Техническая информация о керамических клеммных колодках: металлические детали

Материалы, входящие в конструкцию электрических клеммных зажимов

Для клеммных электрозажимов в основном используется: латунь, сталь, никель.

 

 

Какой именно тип материала нужен для той или иной клеммной колодки определяется исходя из следующих характеристик:

• Сопротивления тока при разной рабочей температуре;
• Изменения механического сопротивления зависящего от температуры;

Данный параметр является критически важным при условиях эксплуатации готового зажима под разными температурными значениями (высокие/ сверхвысокие).

• Стоимости самого материала и сложности его обработки.

Удельное сопротивление току

Любая электрическая клемма, через которую проходит ток, нагревается эффектом Джоуля. Чем больше текущее сечение, тем ниже сопротивление. Чем больше расстояние между зажимными винтами проводов, тем больше сопротивление. Это логическое правило является основой для разработки конструкций клеммных зажимов. Второй параметр — это удельное сопротивление, выраженное в Ом ∙ м, которое сильно зависит от материалов. Инверсией удельного сопротивления является электропроводность, выраженная в сименс / м. Можно отметить, что электропроводность нержавеющей стали в 12 раз меньше латуни.

Другая особенность этих металлов — возрастание их удельного сопротивления с ростом температуры. Этот параметр должен быть тщательно рассчитан при проектировании поперечного сечения клеммного зажима.

Таблица удельного сопротивления и удельной электропроводности основных металлов, используемых в соединителях, при температуре 20° C

Максимальное изменение предела прочности на растяжение в зависимости от температуры

Сравнение изменений прочности на разрыв меди, латуни UZ34Pb2, стали SPCC, нержавеющей стали AISI 304 и никеля 201 по максимальной температуре воздействия, поддерживаемой в течение 90 минут (в % от величин, измеренных в условиях комнатной температуры).

 

 

Медь и сталь медленно утрачивают свою механическую прочность, сохраняя лишь около 50% при температурной нагрузке около 900 °С. Латунь характеризуется более высокой стабильностью, но начинает плавиться перед 900 ° С. Нержавеющая сталь 304 и никель 201 не показывают значительных изменений в механической прочности до 900 °С.

 

 

Окисление металлов в зависимости от температуры

Внешний вид образцов из латуни, никелированной латуни, никелированной стали, нержавеющей стали AISI 304 и никеля 201 после выдержки в течение одного часа при различных температурах в электрической печи в окислительной среде.

 

Оксидные слои разрушают медь и латунь при 400 °C, сталь при 500 ° C, а нержавеющую сталь AISI 304 при 900 °C. Отсутствуют значительные оксидные изменения лишь в никеле 201.

 

Стоимость сырья (По сравнению с низкоуглеродистой холоднокатаной сталью типа SPCC)

Способы зажима провода

 

 

 

 

 

Винты M3, M3.5, M4, M5 и M6 в зависимости от размера соединительных блоков используются на этих клеммных колодках. Их особенности:

• производство: очень низкий вес используемого материала, очень низкие производственные потери. Следовательно, это самый экологически ответственный клеммный зажим;
• использование винтов с невыпадающей и вмещающей квадратной шайбой позволяет проложить 2 провода внутри каждого клеммного зажима даже с немного отличающимися размерами, что не повлияет на качество затяжки;
• упругое действие прижимной шайбы также обеспечивает хорошее сопротивление ослаблению из-за вибрации;
• клеммный зажим этого типа позволяет вставлять в него жесткие или скрученные провода, вилочные проушины, петлевые проушины и кабельные наконечники;
• кабельный наконечник находится в поле зрения, что позволяет контролировать правильную прокладку проводов без помех;
• очень эффективная затяжка жестких или гибких проводов, а предел прочности на разрыв намного выше, чем указано в стандарте;
• проводящая часть клеммного зажима может быть изготовлена из никелированной стали, необработанной или никелированной латуни, чистого никеля или даже нержавеющей стали;
• однако небольшое поперечное сечение потока тока делает их очень чувствительными к теплу из-за эффекта Джоуля, особенно если они изготовлены из никеля или нержавеющей стали.

 

 

 

Эта система является наиболее распространенной и традиционно используется на керамических клеммных колодках более 100 лет. Такие клеммные зажимы изготовлены из экструдированных особым образом латунных стержней CUZn40Pb2 с требуемым профилем под каждый размер.

Состав латуни (60% меди) важен для обеспечения низкого удельного электрического сопротивления и для предотвращения хрупкости материала, которая появляется при слишком высоких уровнях цинка.

