Введение
Существование надёжного, защищённого от случайного прикосновения и при этом разборного электрического соединения проводников между собой или с различными устройствами на первый взгляд кажется парадоксальным. Вместе с тем одновременное обеспечение надёжности, долговечности, вибропрочности, коррозионной стойкости электрических соединений при сохранении возможности их многократной сборки и разборки отнюдь не является утопией.
Соединения проводников при помощи пайки или сварки чрезвычайно прочны, но при этом являются неразборными, требуют, чтобы проводники были изготовлены из однородного материала и существенно не отличались по толщине (поперечному сечению). Кроме того, эти технологии в принципе не подходят для соединения проводников из алюминия, которые всё ещё применяются достаточно широко. Что касается традиционных винтовых клеммных зажимов (рис. 1), то их надёжность и другие эксплуатационные характеристики зависят от квалификации и добросовестности монтажников и другого обслуживающего персонала, а также наличия в его распоряжении качественного динамометрического инструмента.
Электрическое винтовое соединение не может считаться надёжным, если винт не затянут с требуемым моментом, который, в свою очередь, зависит от поперечного сечения подключаемого проводника. При недостаточном моменте затяжки контакт может непроизвольно ослабнуть, находясь, например, под воздействием ударных нагрузок или вибрации. Напротив, если момент затяжки слишком велик, то тонкий проводник может с лёгкостью обломиться в зоне максимального сжатия винтом, или через некоторое время может произойти пластическая деформация (усадка) проводника и, как следствие, износ контакта (как если бы он находился под воздействием высоких температур), и качество соединения при этом нарушится.
Следует также отметить, что использование клемм с винтовым зажимом требует серьёзных трудозатрат и занимает значительное время, если, конечно, речь идет не о подключении электросчётчика в квартире, а о системе АСУ ТП, обрабатывающей многие тысячи сигналов.
Новым этапом в технологии соединения проводников стало изобретение в 1951 году немецкой компанией WAGO Kontakttechnik Gmbh первой электрической клеммы, в которой проводник удерживался не винтом, а усилием сжатой пружины. Встреченная электротехническим сообществом на первых порах с недоверием, инновационная технология шла вперёд благодаря упорству компании WAGO, которая на протяжении многих лет экспериментировала с различными вариантами конструкции клеммных зажимов, подбирала наиболее подходящие материалы для пружин, токоведущих шин и изолирующих материалов.
Настоящим прорывом в технологии пружинных клемм стало изобретение в 1977 году клеммного зажима с клеточной натяжной пружиной, о котором будет подробно рассказано ниже.
С этого момента началось массовое распространение пружинных клемм во многих областях применения, и на сегодняшний день все крупные европейские и азиатские производители клемм предлагают своим клиентам их разнообразные виды для подключения любых типов проводников. Благодаря мгновенному лёгкому монтажу с использованием самого простого инструмента или вообще без него, высокому качеству и надёжности контакта, отсутствию необходимости в обслуживании и требований к квалификации обслуживающего персонала, а кроме того, виброустойчивости и разборности полученного соединения пружинные клеммы стали незаменимыми в промышленности, на транспорте и в других отраслях.
История развития клемм с пружинным зажимом
На рис. 2 показаны основные этапы развития пружинного зажима, начиная от первой простейшей двухпроводной клеммы с плоскопружинным зажимом, предназначенной для подключения только одножильных проводников, до триумфальной презентации на Ганноверской промышленной ярмарке в 1977 году первых клеммных соединений с клеточной натяжной пружиной из хромоникелевой стали для всех типов проводников сечением до 16 мм².
Шли годы, на основе первых прототипов пружинных клемм был разработан ряд модификаций. В рамках данной статьи будут подробно рассмотрены наиболее распространённые из них: плоскопружинный зажим (push-wire), зажимы с клеточной натяжной пружиной и гибридные соединения.
Основные типы проводников и их подготовка к подключению
Несмотря на то что проводники не являются частью клеммных соединений, их физические свойства и конструкция существенно влияют на качество электрического контакта и конструкцию пружинных зажимов. Поэтому кратко рассмотрим их основные типы.
В строительном электромонтаже, системах промышленной автоматизации, коммутационном оборудовании и шкафах управления в большинстве случаев используются медные одножильные, многожильные или тонкопроволочные проводники различного поперечного сечения (рис. 3).
Как правило, проводники изготавливаются из меди благодаря её малому электрическому сопротивлению (меньше только у серебра) и высокой коррозионной стойкости.
Технология пружинного соединения позволяет подключать проводники любого типа после снятия изоляции и избегать при этом расслаивания и деформации многожильных проводников, что особенно актуально при необходимости их многократного повторного подключения. Применение специальных кабельных обжимных наконечников (рис. 4) также предотвращает расслаивание и защищает проводник от коррозии в агрессивных газовых средах или в условиях морского соляного тумана, впрочем, чаще всего в такого рода защитных мерах нет необходимости.
