ei_2004_03_s058.pdf

kable i przewody

przewody izolowane

w liniach napowietrznych

kształtowanie rozwiązań technologicznych połączeń stykowych

mgr inż. Rafał Badeński - Politechnika Wrocławska

linii napowietrznych należą do

najbardziej newralgicznych miejsc,

w których najczęściej dochodzi do

awarii. Świadomość tego powstała

właściwie równocześnie z odkry-

ciem zjawisk elektrycznych. Bada-

nia styków elektrycznych, decydu-

jących o jakości połączeń, zapocząt-

kował B. Franklin i J. Priestley pod

koniec XVIII w. Spostrzeżenia ich

dotyczyły wpływu siły docisku sty-

kających się elementów na jakość

połączenia. Kolejnym znaczącym

odkryciem było stwierdzenie

warstw nalotowych tlenków na po-

wierzchni metalu i wprowadzenie

przez W. Siemensa w 1860 r. poję-

cia rezystancji przejścia styku. Duże

znaczenie miały ponadto badania

prowadzone przez R. Holma, który

w 1926 r. wykazał, że przewodzenie

w stykach jest natury metalicznej.

Efektem tych wszystkich odkryć

było zastosowanie w latach pięć-

dziesiątych XX w. pierwszy raz linii

napowietrznych z przewodami w

izolacji. Izolacja żył miedzianych

była wykonana z elastomerów, tzw.

kauczuku neoprenowego. Do połą-

czeń tego typu przewodów stoso-

wano wówczas zaciski śrubowe, a

wykonane złącza nie izolowano. Po-

mimo że system ten okazał się bez-

pieczny dla użytkowników, to jed-

nak neoprem był materiałem mało

odpornym na czynniki atmosferycz-

ne, co w konsekwencji prowadziło

do obniżenia trwałości połączeń

stykowych i wzrostu wskaźnika

uszkodzeń. W kolejnych latach we

Francji zaczęto stosować przewody

aluminiowe z izolacją PCV. Te roz-

wiązania również prowadziły do

wielu awarii w miejscach połączeń

prądowych, które spowodowane

były tworzeniem się warstw tlenku

aluminium będącego w bezpośred-

nim kontakcie z powietrzem i na-

cięciami żył powstałymi podczas

zdejmowania izolacji. Liczne nacię-

cia wywoływały zjawisko karbu żył

i mechaniczne ich osłabienie, potę-

gowane wibracjami wiązki. Stoso-

wano wówczas tzw. złączki praso-

wane z termokurczliwą izolacją. Izo-

lacja ta była jednak mało odporna

na zmiany temperatury i pękała na

skutek naprężeń w przewodzie neu-

tralnym. W celu wyeliminowania

tego typu problemów, naukowcy

wybrali nowy materiał na izolacje

przewodów – polietylen usieciowa-

ny (XLPE). Zastosowano też nową

technologię przebijania izolacji

przewodów – bez konieczności jej

zdejmowania, co przyniosło popra-

wę bezpieczeństwa podczas prac

pod napięciem. Końcowym efek-

tem wszystkich badań i odkryć są

zaciski prądowe przebijające izola-

cję, zastosowane po raz pierwszy w

połowie lat 70, a w Polsce na począt-

ku lat 90.

podstawowe wymagania

technologiczne

mocy, rezystancja przejścia);

mechaniczne (naprężenia we-

wnętrzne);

strukturalne (rekrystalizacja ma-

teriałów styków);

chemiczne (korozja styków).

konstrukcje elementów

przebĳ ających izolację

Połączeniom stykowym w li-

niach napowietrznych przewoda-

mi izolowanymi stawia się istot-

ny warunek, aby rzeczywista po-

wierzchnia zestyku elektrycznego

była jak największa i stabilna w

czasie [1]. Spełnienie tego warun-

ku zależy przede wszystkim od ele-

mentu zacisku, który wnika w izo-

lację i tworzy stałe połączenie sty-

kowe, w którym podstawową rolę

odgrywają m.in.:

kształt i rozmiary geometryczne

styków oraz ich głębokość wnika-

nia w żyłę przewodu;

siła docisku styków do żyły prze-

wodu;

rodzaje materiałów, z jakich wyko-

nany jest styk i uszczelnienia izo-

lacyjne.

W tak utworzonym złączu sty-

kowym występuje wiele powiąza-

nych ze sobą procesów fizykoche-

micznych, z których główne to:

elektryczne (spadki napięć, starty

Elementy przebijające izolację

przewodów i wnikające w materiał

żyły najczęściej mają postać igieł

o ukształtowaniu piramidalnym

lub grzebieniowym. Przykładową

konstrukcję piramidalną przedsta-

wia rys. 1 .

