По конструктивно-технологическому признаку контактные соединения подразделяются на три группы: неразборные, разборные и разъемные. Неразборные контактные соединения – те, которые не могут быть разобраны без разрушения хотя бы одной из соединяемых деталей или соединяемого материала; к ним относятся сварные, паяные, склепанные, спрессованные, клеевые. Разборные контактные соединения – те, которые могут быть разобраны без разрушения соединяемых деталей; к ним относятся болтовые, винтовые, клиновые. Разъемные контактные соединения – устройства, состоящие из вилки и розетки.
По роду связи токоведущих частей соединения можно разделить на цельнометаллические – с физическим сварным контактом и сжимные – с механическим (сжимным) контактом. В свою очередь, сжимные соединения могут быть простыми и сложными: первые образуются между двумя сплошными по структуре проводниками; вторые – между многопроволочным проводом и наконечником (гильзой) или между двумя многопроволочными проводами.
По монтажно-эксплуатационному назначению контактные соединения делятся на соединения, подсоединения и ответвления, работающие в открытых и закрытых распределительных устройствах.
Контактные соединения токоведущих частей электроустановок служат для длительного пропускания токов нормального режима и кратковременных токов аварийных режимов.
Характеристики и параметры контактных соединений должны соответствовать стандартам, техническим условиям, нормам и требованиям надежности и выполняться в строгом соответствии с технологическими инструкциями. Наряду с этим необходимо, чтобы конструкция и технология выполнения соединений исключали возможные ошибки электромонтажного и ремонтного персонала.
Сопротивление контактного соединения после изготовления не должно быть больше сопротивления эквивалентного участка целого проводника. В тех случаях, когда контактное соединение образовано проводниками из разных материалов, его сопротивление должно сравниваться с сопротивлением эквивалентного участка проводника, имеющего меньшую проводимость.
В процессе эксплуатации сопротивление контактного соединения не должно быть выше 1,8 значения сопротивления целой жилы.
При коротких замыканиях температура соединений должна быть не более 200 °C для алюминиевых проводников и 300 °C для медных.
Механическая прочность контактных соединений, работающих на растяжение, должна составлять не менее 90 % прочности целого проводника; сварных и паяных соединений шин, жил проводов и кабелей, спрессованных соединений жил проводов и кабелей, не работающих на растяжение, – не менее 70 %; соединений зажимов с жилами проводов и кабелей без наконечников – не менее 30 %.
Выполнение и области применения контактных соединений
Для выполнения контактных соединений токоведущих частей электроустановок применяют различные технологические способы: электросварку контактным разогревом и угольным электродом, газоэлектрическую, газовую, термитную, контактную стыковую сварку, холодную сварку давлением, пайку, опрессовку, скрутку, стягивание (болтами, винтами) и т. п.
Электросварку проводников контактным разогревом применяют для оконцевания, соединения и ответвления алюминиевых проводов сечением до 1000 мм2, а также для соединения алюминиевых жил с медными. Сварку контактным разогревом с использованием присадочных материалов применяют для соединения и оконцевания алюминиевых многопроволочных жил проводов и кабелей сечением до 2000 мм2, электросварку угольным электродом – для соединения алюминиевых шин различных сечений и конфигураций, газоэлектрическую сварку – в основном, для соединения алюминиевых и медных жил. Достоинство последней состоит в том, что ее выполняют без флюсов, однако требуется применение относительно громоздкого оборудования и использование дорогого газа. Поэтому газоэлектрическую сварку применяют для контактного соединения шин из алюминиевых сплавов типа АД31 и медных шин. Газовая сварка предназначается для соединения медных и алюминиевых проводов различных сечений и конфигураций. Для ее выполнения необходимо громоздкое оборудование и соблюдение особых правил техники безопасности при работе с газами.
Термитной сваркой можно соединять стальные, медные и алюминиевые провода и шины практически всех сечений; однако наиболее целесообразно ее применение для контактных соединений неизолированных проводов линий электропередач в полевых условиях. Для термитной сварки используют простое оборудование; для ее выполнения не требуется расхода электроэнергии; технологически она несложна, но отличается повышенной пожароопасностью; необходимо также создание специальных условий для хранения термитных патронов и спичек. Термитно-тигельную сварку используют при соединении стальных полос контуров заземления и грозозащитных тросов.
Контактная стыковая сварка применяется при соединении алюминиевых шин с медными (медно-алюминиевые переходные пластины и медно-алюминиевые наконечники).
Холодная сварка давлением служит при соединении алюминиевых и медных шин средних сечений и однопроволочных проводов сечением до 10 мм2; для ее выполнения не требуется дополнительных материалов и контактной арматуры.
