugsdrehmoment mit dem Drehmomentschlüssel geprüft, gegebenenfalls nachgezogen.
• Thermografie: Im laufenden Betrieb zeigt eine Wärmebildkamera überhitzte Klemmen, bevor ein Schaden entsteht – ein wertvolles Werkzeug der vorbeugenden Instandhaltung.