Контактное сопротивление между шиной и броней кабеля

Технологические и научные новшества часто с трудом принимаются обществом ввиду того, что новое совсем не похоже на то, к чему привыкли и применяли многие годы. Такая же участь постигла и метод соединения заземляющей шины с металлической броней электрического кабеля в муфтах с использованием пружинных колец. Использование пружинных колец для электрических соединений, таких как соединение заземляющей шины с кабелем или его броней стало популярным в середине ХХ века и было связано с развитием кабельных технологий и осознанием необходимости более надежных и стабильных соединений.

Самым надежным и долговечным способом соединения является пайка. Но, ввиду необходимости нагревания соединяемых поверхностей до температуры 250-300 °С, он требует высокой квалификации монтажника, а учитывая необходимость применения открытого огня, он не всегда применим (пожароопасные и взрывоопасные производства, ограниченные пространства и пр.). Поэтому в последнее время чаще используются альтернативные методы электрического соединения шины заземления с броней или металлической оболочкой кабеля.

Наиболее известными и часто применяемыми непаянными методами соединения шины заземления с броней кабеля является соединение с использованием винтового хомута и с использованием пружинного кольца. Рассмотрим достоинства и недостатки каждого метода. 

1. Контактное сопротивление.

Для уменьшения контактного сопротивления между шиной и бронёй кабеля необходимо, чтобы обеспечивалась наибольшая площадь контакта. Хомут, при казалось бы бóльшем стягивающем усилии и соответственно при бóльшем прижимном усилии, должен обеспечивать меньшее контактное сопротивление, однако при внимательном рассмотрении можно определить следующее. Пружинное кольцо состоит из нескольких (5-7) витков более тонких листов пружинной стали по сравнению с толщиной стали хомута. Соответственно пружинное кольцо является более гибким и принимает форму кабеля, которая в большинстве случает отличается от идеального круга и тем самым обеспечивает прижатие шины по всему периметру кабеля, тогда как хомут прижимает шину в отдельных точках. Прижатие в отдельных точках может деформировать кабель и тем самым повышает риск повреждения соединяемых компонентов и снижает срок службы кабеля. Пружинное кольцо, обеспечивая равномерную нагрузку по всему периметру кабеля обеспечивает полное прижатие шины. Пружинное кольцо создает распределенную нагрузку, и интуитивно кажется, что это давление слабое. Приведу такой пример: Допустим мы с определенным усилием пальцем давим на доску – деформации доски не произошло. А теперь между пальцем и доской установим канцелярскую кнопку и надавим с тем же самым усилием – произойдет деформация доски, и кнопка воткнется в доску. В первом случае мы доску не повредили, но это не значит, что мы слабее давили, просто нагрузка была распределена на бóльшую площадь, чем во втором случае.

2. Стабильность параметров

Монтаж хомута требует, чтобы он был «надежно» затянут. Но вот только определение «надежно» можно определить только используя динамометрический ключ. Да и на хомуты нет требований по необходимому крутящему моменту при затягивании. То есть при монтаже кабельщик может как недозатянуть так и перетянуть хомут. Вероятность, что кабельщик точно по ощущениям установит оптимальный момент затягивания, который, кстати, даже производитель хомутов не указывает, очень мала. Что же касается пружинного кольца, то достаточно просто чтобы диаметр кабеля соответствовал диапазону диаметров применения пружинного кольца. При монтаже пружинного кольца необходимое усилие уже задано его конструкцией и монтажник не может (даже если бы захотел) изменить его. 

3. Простота монтажа

Установить пружинное кольцо можно без использования специальных инструментов, тогда как для монтажа хомута требуется как минимум ключ либо отвертка. Время монтажа хомута в 2-3 раза больше, чем время монтажа пружинного кольца. 

4. Компактность

Пружинное кольцо, по сравнению с хомутом имеет мéньшие габариты по сравнению с хомутом, а во многих случаях большие размеры хомута являются критичными. 