Główne zalety rozwiązań pira-

midalnych to:

duża powierzchnia styku przy sto-

sunkowo niewielkim wnikaniu

igły w materiał żyły;

ograniczenie przenikania wilgoci;

łatwa penetracja izolacji;

niewielkie pogarszanie własności

mechanicznych przewodów.

Wadą jest natomiast wysoki

koszt produkcji.

Styki o kształcie grzebienia

wytłaczane są najczęściej ze sto-

pów aluminium lub miedzi ocyno-

wanej (tego typu rozwiązanie przed-

stawia rys. 2 ).

Liczba konstrukcji grzebienio-

wych, użytych do budowy zaci-

sku, zależy od spodziewanej ob-

ciążalności prądowej przenoszo-

nej przez dany układ. Konstrukcja

Rys. 1 Konstrukcja styków grzebieniowych

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

P ołączenia w torach prądowych

Rys. 3 Szkic konstrukcji zacisku ze stykami

nożowymi

Rys. 2 Konstrukcja styków grzebieniowych

różniamy ponadto styki nożowe

wytwarzane z profilu stopowego

aluminium. Kształt układu nożo-

wego przedstawia rys. 3 .

Styki nożowe są rzadko sto-

sowane w zaciskach prądowych

przebijających izolacje, ze względu

na liczne niedoskonałości techno-

logiczne, np.:

nacinanie wzdłużne izolacji i

wzrost zawilgocenia podczas in-

stalowania w niskich temperatu-

rach;

nacinanie żyły przewodu przy bra-

ku kontroli momentu dokręcania;

wysokie momenty dokręcania.

metody uzyskiwania oczekiwanej

siły docisku

grzebieniowa posiada jednak dużo

wad m.in.:

trudności w uniknięciu zjawiska

korozji bez dodatkowej osłony

uszczelniającej;

znaczne osłabienie wytrzymałości

mechanicznej przewodu spowo-

dowanej koniecznością głębszego

wnikania styku w żyłę przewodu.

Jedyną dostrzegalną zaletą jest

łatwiejsza i tańsza produkcja tych

elementów.

W rozwiązaniach konstruk-

cyjnych przebijających izolację wy-

Warunkiem, jaki musi speł-

niać zacisk prądowy, aby uzyskać

wymaganą jakość i niezawodność

połączenia stykowego, jest zasto-

sowanie odpowiedniego momen-

tu dokręcania styków. Zaciski prą-

dowe przebijające izolacje nie

Rys. 4 Obraz mikroskopowy warstwy powierzchniowej styków zacisku

kable i przewody

Rys. 5 Widmo energetyczne warstwy zewnętrznej występującej na powierzchni badanej próbki

Śruby najczęściej są znormali-

zowane, M8 lub M10, cynkowane

na gorąco, dakromatyzowane, wy-

konane ze stali nierdzewnej, zin-

tegrowane z plastikową lub meta-

lową nakładką samozrywalną [2].

Ich zaletami są:

znormalizowane gwinty;

stabilność momentu zrywania w

przypadku nakładek metalowych;

bezpieczeństwo (śruba całkowicie

wyizolowana).

Ich wadami natomiast są:

zależność momentu dokręcania

od rodzaju i jakości pokrycia śru-

by;

wysoki rozrzut właściwości nakła-

dek plastikowych, w zależności od

temperatury instalowania.

Równoważnym, chociaż uprosz-

czonym sposobem uzyskiwania od-

powiedniej siły docisku jest stoso-

wanie kluczy dynamometrycznych.

Zaciski prądowe przebijające izola-

cję są wyposażone dodatkowo w

układ sprężynujący zapewniający

stały docisk styków, do żyły prze-

wodu w trakcie eksploatacji. Umoż-

liwia on również połączenie prze-

wodów o różnych przekrojach i

kompensuje różnice rozszerzalno-

ści termicznej poszczególnych ele-

mentów konstrukcyjnych zacisku i

przewodu.

materiały stykowe

i izolacja zacisków

skopem elektronowym typu JSM

5800 LV. Po wykonanej mikroanali-

zie, na powierzchni badanej próbki

stwierdzono występowanie dwóch

warstw, których obraz mikroskopo-

wy widoczny jest na rys. 4 .

Analiza uzyskanych widm ener-

getycznych – rys. 5 i 6 – wykazała,

że warstwę zewnętrzną styków sta-

nowi cyna o szerokości ok. 10 µm,

a warstwa zewnętrzna o szerokości

2,5 µm wykonana jest z miedzi.