Механическая конструкция пружинных клемм
Все современные пружинные клеммы для проводников сечением от 0,08 до 95 мм² состоят из трёх основных частей – изолирующего корпуса, токоведущей шины и зажимной пружины.
На рис. 5 хорошо видна конструкция 4-проводной клеммы с клеточной натяжной пружиной с фронтальным подключением проводников, установленная на стандартном 35-мм DIN-рельсе, её токоведущая шина и пружины, образующие автономный независимый контактный блок, который не передаёт усилие пружин на пластиковый изолирующий корпус клеммы и может быть извлечён из последнего целиком.
Открытая сторона клеммы примыкает к изолированной стороне соседней клеммы или закрывается изолирующей торцевой пластиной.
Усилие пружины и давление в зоне контакта
Всем известно физическое явление, описываемое законом Гука, согласно которому сила упругости пружины пропорциональна величине её деформации. В пружинных зажимах она называется усилием сжатия или контактным усилием, и она же качественно характеризует клеммное соединение.
Важный параметр – давление в зоне контакта, или сила, приходящаяся на единицу площади. Если усилие сжатия – величина постоянная, то чем меньше площадь контакта, тем больше давление в зоне контакта.
Давление в зоне контакта
.
Усилие извлечения и усилие удержания проводника
Рассмотрим физику работы наиболее популярного зажима с клеточной натяжной пружиной. Усилие извлечения и усилие удержания проводника в клемме не являются первоочередными для обеспечения качественного электрического контакта, но это важнейший критерий правильного монтажа соединения, поэтому их минимально необходимые значения регламентированы стандартами (например, IEC 60999-1).
Усилие извлечения проводника – это сила, которая должна быть приложена для извлечения проводника из закрытого зажима клеммы. Соответственно, усилие удержания проводника равно по величине и противоположно по направлению усилию извлечения проводника, в результате чего проводник остаётся неподвижным.
В отличие от упомянутых сил, действующих вдоль оси проводника, прижимное усилие пружины действует в перпендикулярном направлении (рис. 6). Кромка зажимной пружины оказывает дополнительное давление на проводник в направлении под некоторым углом к нему. Таким образом, при попытке извлечь проводник увеличивается прижимное усилие пружины, а вместе с ним усилие извлечения проводника из клеммы, но при этом повреждение проводника не происходит до тех пор, пока усилие извлечения не превысит прочность на разрыв самого проводника, и он не разорвется.
Формирование зоны контакта
Как было сказано выше, чем меньше площадь зоны контакта проводника с токоведущей шиной пружинного зажима, тем больше давление в этой зоне. Для обеспечения дополнительного давления на проводник токоведущая шина в зоне прилегания клеточной натяжной пружины имеет специальный выступ (рис. 7).
Медь отлично проводит электричество, но абсолютной устойчивостью к коррозии не обладает, и медные проводники имеют этот же недостаток. Нанесение более мягкого оловянного покрытия (лужение) на токоведущую шину создаёт в зоне контакта коррозионно-устойчивое пятно контакта в слое мягкого олова, который незначительно деформируется под давлением проводника, прижатого пружиной (рис. 8).
Если слой олова достаточно плотный, соединение остаётся газонепроницаемым, и переходное сопротивление в зоне контакта даже в химически агрессивной среде остаётся постоянным.
Сочетание газонепроницаемости контакта с постоянным усилием сжатия проводника пружиной, а также высокое качество используемых материалов в клеммных зажимах с клеточной натяжной пружиной обеспечивает высокую виброустойчивость и отсутствие необходимости в техническом обслуживании соединения в течение длительного времени, без снижения качества контакта и повреждения проводника.
Геометрия пружины
Форма пружины и материал, из которого она изготовлена, определяют её нагрузочную характеристику, в которой величина усилия сжатия пружины соответствует смещению (рис. 9).
Если материал и геометрическая форма пружины тщательным образом подобраны, то происходит автоматическая адаптация усилия сжатия пружины к диаметру проводника, и его постепенная пластическая деформация под воздействием постоянной нагрузки автоматически компенсируется.
В особенности это актуально для гибких проводников с лужёными концами, которые нельзя использовать в соединениях с винтовыми зажимами как раз из-за их самопроизвольной усадки.
Основные материалы, используемые при изготовлении пружинных клемм
Токоведущая шина изготовлена из электролитической меди с покрытием оловом, так как даже невысокий, на первый взгляд, процент (2–4%) содержания примесей (цинка, железа, серебра и золота) в черновой меди может существенно отразиться на электропроводности металла и качестве будущего контакта. Медь, полученная методом электролитического рафинирования, содержит менее 0,1% примесей, химически нейтральна и устойчива к коррозионному растрескиванию (комбинированному воздействию коррозионной среды и растягивающего напряжения). Последующей механической и термической обработкой достигают требуемого уровня твёрдости и упругости материала.