Пайкой выполняют соединения как алюминиевых, так и медных проводов любого сечения; этот способ не нуждается в сложном оборудовании, но трудоемок.
Опрессовка предназначена для контактных соединений алюминиевых, сталеалюминиевых и медных изолированных и неизолированных проводов сечением до 1000 мм2. Соединения опрессовкой не создают тепловых воздействий на изоляцию, но при оконцевании и соединении проводников особенно тщательно необходимо подбирать наконечники, гильзы, а также инструменты (пуансоны и матрицы). Этот способ применяется как в кабельных, так и на воздушных линиях.
Скручивание проводов используется на линиях связи, а с помощью соединителей соединяют провода воздушных линий электропередачи.
Применение того или иного способа контактного соединения зависит от материалов соединяемых проводников, их сечения и формы, напряжения электроустановки, условий монтажа (наличие механизмов, приспособлений, материалов, электроэнергии и т. п.), а также требований эксплуатации. Провода воздушных линий до 1 кВ соединяют в пролетах скручиванием в овальных трубках; однопроволочные провода допускается соединять скручиванием с последующей пайкой или сваркой внахлест (соединение однопроволочных проводов сваркой встык не допускается). Провода в петлях анкерных опор соединяют анкерными и ответвительными клиновыми зажимами, скручиванием в овальных трубках, плашечными или аппаратными прессуемыми зажимами, сваркой.
Ответвления проводов ВЛ должны быть выполнены прессуемыми или плашечными зажимами.
Способы соединения проводов ВЛ выше 1 кВ зависят от их сечения. В пролетах алюминиевые провода сечением до 95 мм2, сталеалюминиевые сечением до 185 мм2 и стальные сечением до 50 мм2 соединяют скручиванием при помощи овальных соединений; алюминиевые провода сечением 120–185 мм2 и стальные сечением 70–95 мм2 – опрессовкой при помощи овальных соединителей с дополнительной термитной сваркой концов; алюминиевые и сталеалюминиевые провода сечением 240 мм2 и более – при помощи соединительных прессуемых зажимов.
В петлях анкерных и угловых опор сталеалюминиевые провода сечением до 240 мм2 и алюминиевые сечением до 95 мм2 соединяются термитной сваркой; сталеалюминиевые провода сечением 300 мм2 и выше – прессуемыми соединительными зажимами; провода разных марок – аппаратными прессуемыми зажимами.
Подготовка контактных элементов к соединению
Подготовку проводников к контактному соединению проводят в зависимости от способа его выполнения. Например, при соединении или оконцевании многопроволочных жил пайкой их концы разделывают ступенчато или со скосом (под углом 55°), чтобы образовался контакт между трубчатой частью наконечника (гильзы) и проволочками каждого повива. При оконцевании или соединении секторных или сегментных жил их скругляют специальным инструментом или с помощью пассатижей: тогда жила может легко войти в полость трубчатой части наконечника или гильзу. Подготовка контактных концов плоских проводников под сварку включает рихтовку и обработку их кромок.
Подготовка плоских проводников для соединения болтами включает рихтовку, а при наличии вмятин, раковин или неровностей – фрезерование, а также сверление отверстий под болты.
Для обеспечения металлического контакта между соединяемыми проводниками их контактные поверхности предварительно очищают от всякого рода пленок. Для этого применяют смывание, химическое растворение, механическую очистку. Часто эти способы используют совместно. Особенно эффективна механическая очистка в сочетании со смыванием или растворением. Способы очистки контактных поверхностей выбирают в зависимости от материалов контактных элементов, наличия на них защитных металлических покрытий, вида пленок и способа выполнения контактного соединения. Наиболее простой способ очистки контактных поверхностей – механический (с помощью стальных щеток или щеток из кардоленты). Контактные поверхности алюминиевых проводников очищают особо тщательно, нанеся предварительно слой технического вазелина или других защитных смазок для исключения повторного окисления поверхностей. Очистку внутренних контактных поверхностей алюминиевых овальных или трубчатых соединителей производят под слоем смазки с помощью специальных щеток. На хвостовик щетки навинчивается рукоятка нужных размеров. На специализированных заготовительных участках для очистки контактных поверхностей применяют вращающиеся металлические щетки.
Контактные поверхности, покрытые масляными пленками, предварительно обезжиривают растворителями и лишь затем очищают механическим способом до металлического блеска.
