Соединение электрических проводников

Надежность электрических инженерных систем в значительной степени зависит от надежности соединений проводников. Опытные электричества пытаются свести к минимуму количество разветвлений, а для соединений используют новейшие технические решения, доступные на рынке. Для того чтобы разобраться в ситуации, необходимо для начала рассмотреть физические основы электрических явлений, происходящих в месте контакта проводников.

Для электроснабжения используют в основном провод и кабель с жилами круглого сечения. Треугольную (секторную) используют в многожильных кабелях для уменьшения габаритов, квадратную – в обмоточных шинах или проводниках заземления электроустановок. Круглая форма в отличие от квадратной или треугольной проста в реализации, более компактна при той же величине площади сечения, не изменяет формы при сгибании, выдерживает большее число изгибов не ломаясь. Однако в месте контакта круглых проводников скрыты все проблемы, которые доставляют много неприятностей при эксплуатации.

Во-первых, при соприкосновении два проводника круглого сечения контактируют в очень ограниченной области, площадь которой значительно меньше, чем сечение самого проводника. Сопротивление, как мы знаем, прямо пропорционально площади поперечного сечения, поэтому в таком месте плотность тока повышена, что приводит к нагреву контакта.

Во-вторых, металл на воздухе сразу покрывается пленкой оксида. Может показаться, что очень тонкая пленка не способна нанести существенный вред, однако это совсем не так. Напротив, она имеет достаточно высокое электрическое сопротивление, препятствующее нормальному протеканию тока. При прохождении тока участка с повышенным сопротивлением, последний нагревается, из-за чего еще больше возрастает то же контактное сопротивление. Вырабатываемое тепло не отводится как следует, провод греется, поэтому итогом вполне может стать возгорание, перерастающее в пожар. Чаще такое происходит в розетках , которые выдерживают наибольшие динамические нагрузки (по сравнению со светильниками или выключателями) в процессе эксплуатации. В конечном счете, получается замкнутый круг: один процесс влечет за собой другой, тот стимулирует прогрессирование первого – и так к критической точке. Самым печальным является тот факт, что в этой ситуации не поможет даже самая качественная и дорогостоящая защитная автоматика. Любой автоматический выключатель рассчитан на срабатывание при превышении тока в цепи, а на другие явления он не реагирует, поскольку просто к ним не чувствителен. В данном случае сила тока не меняется – он только больше нагревает сам проводник в месте неправильного контакта двух отрезков.

Учитывая эти проблемы, рассмотрим основные способы реализации электрических соединений.

Свиток

Исторически, является самым первым и простым способом соединения проводов. Медь, которая всегда была главным электрическим материалом, легко изгибается, пластична, имеет низкое удельное сопротивление . Алюминий, пришедший позже, как ее дешевый заменитель, обладает схожими свойствами. Для такого соединения характерны оба недостатка: малая площадь контакта и наличие оксида. Поэтому переходное сопротивление такого соединения является самым большим из всех остальных. Единственное, чем можно помочь, это применить специальные способы выполнения скрутки, призванные увеличить плотность намотки и, соответственно, площади контакта, однако освоить их может не каждый. Соединения можно отнести к неразборным, так как при попытке раскрутить клубок проводов они часто ломаются, особенно алюминиевые. При действии циклических токовых нагрузок места соединения, нагреваясь, расширяются, то есть скрутка выпрямляется. Для меди это не так критично из-за ее относительно малого коэффициента расширения, а вот алюминий кроме того, что расширяется больше, еще и при охлаждении не возвращается в предыдущее состояние, то есть с каждым нагреванием размер свертки, зазоры в ней увеличивается, а следовательно и уменьшается площадь контакта проводов и контактное сопротивление. Наступает момент, когда провода вообще перестают надежно контактировать, и в свертке возникает электрическая дуга. Фото с выгоревшими распределительными коробками и электрическими щитками иллюстрируют последствия этого явления.

Единственным преимуществом свертки является простота выполнения: это можно сделать буквально голыми руками.

Для справедливости следует отметить, что в случае незначительных токовых нагрузок, например, в кругах освещения, скрутка показывает себя вполне надежным способом реализации соединения, особенно если провода медные. Улучшить такое соединение можно, используя специальные винтовые колпачки. Внутри пластикового корпуса находится металлическая винтовая втулка, которая при вращении закручивает провода и обеспечивает механическую прочность соединения, а также увеличивает площадь контакта, охватывая свертку.

Опрессование или гильзирование

Это один из способов улучшения свертки. Несколько проводников, скрученных, или параллельно уложенных, упаковываются в тонкостенную трубку (гильзу), которая затем подвергается сжатию с помощью специальных ручных или гидравлических прессов. Гильза также позволяет соединять два провода «стык в стык», которые давно практикуют в строительстве магистральных сетей электроснабжения, или при выполнении ремонтных работ при ликвидации разрывов кабельных сетей. Если гильзой обжимают сверток или пучок проводов, то этим решают сразу несколько проблем.

Во-первых, такое соединение более механически устойчиво. Спрессованный пучок сохраняет цельность при действии циклических токовых нагрузок.