Dokonując analizy składu che-

micznego rdzenia zacisku przy po-

większeniu 7500 razy, stwierdzo-

no, że oprócz aluminium znaczące

części wydzielin obejmują krzem

(1,3%), żelazo (0,09%), mangan

(0,4%) i magnez (0,18%).

Odrębnym zagadnieniem jest

izolacja zacisku prądowego, któ-

ra pierwotnie wykonywana była z

twardego tworzywa sztucznego i za-

bezpieczała jedynie przed dotykiem

bezpośrednim. Obecnie natomiast

izolacja zacisku ma postać korpu-

su wykonanego z materiału izola-

cyjnego. Dodatkowo, większość za-

cisków posiada uszczelki na styki

wypełnione pastami stykowymi, a

przykłady tych rozwiązań przedsta-

wia rys. 7 .

Rys. 6 Widmo energetyczne warstwy wewn. występującej na powierzchni badanej próbki

mogą być ponownie dokręcane w

trakcie eksploatacji, ponieważ po-

woduje to nadmierne osłabienie

mechaniczne przewodów. Kon-

struktorzy przedstawili dwie pod-

stawowe techniki uzyskiwania od-

powiedniej siły docisku:

śruby z ukręcanymi nasadkami po

osiągnięciu wymaganego momen-

tu;

klucze dynamometryczne.

współczesne rozwiązania

konstrukcyjne

Większość z nich została już

opisana w poprzednich śródtytu-

łach. Można jedynie dodać, że dzi-

siejsze konstrukcje zacisków prądo-

wych są bezpieczniejsze, bardziej

niezawodne i łatwiejsze zarówno

w montażu, jak i w eksploatacji.

Właściwości styków zostały popra-

wione na drodze eksperymental-

nej, przy badaniu złącza termicz-

nymi cyklami przeciążeniowymi.

Przykładowe konstrukcje zacisków

stosowanych współcześnie przed-

stawiono na rys. 8 .

Ze względu na utrudniony do-

stęp do danych dotyczących składu

chemicznego materiałów wykorzy-

stywanych do budowy styków, au-

tor sam przeprowadził badania na

elementach stykowych, najczęściej

eksploatowanych w kraju, zacisków

prądowych przebijających izolację.

Analizę składu chemicznego sty-

ków wykonano przy pomocy spek-

trometru rentgenowskiego typu

ISIS – 300, sprzężonego z mikro-

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

kable i przewody

wo dużą awaryjność w liniach na-

powietrznych niskiego napięcia z

przewodami izolowanymi.

literatura

Rys. 7 Przegląd stosowanych izolacji zacisków prądowych

1. Gacek Z., Przegląd rozwiązań kon-

strukcyjnych połączeń stykowych

w liniach napowietrznych z

przewodami izolowany-

mi, II Konferencja Nauko-

wo - Techniczna: Elektro-

energetyczne linie napo-

wietrzne niskiego i śred-

niego napięcia, Kołobrzeg

2003.

2. Porcheray G., Rozwój

technologii zacisków prze-

bijających izolację, Konfe-

rencja Naukowo - Technicz-

na: Połączenia prądowe w

napowietrznych liniach

elektroenergetycznych z

przewodami izolowanymi,

Bielsko-Biała 2002.

wnioski

cowane pod względem

ukształtowania geome-

trycznego. Ważne jest

również utrzymanie sta-

łej siły docisku styku do

żyły przewodu podczas

całego okresu eksplo-

atacyjnego (20 - 30 lat).

Generalnie jednak jest

jeszcze wiele niedocią-

gnięć technologicz-

nych w budowie połą-

czeń stykowych, które

należy poprawiać i któ-

re powodują stosunko-

Prace badawcze i konstrukcyj-

ne w dziedzinie połączeń styko-

wych prowadzone są nieprzerwa-

nie do chwili obecnej, co znajdu-

je odbicie w nowych rozwiąza-

niach konstrukcyjnych. Wymaga-

nia stawiane zaciskom, dotyczące

ich trwałości elektrycznej i mecha-

nicznej, nieustannie rosną, co wy-

musza na projektantach nowe po-

dejście technologiczne. Projektowa-

ne konstrukcje elementów przebi-

jających izolację są bardziej zróżni-

Rys. 8 Zaciski przebĳ ające izolację ze stykami (a) piramidalnymi i (b)

grzebieniowymi

www.elektro.info.pl

nr 3/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: