З’єднання електричних провідників

Надійність електричних інженерних систем в значній мірі залежить від надійності з’єднань провідників. Досвідчені електрики намагаються звести до мінімуму кількість розгалужень, а для з’єднань використовують найновіші технічні рішення, доступні на ринку. Для того, щоб розібратися в ситуації, необхідно для початку розглянути фізичні основи електричних явищ, які відбуваються в місці контакту провідників.

Для електропостачання використовують здебільшого провід і кабель з жилами круглого перерізу. Трикутну (секторну) використовують в багатожильних кабелях для зменшення габаритів, квадратну – в обмоточних шинах чи провідниках заземлення електроустановок. Кругла форма на відміну від квадратної чи трикутної проста в реалізації, компактніша при тій самій величині площі перерізу, не змінює форми при згинанні, витримує більше число згинів не ламаючись. Однак в місці контакту круглих провідників сховані усі проблеми, які приносять багато неприємностей при експлуатації.

По-перше, при дотиканні два провідники круглого перерізу контактують в дуже обмеженій області, площа якої значно менша, ніж переріз самого провідника. Опір, як ми знаємо, прямо пропорційний площі поперечного перерізу, тому в такому місці щільність струму підвищена, що призводить до нагрівання контакту.

По-друге, метал на повітрі одразу вкривається плівкою оксиду. Може здатися, що дуже тонка плівка не здатна завдати істотної шкоди, однак це зовсім не так. Навпаки, вона має досить високий електричний опір, який перешкоджає нормальному протіканню струму. При проходженні струму ділянки з підвищеним опором, остання нагрівається, через що ще більше зростає той самий контактний опір. Тепло, яке виробляється, не відводиться як слід, провід гріється, тому підсумком цілком може стати загоряння, що переростає у пожежу. Найчастіше таке трапляється у розетках, які витримують найбільші динамічне навантаження (у порівнянні зі світильниками або вимикачами) в процесі експлуатації. В кінцевому підсумку, виходить замкнуте коло: один процес тягне за собою інший, той стимулює прогресування першого – і так до критичної точки. Найсумнішим є той факт, що у цій ситуації не допоможе навіть найякісніша та дорога захисна автоматика. Будь-який автоматичний вимикач розрахований на спрацьовування у разі перевищення струму в колі, а на інші явища він не реагує, оскільки просто до них не чутливий. У даному випадку сила струму не змінюється – він лише дедалі більше нагріває сам провідник у місці неправильного контакту двох відрізків.

З огляду на ці проблеми розглянемо основні способи реалізації електричних з’єднань.

Скрутка

Історично, є найпершим і найпростішим способом з’єднання проводів. Мідь, яка завжди була головним електричним матеріалом, легко згинається, пластична, має низький питомий опір. Алюміній, який прийшов пізніше, як її дешевий замінник, має схожі властивості. Для такого з’єднання характерними є обидва недоліки: мала площа контакту та наявність оксиду. Тому перехідний опір такого з’єднання є найбільшим з усіх інших. Єдине, чим можна зарадити, це застосувати спеціальні способи виконання скрутки, які покликані збільшити щільність намотки і, відповідно, площі контакту, однак освоїти їх може не кожен. З’єднання можна віднести до нерозбірних, тому, що при спробі розкрутити клубок проводів вони часто ламаються, особливо алюмінієві. При дії циклічних струмових навантажень місця з’єднання, нагріваючись, розширюються, тобто скрутка випрямляється. Для міді це не так критично через її відносно малий коефіцієнт розширення, а от алюміній крім того, що розширюється більше, ще й при охолодженні не повертається у попередній стан, тобто з кожним нагріванням розмір скрутки, зазори в ній збільшується, а отже й зменшується площа контакту проводів і зростає контактний опір. Настає момент, коли проводи взагалі перестають надійно контактувати, і в скрутці виникає електрична дуга. Фото з вигорілими розподільними коробками та електричними щитками ілюструють наслідки цього явища.

Єдиною перевагою скрутки є простота виконання: це можна зробити буквально голими руками.

Для справедливості варто відзначити, що у випадку незначних струмових навантажень, наприклад, в колах освітлення, скрутка показує себе цілком надійним способом реалізації з’єднання, особливо, якщо проводи мідні. Покращити таке з’єднання можна, використовуючи спеціальні гвинтові ковпачки. Всередині пластикового корпусу знаходиться металева гвинтова втулка, яка при обертанні закручує проводи і забезпечує механічну міцність з’єднання, а також збільшує площу контакту, охоплюючи скрутку.

Опресування, або гільзування

Це один із способів покращення скрутки. Кілька провідників, скручених, або паралельно укладених, упаковуються в тонкостінну трубку (гільзу), яка потім піддається стиску за допомогою спеціальних ручних або гідравлічних пресів. Гільза також дозволяє з’єднувати два проводи «стик у стик», що давно практикують в будівництві магістральних мереж електропостачання, або при виконанні ремонтних робіт при ліквідації розривів кабельних мереж. Якщо гільзою обтискають скрутку, або пучок проводів, то цим вирішують одразу кілька проблем.

По-перше, таке з’єднання є більш механічно стійким. Спресований пучок зберігає цілісність при дії циклічних струмових навантажень.