В 1950-х годах пружины для зажимов делались из обычной углеродистой стали, были хрупкими и не выдерживали даже небольших механических усилий. Современные аустенитные хромоникелевые стали вполне обеспечивают требуемый уровень прочности и износостойкости. Пружина, изготовленная из такой стали, устойчива к воздействию морского соляного тумана, промышленных загрязнений (диоксида серы или сероводорода), устойчива к коррозии даже в химически агрессивных средах 30%-ных растворов солей и фосфорной кислоты (при температуре 20°C).
За все годы использования не было ни одного примера появления гальванической коррозии между хромоникелевой сталью пружины и подключённым к ней медным проводником. Вне зависимости от перепадов температур, если спустя годы и годы длительной эксплуатации заменить в клемме проводник на другой с меньшим диаметром, пружинный зажим обеспечивает необходимое усилие зажима по всему поперечному сечению. Перепады температуры, как и её увеличение до 105°C, не оказывают существенного влияния на усилие зажима в течение долгого времени. Образцы с нагрузкой 500 Н/мм² при температуре 250°C демонстрируют ослабление всего на 1,5%.
Корпус, в котором размещаются компоненты под напряжением, обеспечивает защиту от случайного контакта, но требования к материалу, из которого он изготовлен, не ограничиваются его характеристиками хорошего изолятора. Он должен быть термостойким, высокопрочным, устойчивым к ультрафиолетовому излучению и химически агрессивным средам, и вдобавок трудновозгораемым и самозатухающим.
Корпуса пружинных зажимов классической конструкции (в них автономный блок из токоведущей шины и зажимных пружин не передаёт усилия зажима на изолирующий корпус) изготавливаются из полиамида (PA6.6), отвечающего всем этим требованиям. Компактные размеры корпуса оставляют возможность для оптимизации зазоров и минимизации токов поверхностной утечки (рис. 10).
Появление ещё более механически прочных изолирующих материалов, армированных стекловолокном (PAA-GF), предоставляет возможность облегчить конструкцию отдельных видов пружинных клемм, отказавшись от автономного контактного блока. В них зажимная пружина опирается непосредственно на изолирующий корпус, и конструкция становится ещё более компактной (рис. 11).
Основные варианты конструкций пружинных клемм и их применение
Рассмотрим более подробно наиболее популярные виды пружинных клемм. Несмотря на различные конструкции, типы и допустимый диапазон поперечных сечений подключаемых проводников и сферы приме-
нения, все они принадлежат к классу пружинных электрических соединений под давлением.
Плоско-пружинный зажим
В плоско-пружинных зажимах (рис. 12) используется свойство сопротивления изгибу одножильных и жёстких многожильных проводников диаметром от 0,5 до 4 мм². После зачистки проводник легко вводится в клемму и автоматически в ней фиксируется. Извлечение проводника выполняется легким попеременным вращением проводника влево-вправо с одновременным вытягиванием (рис. 13).
В клемме для каждого проводника предусмотрено отдельное клеммное место с отдельным лепестком пружины, что позволяет подключать в одну клемму проводники разного сечения (рис. 14 а).
Воронкообразные отверстия для ввода проводника исключают риск случайного подключения нескольких проводников к одному зажимному узлу и предотвращают механический контакт проводников друг с другом (рис. 14 б).
Клеммы этого типа используются в основном в распределительных коробках при монтаже электропроводки, систем освещения и сигнализации внутри зданий.
Особенности плоскопружинных зажимов
- Не предназначен для подключения гибких многожильных проводников.
- Нет необходимости в использовании специальных инструментов.
Зажим с клеточной натяжной пружиной
Зажимы с клеточной натяжной пружиной подходят для всех типов проводников, но подключение проводников производится при помощи простых инструментов типа отвёртки определённого размера (рис. 15).
Иногда для размыкания зажима в клемму встраивают специальный пластиковый рычаг, в этом случае дополнительный инструмент не требуется. Необходимо сначала отжать пружину, после чего ввести зачищенный проводник до упора, убрать инструмент, и проводник будет надёжно зафиксирован в зажиме с автоматически регулируемым в соответствии с диаметром проводника усилием (рис. 16). Пружинные зажимы, в отличие от винтовых, исключают вероятность того, что проводник останется незакреплённым либо окажется повреждённым после извлечения. Такие клеммы обычно устанавливаются в электротехнических шкафах и используются в различных отраслях промышленности и энергетики для подключения как силовых, так и сигнальных цепей.
