Электрическое соединение¶

Электрическое соединение — это совокупность элементов и устройств, обеспечивающих электрическую связь между проводниками, электрическими цепями и элементами электротехнических устройств. К электрическим соединениям относятся стационарные и разъёмные контакты, клеммные зажимы, пайка, сварка, опрессовка и иные способы создания низкоомного электрического контакта между проводниками. Качество электрического соединения определяется его переходным сопротивлением, механической прочностью, термической стабильностью и долговечностью.

¶Классификация

По характеру соединения различают:

• Стационарные (неразъёмные) соединения — пайка, сварка, опрессовка, проколачивание, винтовое соединение с постоянной затяжкой. Обеспечивают низкое переходное сопротивление и высокую надёжность, но не допускают быстрого разъединения.
• Разъёмные соединения — вилка и розетка, штепсельные соединители, клеммные колодки, винтовые клеммы, пружинные зажимы. Позволяют многократно соединять и разъединять цепи.
• Соединения с переменным контактом — щёточно-коллекторные узлы, скользящие контакты, токосъёмники. Используются в электродвигателях, генераторах, троллейбусах и трамваях.

По назначению соединения делятся на силовые (для передачи токов большой величины) и сигнальные (для передачи слабых сигналов), а также на соединения в сетях с постоянным и переменным током.

¶Физика электрического контакта

Идеально гладких поверхностей не существует: при соприкосновении двух проводников фактический контакт осуществляется лишь на отдельных микронеровностях — так называемых «а-точках». Общая площадь реального контакта, как правило, составляет лишь малую долю номинальной площади сечения проводника.

Электрический ток, проходя через сужение в а-точках, испытывает дополнительное сопротивление — сопротивление сжатия (или концентрации тока). Именно оно определяет переходное сопротивление электрического соединения. Величина сопротивления сжатия обратно пропорциональна числу и суммарной площади а-точек, то есть зависит от:

• силы сжатия контактов;
• шероховатости поверхностей;
• твёрдости материала;
• наличия оксидных плёнок и загрязнений.

Оксидные плёнки на поверхности металлов (например, оксид алюминия) обладают высоким удельным сопротивлением и могут существенно ухудшить контакт. Для их разрушения при сборке соединений применяют механическую зачистку, смазку контактных паст, а также достаточную силу затяжки.

¶Основные способы создания соединений

¶Винтовое соединение

Наиболее распространённый способ в электроустановках. Провод зажимается между шляпкой винта и шайбой либо в клеммной колодке. Достаточная затяжка обеспечивает плотный контакт, однако со временем под действием температурных циклов и вибрации затяжка может ослабевать, что увеличивает переходное сопротивление и приводит к перегреву. В ряде случаев применяют динамометрические ключи для контроля момента затяжки.

¶Пайка

Соединение металлов с помощью припоя — сплава с более низкой температурой плавления. Обеспечивает герметичность и низкое переходное сопротивление, применяется в электронике и слаботочной технике. Ограничение — снижение механической прочности при высоких температурах и необходимость флюса.

¶Сварка

Контактная сварка применяется в тяжёлой электротехнике, например для соединения токопроводящих шин. Образует монолитное соединение с минимальным переходным сопротивлением.

¶Опрессовка

Медные или алюминиевые наконечники деформируются на проводе пресс-клещами. Широко используется в распределительных устройствах и электрощитах.

¶Пружинные и самозажимные клеммы

Современная альтернатива винтовым клеммам: пружина обеспечивает постоянное усилие прижима независимо от квалификации монтажника. Применяются в модульных автоматических выключателях, УЗО и распределительных коробках.

¶Переходное сопротивление и нагрев

Переходное сопротивление электрического соединения — ключевой параметр его качества. При протекании тока оно вызывает локальный нагрев по закону Джоуля — Ленца: \(Q = I^2 R t\). Перегрев соединения приводит к окислению контактов, ослаблению затяжки, деформации материалов и в конечном итоге к аварии — оплавлению изоляции, короткому замыканию или пожару.

Нормируемые значения переходного сопротивления установлены в отраслевых стандартах и правилах устройства электроустановок (ПУЭ). Для силовых соединений, как правило, требуется, чтобы переходное сопротивление было в сотни и тысячи раз меньше сопротивления участка проводника той же длины.

¶Маркировка и обозначения

На принципиальных электрических схемах электрические соединения обозначаются точками пересечения проводников: точка означает наличие электрической связи, отсутствие точки — лишь пересечение без соединения. В монтажных схемах соединения показывают в виде клемм, зажимов или условных обозначений разъёмов.

¶Значение

Надёжность электрического соединения напрямую влияет на безопасность и работоспособность электроустановок. Статистика аварий в электроэнергетике показывает, что значительная доля повреждений связана с ослаблением и перегревом контактов. Поэтому проектирование, монтаж и обслуживание соединений регламентируются стандартами — в России действуют ГОСТы на клеммные соединители, правила устройства электроустановок и отраслевые инструкции.

Источники:

• Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание
• ГОСТ Р МЭК 60947 — низковольтные комплектные устройства и аппараты управления
• Справочник по электротехнике, под ред. В. Г. Герасимова
• Физика электрического контакта / В. В. Поляков, В. С. Пантелеев
• Электротехнический справочник, том 2