По-друге, у здеформованих проводів значно збільшується площа контакту, чому сприяє також сама гільза, яка бере на себе частину струму, що протікає через з’єднання.

По-третє, габарити такого з’єднання значно менші, ніж габарити скрутки, тому його можна використовувати у розподільних коробках меншого розміру, або навіть в інсталяційній коробці безпосередньо за механізмом розетки чи вимикача.

До недоліків такого способу відносять потребу в спеціальному інструменті (пресі) для обтискання, наявності під рукою гільз (причому різного діаметру, в залежності від ситуації), наявності достатнього виходу проводів, бо обтискати короткі кінці, сховані в коробці, неможливо.

Спаювання

Інший спосіб покращення скрутки, коли пучок проводів укривають припоєм, спеціальним сплавом з низькою температурою плавлення.

По-перше, припой забезпечує максимально близький контакт з металом провідника, використовуючи флюс, можна уникнути проблем з оксидним шаром.

По-друге, площа контакту зростає, як це відбувається й при опресовуванні.

Однак, недоліків у цього методу більше, ніж при гільзуванні:

• потреба у спеціальному інструменті (паяльнику), також додаються додаткові операції: очищення проводів, лудження;

високий ризик так званої «холодної пайки», коли не вдається видалити оксидну плівку з поверхні металу, що призводить до виникнення додаткового контактного опору, а також низької механічної міцності з’єднання (застиглий припой просто злізає з металу);

• припой сам по собі має значно більший опір, ніж мідь, тому при великій кількості з’єднань спад напруги може сягати відчутних значень, до того ж пайка може грітися при високих значеннях струму;

- поширені марки припою (наприклад, ПОС 61), містять свинець, який при виконанні робіт випаровується і шкодить здоров’ю, ще використання агресивних флюсів (ортофосфорної кислоти, наприклад) може призвести до травм, а їхні залишки в місці пайки згодом може провокувати окислення з’єднання;

• врешті, пайку можна використовувати тільки на мідних проводах, пайка алюмінію в побутових умовах виключена

Зварювання

Радикальний метод, при якому скрутку піддають дії електричної дуги, яка розплавлює метал. В теорії, це міг би бути найкращий спосіб реалізації електричного з’єднання, при якому відсутній перехідний опір і проблеми з недостатньою площею контакту. Однак, недоліки приблизно такі ж, як і у пайки:

• потреба у спеціальному інструменті, який знайти складніше, ніж прес і паяльник, використовувати який може тільки досвідчений майстер;
• існує імовірність неповного зварювання, метал при дії електричної дуги окислюється на повітрі, тверда окалина створює ілюзію надійного з’єднання, хоч провідність має набагато меншу.

Клемні з’єднання

Для здійснення клемного з’єднання використовується спеціальний кріпильний елемент – клема. Такий тип з’єднання є роз’ємним, тобто при потребі проводи можна роз’єднати без руйнування. Клеми бувають двох видів: гвинтові та пружинні (самозажимні).

Гвинтова клема являє собою нерухому гайку, шайбу та гвинт. Провід вставляється між гайкою і шайбою, потім затискається гвинтом. Просте й технологічне з’єднання набуло широкої популярності. Гвинтова клема використовується в електрофурнітурі (вимикачах, розетках), низьковольтній техніці (автоматах, контакторах, рубильниках тощо), інших енергоконструкціях.

Однак, попри очевидні переваги, є у гвинтових клемах свої недоліки.

1. для міцності клеми часто виготовляють зі сталі, яка має вищий опір, ніж мідь та алюміній, сталь швидко окислюється, тож доводиться вдаватися до різного роду гальванічних покриттів, щоб уникнути зростання перехідного опору;
2. при динамічних струмових навантаженнях різьба (в якій є зазори), має схильність до повільного прокручування; це особливо стосується з’єднання алюмінію, для якого значення перехідного опору значно більше, ніж у міді, тому такі з’єднання необхідно оглядати і дотягувати не рідше одного разу на півроку.

Враховуючи ці недоліки, інженери одразу почали роботу над конструкцією, в якій притискання проводів не змінювалося б з плином часу. Очевидним кандидатом здавалася пласка пружина, однак струмо-теплові навантаження призводили до її деформації, а отже й до послаблення притискаючої сили.

Пружинна або самозажимна клема

Прорив у цій галузі зробила фірма WAGO, випустивши в 1971 році гвинтову петлеподібну клему за технологією Cage Clamp. На сьогоднішній час це найкращий і універсальний метод з’єднання проводів. Переваги WAGO:

• висока надійність, яка досягається особливою формою і матеріалом пружини;
• надзвичайна простота монтажу: зачищений провідник просто вставляється в клему; в подальшому, для з’єднання проводів з мультижилою, фірма розробила клему з важелем для зведення пружини, з тих пір чимало виробників фурнітури перейшли на використання пружинної клеми в механізмах розеток та вимикачів;
• можливість застосування для широкого діапазону перерізів проводу (наприклад, для серії 2273  - від 0,2 до 2,5 мм2);
• компактні габарити дозволяють використовувати їх в розподільних коробках, а також в глибоких підрозетниках;
• спеціальні виконання з контактною пастою дозволяють здійснювати надійне з’єднання і для алюмінієвих проводів.