После очистки контактных поверхностей от различного рода пленок для предотвращения их повторного загрязнения (окисления) соединяемые поверхности защищают. Вид защиты выбирают в зависимости от способа выполнения контактных соединений, материалов контактных элементов и условий эксплуатации соединений. При контактной сварке или пайке поверхности соединяемых элементов защищают от окисления флюсами, а если же применяют соединение болтами, опрессовкой или скруткой, то контактными смазками. Защитные контактные смазки (пасты) должны иметь высокую адгезию, обладать относительно высокой температурой каплепадения, быть химически нейтральными и стабильными во времени, эластичными. Смазки на контактные поверхности наносят тонким слоем. В качестве защитных контактных смазок и паст используются конденсаторный вазелин, смазка ЦИАТИМ-221, кварцевазелиновая паста и др.
Соединение и оконцевание проводов опрессовкой
Опрессовка – это соединение жилы с наконечником (гильзой) за счет их совместной деформации с помощью формообразующего инструмента (пуансонов и матриц). Опрессовка бывает объемная, местным вдавливанием и объемная с местным вдавливанием.
Опрессовкой выполняют контактные соединения медных, алюминиевых и сталеалюминиевых проводов. При выполнении соединений алюминиевых и сталеалюминиевых проводов рекомендуется использовать кварцевазелиновую пасту, а при соединении медных проводов – технический вазелин.
При оконцевании однопроволочных алюминиевых жил кабелей до недавнего времени применялись в основном наконечники, в настоящее же время получили развитие два метода безарматурного оконцевания: непосредственное формование с помощью пиротехнического инструмента из концов однопроволочных жил наконечников и изгибание специальным инструментом конца однопроволочной жилы в кольцо. Второй метод – более прогрессивный и безопасный. Он должен найти широкое применение на практике.
Соединение и оконцевание опрессовкой изолированных проводов сечением 1,5-35 мм2 выполняется в гильзах типа ГАО, Т и ГМ одним или двумя вдавливаниями с помощью пресс-клещей типа ПК-1мУ1 или ПК-ЗУ 1. В гильзу ГАО вводят жилы с одного или с двух концов. Гильзы для ввода проводов с двух сторон имеют удвоенную длину и спрессовываются в двух местах. Выбор гильз для выполнения того или иного соединения зависит от общего сечения соединяемых проводов. Если сечение соединяемых проводов меньше сечения трубчатой части гильзы, то ее заполняют дополнительной жилой.
Алюминиевые жилы сечением 16-240 мм2 соединяются гильзами так, чтобы стык жил находился посередине гильзы. Для опрессовки используют прессы с набором инструментов для алюминиевых или для медных жил, а также шестигранник с местным вдавливанием и т. п.
Оконцевание алюминиевых жил выполняется с помощью алюминиевых и медно-алюминиевых наконечников ТА или ТАМ по технологии, аналогичной соединению жил.
Оконцевание и соединение медных жил осуществляется с использованием медных наконечников типа Т и медных гильз типа ГМ. Наряду с указанными способами опрессовки оконцевание однопроволочных жил можно выполнять также путем формования наконечника непосредственно из монолитной жилы или закручиванием ее в кольцо.
Соединение и оконцевание проводов сваркой
Технология сварки контактных соединений характеризуется способом проведения и положением свариваемых элементов. В зависимости от положения свариваемых элементов по отношению друг к другу соединения бывают внахлест, по торцам и встык.
Способы сварки контактных соединений разнообразны. Применение того или иного способа сварки зависит от эксплуатационного назначения контактных соединений, их количества, материала проводников, их формы и размеров, условий монтажа.
Алюминий по сравнению с медью быстрее вступает в реакцию с кислородом. На поверхности свариваемых алюминиевых деталей всегда имеется оксидная пленка; даже после удаления ее механическим или химическим способом она вновь образуется за десятые доли секунды. Эта тонкая и прочная пленка весьма тугоплавка: температура ее плавления составляет около 2050 °C, т. е. в 2–3 раза выше температуры плавления алюминия и его сплавов, (650-1000 °C). Плотность пленки в 1,5 раза больше плотности жидкого металла, поэтому при сварке пленка будет "тонуть" в жидком металле, образуя в нем включения и препятствуя процессу сварки.
При сварке алюминия и его сплавов возможно образование пористости в шве, поскольку при взаимодействии расплавленного алюминия с парами воды выделяется атомарный водород, который при рекристаллизации не успевает раствориться.
Алюминий и его сплавы характеризуются малым интервалом температур, при которых металл или сплав находятся в пластичном состоянии перед расплавлением; при нагревании он не изменяет цвета, и в связи с этим затрудняется контроль степени нагрева и расплавления металла. В нагретом состоянии металл обладает хрупкостью, а в расплавленном – жидкотекучестью.