Этот тип клемм предпочтителен также для установки на транспортные средства, такие как поезда, морские и речные суда, автомобили, так как имеет высокую стойкость к воздействию вибрации и других неблагоприятным условиям внешней среды.
Особенности зажимов с клеточной натяжной пружиной
- Подходит для всех типов проводников.
- Обеспечивает надёжный газонепроницаемый электрический контакт.
- Зажим приводится в действие инструментом.
- Имеет максимальную стойкость к воздействию вибрации.
Гибридный пружинный зажим
Гибридный пружинный зажим (рис. 17) так же, как и зажим с клеточной натяжной пружиной, подходит для всех типов проводников. Его особенность в том, что достаточно жёсткие одножильные медные проводники сечением от 0,5 до 4 мм² и многожильные проводники с обжимным наконечником подключаются простым вставлением в клемму, в то время как многожильные и гибкие проводники подключаются с предварительным отжатием пружины при помощи монтажного инструмента (рис. 18). Для извлечения проводника из клеммы в любом случае необходимо использовать инструмент.
Сфера применения клемм с гибридным зажимом в целом аналогична сфере применения клемм с клеточной натяжной пружиной. Клеммы с гибридным зажимом могут быть рекомендованы для монтажа систем с большим количеством сигналов в случае, если необходимо сократить время и трудозатраты на монтаж и большинство подключаемых проводников одножильные и имеют достаточную жёсткость.
Особенности гибридных пружинных зажимов
- Подходит для любых типов проводников.
- Жёсткие одножильные проводники могут быть подключены быстро и без использования инструмента.
Зажим с витой нажимной пружиной
Несмотря на многочисленные достоинства клемм с клеточной натяжной пружиной, им присущ существенный недостаток – с ростом максимального сечения подключаемого проводника растут размеры зажима, а соответственно, и усилие, необходимое для отжатия ручным инструментом пружины при подключении проводника к клемме. Для проводников сечением более 35 мм² это усилие приводит к тому, что клемма отламывается от DIN-рельса, на котором она установлена, или разрушается её изолирующий корпус. Поэтому для проводников сечением от 35 до 95 мм² был разработан зажим с цилиндрической витой пружиной, сжатие которой производится при помощи силовой винтовой передачи.
Сжатие пружины для подключения проводника производится поворотом пластиковой втулки с наружной резьбой при помощи шестигранного ключа. Один оборот шестигранного ключа сжимает пружину с требуемым усилием, после чего она автоматически фиксируется в сжатом положении, освобождая руки монтажника для установки проводника в открывшееся отверстие между скобой и токоведущей шиной (рис. 19). После установки проводника и освобождения пружины проводник остаётся надёжно зафиксирован с требуемым усилием, автоматически подстраивающимся под сечение подключённого проводника. Извлечение проводника из клеммы производится в обратном порядке.
Таким образом, в отличие от простоты и строгого минимализма конструкции клемм с клеточной натяжной пружиной, конструкция такой системы более сложная и включает бо́льшее количество компонентов. Такие клеммы выдерживают ток в сотни ампер и применяются в системах распределения питания в шкафах управления в промышленности и энергетике.
Особенности клемм с витой нажимной пружиной
- Подходит для подключения всех типов проводников сечением от 35 до 95 мм².
- Зажимный механизм предварительно активируется при помощи шестигранного ключа.
Комбинированный зажим для подключения светильников
Для подключения светильников в зданиях часто необходимо соединить жёсткие одножильные провода, выходящие из стены или потолка, с тонкими многожильными проводами светильника. Для решения этой задачи был специально разработан зажим комбинированного типа, сочетающий в себе независимые друг от друга плоскопружинный зажим и зажим с клеточной натяжной пружиной, имеющие при этом общую токоведущую шину и единую пружину (рис. 20). Для подключения светильника необходимо с одной стороны вставить в клемму одножильный провод, а затем сжать её корпус и с противоположной стороны вставить многожильный провод от светильника.
Особенности клемм для подключения светильников
- Подходит для соединения одножильного и многожильного проводника.
- Не требует использования монтажного инструмента.
Заключение
Использование пружинных клемм предоставляет пользователю несомненные преимущества, такие как надёжность, долговечность, необслуживаемость и постоянство параметров электрического соединения, а также уменьшение трудовых и временны́х затрат на монтаж и обслуживание клеммных соединений, что особенно важно для больших распределённых систем управления и контроля в промышленности и энергетике. Весьма выгодным является применение пружинных клемм на транспортных средствах, особенно на подвижном составе железных дорог и в судостроении, где надёжность соединения особенно важна, и пружинные клеммы, особенно клеммы с клеточной натяжной пружиной, проявляют высокую стойкость к воздействию ударов, вибраций, морского соляного тумана и других провоцирующих коррозию факторов. ●
Авторы – сотрудники фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru
автоматизация
автоматизация
автоматизация
автоматизация