Во-вторых, у деформированных проводов значительно увеличивается площадь контакта, чему способствует также сама гильза, берущая на себя часть тока, протекающего через соединение.

В-третьих, габариты такого соединения значительно меньше, чем габариты скрутки, поэтому его можно использовать в распределительных коробках меньшего размера или даже в установочной коробке непосредственно по механизму розетки или выключателя.

К недостаткам такого способа относят потребность в специальном инструменте (прессе) для обжима, наличии под рукой гильз (причем разного диаметра, в зависимости от ситуации), наличии достаточного выхода проводов, так как обжимать короткие концы, спрятанные в коробке, невозможно.

Спаивание

Другой способ улучшения скрутки, когда пучок проводов покрывают припоем, специальным сплавом с низкой температурой плавления.

Во-первых, припой обеспечивает максимально близкий контакт с металлом проводника, используя флюс, можно избежать проблем с оксидным слоем.

Во-вторых, площадь контакта растет, как это происходит при опрессовке.

Однако недостатков у этого метода больше, чем при гильзировании:

• потребность в специальном инструменте (паяльнике), также прилагаются дополнительные операции: очистка проводов, лужение;
• высокий риск так называемой холодной пайки, когда не удается удалить оксидную пленку с поверхности металла, что приводит к возникновению дополнительного контактного сопротивления, а также низкой механической прочности соединения (застывший припой просто слезает с металла );
• припой сам по себе имеет значительно большее сопротивление, чем медь, поэтому при большом количестве соединений спад напряжения может достигать ощутимых значений, к тому же пайка может греться при высоких значениях тока;
• распространенные марки припоя (например, ПОС 61), содержащие свинец, который при выполнении работ испаряется и вредит здоровью, еще использование агрессивных флюсов (ортофосфорной кислоты, например) может привести к травмам, а их остатки в месте пайки впоследствии может провоцировать окисление ;
• в конце концов, пайку можно использовать только на медных проводах, пайка алюминия в бытовых условиях исключена.

Сварка

Радикальный метод, при котором скрутку подвергают действию электрической дуги, расплавляющей металл. В теории это мог бы быть наилучший способ реализации электрического соединения , при котором отсутствует переходное сопротивление и проблемы с недостаточной площадью контакта. Однако, недостатки примерно такие же, как и у пайки:

• потребность в специальном инструменте, который найти сложнее, чем пресс и паяльник, использовать который может только опытный мастер;
• существует вероятность неполной сварки, металл при действии электрической дуги окисляется на воздухе, твердая окалина создает иллюзию надежного соединения, хотя проводимость имеет гораздо меньшую.

Клеммные соединения

Для осуществления клеммного соединения используется специальный крепеж – клемма. Такой тип соединения является разъемным, то есть при необходимости провода можно разъединить без разрушения. Клеммы бывают двух видов: винтовые и пружинные (самозажимные).

Винтовая клемма представляет собой неподвижную гайку, шайбу и винт. Провода вставляется между гайкой и шайбой, затем зажимается винтом. Простое и технологическое соединение приобрело широкую популярность. Винтовая клемма используется в электрофурнитуре (выключателях, розетках), низковольтной технике (автоматах, контакторах, рубильниках и т.п.), других энергоконструкциях .

Однако, несмотря на очевидные преимущества, есть в винтовых клеммах свои недостатки.

• для прочности клеммы часто изготавливают из стали, которая имеет более высокое сопротивление, чем медь и алюминий, сталь быстро окисляется, поэтому приходится прибегать к разного рода гальваническим покрытиям, чтобы избежать роста переходного сопротивления;
• при динамических токовых нагрузках резьба (в которой есть зазоры), имеет склонность к медленному прокручиванию; это особенно касается соединения алюминия, для которого значение переходного сопротивления гораздо больше, чем в меди, поэтому такие соединения необходимо осматривать и дотягивать не реже одного раза в полгода.

Учитывая эти недостатки, инженеры сразу начали работу над конструкцией, в которой прижатие проводов не изменялось бы с течением времени. Очевидным кандидатом казалась плоская пружина, однако токотепловые нагрузки приводили к ее деформации, а следовательно и к ослаблению прижимающей силы.

Пружинная или самозажимная клемма

Прорыв в этой области совершила фирма WAGO , выпустив в 1971 году винтовую петлеобразную клемму по технологии Cage Clamp . На сегодняшний день это самый лучший и универсальный метод соединения проводов. Преимущества WAGO :

1. высокая надежность, достигаемая особой формой и материалом пружины;
2. чрезвычайная простота монтажа: зачищенный проводник просто вставляется в клемму; в дальнейшем, для соединения проводов с мультижилой фирма разработала клемму с рычагом для возведения пружины, с тех пор многие производители фурнитуры перешли на использование пружинной клеммы в механизмах розеток и выключателей;
3. возможность применения для широкого диапазона сечений провода (например, для серии 2273 – от 0,2 до 2,5 мм2);
4. компактные габариты позволяют использовать их в распределительных коробках, а также в глубоких подрозетниках ;
5. специальные исполнения с контактной пастой позволяют осуществлять надежное соединение и для алюминиевых проводов.