Для повышения качества контактных соединений медных и алюминиевых проводников необходимо принимать меры по защите сварочной ванны от проникновения в нее вредных веществ.
При сварке алюминиевой жилы с медной оголенную алюминиевую жилу навивают вокруг медной так, чтобы конец последней выступал на 3–4 мм из-под витков.
Скрученные жилы перед сваркой на длине 5–6 мм покрывают тонким слоем флюса и закрепляют. Угольный электрод, закрепленный в электродержателе и подключенный к другому зажиму вторичной обмотки трансформатора мощностью не менее 0,5 кВА и напряжением 9-12 В, прижимают к торцу выступающего конца медной жилы. После расплавления выступающего конца медной жилы и одного-двух витков алюминиевый электрод отводится и сварка прекращается.
Соединение и оконцевание проводов пайкой
Пайка – процесс соединения металлов припоями, которые при расплавлении затекают в зазор, смачивая спаиваемые поверхности, а при охлаждении, застывая, образуют паяный шов.
Пайка выполняется при температуре ниже температуры плавления материалов соединяемых деталей. Вместе с тем температура припоя, при помощи которого осуществляется пайка, должна быть несколько выше точки его плавления, а температура соединяемых деталей должна быть близка к температуре плавления припоя. Соблюдение этого условия необходимо для получения такой подвижности припоя, чтобы заполнялись зазоры в швах между контактными элементами и происходило обтекание их поверхностей.
Соединение деталей с использованием припоя, имеющего температуру плавления ниже 450 °C, называют мягкой пайкой. Сцепление припоя с металлом происходит в результате адгезии припоя к металлу. Следует заметить, что температура плавления припоя для мягкой пайки – 450 °C – принята условно.
Соединение деталей с использованием припоя, имеющего температуру плавления выше 450 °C, называют твердой пайкой. Соединение припоя с металлом в этом случае обусловливается как адгезией, так и диффузией припоя в металл.
При пайке почти не происходит расплавления соединяемых элементов, поэтому паяные соединения легче ремонтировать.
Пайка – широко распространенный способ соединения и одинаковых, и разных металлов.
К числу металлов, которые легко паяются, относится медь. Однако добавление к меди легирующих элементов (примесей) затрудняет процесс пайки, так как последние изменяют свойства оксидных пленок, препятствующих образованию надежного соединения. В связи с этим при пайке контактных соединений следует тщательно выбирать флюсы и припои.
Пайка алюминия связана с двумя трудностями: во-первых, на алюминии имеется тугоплавкая оксидная пленка, во-вторых, алюминий обладает высокой теплопроводностью при сравнительно низкой теплоемкости и большим коэффициентом линейного расширения. Поэтому в процессе пайки алюминиевых контактных элементов нагрев должен быть локализован, выбор флюса следует производить в зависимости от легирующих присадок, введенных в металл. Особенности различных соединяемых металлов предопределяют выбор как технологического процесса пайки, так и припоев, флюсов и оборудования.
Соединение и ответвление медных однопроволочных проводов сечением 2,5-10 мм2 пайкой выполняются после того, когда их концы предварительно соединены двоичной скруткой так, чтобы в месте касания жил образовался желобок. Место соединения нагревают пламенем пропанбутановой горелки или бензиновой лампой до температуры плавления припоя. Затем с усилием натирают поверхности соединения палочкой припоя, введенной в пламя. В результате трения желобок очищается от загрязнений и облуживается по мере прогрева соединения. Таким образом запаивается все соединение.
При соединении двух алюминиевых жил пайкой их концы либо срезают под углом 55°, либо производят ступенчатую разделку и только затем облуживают. Пайка ведется непосредственным сплавлением в форме или поливом предварительно расплавленным припоем. Соединение и ответвление алюминиевых многопроволочных и однопроволочных жил могут выполняться в медных луженых гильзах.
Соединение проводников из разнообразных металлов пайкой производится по той же технологии, что и алюминиевых жил.
Соединение шин болтами
Проводники прямоугольного сечения соединяют между собой с помощью болтов, шпилек или сжимов. Число болтов определяется размерами шин. Силу сжатия контактных поверхностей целесообразнее обеспечивать применением нескольких болтов небольшого сечения, а не одного болта большего сечения, так как в первом случае количество контактных пятен получается больше. В результате переходное сопротивление соединения уменьшается и происходит более равномерное распределение тока по контактной площади. Контактные выводы электротехнических устройств выполняются плоскими и штыревыми.