5. Долговечность

При длительной эксплуатации контактное соединение подвергается вибрациям, тепловым деформациям и механическим нагрузкам. При тепловых деформациях происходит расширение материалов при нагревании и уменьшение при остывании. Соответственно при нагревании шина заземления сжимается (так как кабель расширяется) и так как она состоит из множества мелких проволочек, то эти проволочки более плотно укладываются и изгибаются. При остывании диаметр кабеля уменьшается, а размер шины остается прежним, либо уменьшается вследствии остывания. Таким образом между кабелем и шиной создается зазор. Этот зазор также создается при механических воздействиях на кабель (например изгибы кабеля при перемещении кабельной линии) и также при вибрации. Данный зазор снижает усилие прижима шины к броне вплоть до полного отсутствия давления. Хомут, которому при монтаже был задан определенный диаметр не может уменьшить этот размер в процессе эксплуатации. Пружинное кольцо, в отличие от хомута, каждую секунду создает постоянное давление и при появлении зазора тут же сжимается и восстанавливает давление на шину. Воздействие же вибрации, не только не увеличивает зазор, но и приводит к еще более плотному сжиманию кольца, в то время как от вибрации происходит самораскручивание болтового механизма хомута. Таким образом, применение пружинного кольца обеспечивает долговечность контакта и стабилизацию его контактного сопротивления. 

6. Соответствие ГОСТ

Согласно требований п.2.1.7 ГОСТ 10434 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования» контактные соединения, требующие применения средств стабилизации электрического сопротивления, должны выполняться с использованием как по отдельности, так и в сочетании следующих средств:

…

2) тарельчатых пружин по ГОСТ 3057 или пружин конкретных видов;

…

Таким образом стандартом рекомендуется использование пружин для стабилизации контакта.

И по факту, в частности, на сегодняшний день в соединительных муфтах для кабелей типа АСБ на напряжение 10 кВ, эксплуатируемым в т. ч. и вдоль железнодорожного полотна на электрифицированных участках стандартным техническим решениям является применением пружинных колец. Вариант применения хомутов для соединения металлических частей электрических кабелей в принципе не обозначен. 

Выводы:

Пружинные кольца являются элегантным и технически обоснованным выбором для электрического соединения в муфтах. Они совмещают в себе компактность, надежность, простоту использования и устойчивость к внешним воздействиям, что делает их незаменимыми в критически важных соединениях. Хомуты, в свою очередь, остаются подходящими для временных или менее требовательных задач, но в долгосрочной перспективе уступают своим более продвинутым конкурентам.

Выбор между этими элементами крепления зависит от конкретных условий эксплуатации, однако, если вам важна надежность, долговечность и простота, пружинные кольца — это безусловный лидер.

В предложенных технических решениях в муфтах серий МСХ, МСХА, МСХ-Т и МСХА-Т, с целью минимизации контактного сопротивления в точках соединения заземляющей шины с экранами из повива алюминиевых проволок или металлическими оболочками соединяемых кабелей, восстановление электрической целостности выполняется с дублированием мест подключения с применением пружин постоянного давления (пружинных колец). Также дополнительно, с целью исключения проникновения влаги к точкам соединения заземляющей шины с металлическими частями кабелей, заземляющая шина оснащена водоблокирующим устройством.   

Мы провели измерения контактного сопротивления шины заземления к проволочному экрану в одинаковых лабораторных условиях (для чистоты эксперимента).

Описание эксперимента по измерению контактного сопротивления заземляющей шины и проволочного экрана

1. Цель исследования

Определить значение контактного сопротивления на границе соединения между заземляющей шиной и проволочным экраном, используя разные конструкции крепления.

2. Оборудование и средства измерений

• Микроомметр высокой точности МОМ-644.

3. Испытуемые элементы

• Заземляющая шина: медно-лужёная
• Проволочный экран: из алюминиевых проволок

4. Процедура измерения

Подготовка:

1. Очистка контактных поверхностей от загрязнений и окислов.
2. Сборка испытательной цепи с использованием пружинных колец и хомута, обеспечивающих механически стабильный контакт.
3. Проверка силы прижатия соединения.

Проведение измерений:

1. Подключение измерительных зажимов Кельвина типа «Крокодил» микроомметра к шине заземления и проволочному экрану.

Учет влияющих факторов:

1. Проведение серии измерений для повышения точности (минимум 3-5).

Результаты и анализ

Соединение шины заземления с проволочным экраном при использовании хомута.