Они имеют дополнительную толщину в области резьбового отверстия, что обеспечивает достаточную длину резьбы, чтобы выдерживать усилия затяжки, требуемые стандартами, и толщина стенки вокруг центрального отверстия также должна быть достаточной для предотвращения растрескивания трубки при затягивании винта.

Однако их изготовление из металла, отличается от латуни и является очень сложным и дорогостоящим процессом.

Поскольку латунь размягчается при высоких температурах, ее нельзя использовать на клеммных колодках при высоких температурах.

Из-за веса металла, необходимого для этой конструкции, колодки становятся очень дорогими для использования с проводами с поперечным сечением более 16 мм².

Эти клеммные зажимы также ограничены ассортиментом проводов, которые могут быть эффективно затянуты, потому что ход зажимного винта ограничен круглым сечением отверстия — винт быстро фиксируется между стенками.

 

 

В отличие от деталей из стержня, этот тип производства, хотя и дорогой с точки зрения используемого оборудования, снижает потери металла. Это особенно экономично на больших участках (более 16 мм²). Его также можно использовать для изготовления клеммных зажимов из никелированной стали, нержавеющей стали или никеля. Это предпочтительный метод изготовления клеммных зажимов, устойчивых к температурам до 750 ° C. Поскольку отверстие для провода имеет прямоугольную форму, зажимной винт имеет более длинный ход зажима, что увеличивает диапазон допустимых проволочных калибров.

 

 

Разработанная для моделей с большим поперечным сечением, эта система сочетает в себе корпус из нержавеющей стали или никеля с винтами с шестигранной головкой. Никелевая пружина распределяет давление. Поскольку нет риска разрезания сердечников, рекомендуется использовать гибкие или сверхгибкие провода классов 5 и 6. Гибкость нажимной пластины обеспечивает оптимальный зажим, независимо от расширения, вызванного температурой. Эти модели выдерживают постоянную температуру 750 ° C и пиковую температуру 950 ° C.

 

 

Такие клеммные зажимы используются на высокотемпературных клеммных колодках, так как они могут быть легко изготовлены из нержавеющей стали. Они позволяют размещать два провода под одной и той же подкладкой и подходят для широкого диапазона проволочных калибров. Пружинная шайба, расположенная между головкой винта и накладкой, обеспечивает непрерывный зажим даже при высоких температурах и на медных проводах. Однако из-за низкой электропроводности нержавеющей стали клеммные зажимы имеют тенденцию нагреваться гораздо сильнее, чем латунные или никелевые клеммы, что ограничивает максимальный ток, который они могут выдержать.

Если это ограничение интенсивности чрезвычайно велико, рекомендуется использовать модели с клеммными зажимами, выполненными из чистого никеля, но с упругой шайбой из нержавеющей стали. Чтобы избежать обрезки проволоки краем подкладки, на ней может быть предусмотрен выступ для предотвращения обрезки.

Винты клеммной колодки ослаблены из-за повышения температуры

Для клеммных зажимов, которые должны выдерживать высокие температуры, влияние температуры является критическим параметром, который недостаточно учитывается в действующих стандартах. Наиболее критическим моментом является ослабление клеммных зажимов. Этот фактор способствует увеличению контактного сопротивления между клеммным зажимом и проводом, что приводит к локальному нагреву до воспламенения близлежащих горючих материалов. Есть четыре причины этого ослабления:

 

• Деформация клеммного зажима при расширении ухудшает плотность затяжки. Такое деформирование, как правило, обратимо, когда температура падает, и может быть компенсирована упругостью зажима клеммы или пружины, расположенной между зажимным винтом и проводом.
• Деформация клеммного зажима обусловлена изменениями кристаллической структуры металла — необратима.
• Деформация медной проволоки, которая становится вязкой при нагревании — необратима.  Ее можно избежать, используя устойчивые к нагреву провода, например никель.
• Ослабление зажимного винта в результате последовательных циклов нагрева и охлаждения между различными материалами.

Данные проблемы можно решить двумя способами, которые применяются по отдельности или совместно.

I. Нужно вставить упругий металлический элемент между винтом и проволокой.

II. Используйте автофиксацию винта, вызванную деформацией зажима клеммы во время затяжки.

 

Среднее изменение момента затяжки винтов клеммной колодки после короткого* максимума температуры. Момент затяжки при 20° C принимается за 100% (клеммные зажимы затягиваются на стальном стержне с максимально допустимым для клеммного зажима номинальным диаметром)

 

 

При температуре выше 600 ° C никелированные стальные винты нельзя использовать даже в течение короткого времени, так как окисление винта заблокирует их. При более высоких температурах можно использовать только винты из нержавеющей стали или никеля, которые сохраняют свою работоспособность, что позволяет при необходимости снимать и заменять.

 

Никелированные стальные винты, используемые на стальных или латунных клеммных зажимах, выдерживают постоянную температуру 230 ° C без блокировки и без аномального окисления.

 

 

Для клеммных зажимов из латуни или никелированной стали, используемых при постоянной температуре выше 300 ° C, мы не рекомендуем использовать стальные винты с никелевым покрытием из-за ослабления момента затяжки.

 

Усилие выдергивания провода из установленного положения и сопротивление ослаблению под действием вибрации

Виброустойчивость является важным параметром для клеммных блоков, особенно если они установлены на грузовиках, в поездах или рядом с двигателем. Чтобы проверить эффективность устойчивости клеммных зажимов к непреднамеренному ослаблению, они были подвергнуты циклам чередующихся синусоидальных колебательных последовательностей продолжительностью 10 минут, охватывающих диапазон 1,7-5 Гц, с переменными ускорениями 0,3-2,6 Гс в течение 48 часов. Затем силы натяжения из заданного положения были измерены снова.

 

Испытания на отрыв

 

Испытания на устойчивость к вибрации

 

Изоляционные зазоры и пути утечки

Расстояния утечки измеряются вдоль поверхности изоляции между двумя проводами разной полярности или между проводом и землей. Минимальные пути утечки, установленные стандартами, зависят, в частности, от рабочего напряжения электрической сети, возможных перенапряжений в сети и конкретного применения.

В случае утечки, измеряемой на поверхности изолятора, характеристики используемого изолятора важны, поскольку они позволяют более или менее легко создавать электрические пути методом образования проводящих путей. Это связано с поверхностным сгоранием под воздействием электрического тока, в присутствии воды, выделяющейся из пластмасс, а также с загрязнением поверхности, из-за которого оставшиеся атомы углерода становятся одинаковым числом точек для прохождения тока. Поэтому пластмассы классифицируются в соответствии с этой особенностью.

Воздушный зазор

Воздушные расстояния (зазоры) - это кратчайшие расстояния, измеряемые по прямой в воздухе между двумя проводами с разными напряжениями или между проводом и землей. Они представляют собой путь, по которому возникает электродуга в условиях повышенного напряжения воздуха.

RoHS и REACH

RoHS (Директива ЕС по ограничению вредных веществ): материалы, используемые в соединительных колодках, соответствуют Директиве ЕС 2015/863, Приложение II с поправками к Директиве 2011/65.

Сертификаты, выданные аккредитованной независимой лабораторией, доступны по запросу.

REACH (технический регламент ЕС «Порядок государственной регистрации, экспертизы и лицензирования химических веществ»): материалы, используемые в соединительных колодках, соответствуют Директивам ЕС REACH, согласно Директиве от июня 2017 г., добавляющей 173 вещества SVHC (Особо опасные вещества) из списка, опубликованного ECHA 12 января 2017 г., применяемого по Директиве REACH 1907/2006. Сертификаты, выданные аккредитованной независимой лабораторией, доступны по запросу.

С содержанием галогенов и без содержания галогенов

Согласно Международной электрохимической комиссии (стандарт IEC 61249-2-21 «Ограниченное использование галогена, предназначенного для электронных схем»), чтобы вещество можно было отнести к категории «не содержащее галогенов», оно должно содержать менее 900 ч/млн хлора или брома и менее 1500 ч/млн галогенов.

Галогеновые элементы — это любой из шести неметаллических элементов, которые составляют группу 17 (группа VIIa) периодической таблицы. Это фтор (F), хлор (Cl), бром (Br), йод (I), а также редкие и недавно обнаруженные элементы астат (At) и теннессин (Ts). Наиболее распространенными являются хлор и фтор, содержащиеся в ПВХ, тефлоне и его производных, а также бром, используемый в пластмассах в качестве пламезадерживающей добавки. Недостаток этих продуктов состоит в выделении токсичных паров при возгорании. Помимо риска для людей, они также выделяют агрессивные газы, вредные для электротехнического и электронного оборудования. Среди антипиренов, используемых в пластмассах, полихлорированные бифенилы (ПХБ) и полибромированные бифенилы (ПББ) оказывают неблагоприятное воздействие на окружающую среду и людей из-за своей стойкости, токсичности и способности к биоаккумуляции.

При воздействии экстремальных термических напряжений, которые могут возникнуть во время пожара, бромосодержащие антипирены (БСА) могут образовывать галогенизированные диоксины и фураны.

ПББ и ПБДЭ (полибромированные дифенилэфиры) в настоящее время запрещены в Европе Директивами WEEE (Директива ЕС об отходах электрического и электронного оборудования) и RoHS.