Разборное электрическое контактное соединение (РЭКС) является основным видом соединения в шинных системах низковольтных комплектных устройств (НКУ). Производство НКУ накладывает высокую ответственность на производителя за качество сборочных работ, от которого зависит надежность оборудования в целом. Поэтому очень важно конструировать НКУ и проводить сборочные работы на высоком технологическом уровне, в соответствии с действующими техническими стандартами, рекомендациями разработчика данного типа НКУ, привлекая квалифицированный персонал, используя соответствующий инструмент и оригинальные элементы крепления и стабилизации контактного нажатия РЭКС, которые входили в состав изделия, подвергавшегося испытаниям.
Нормативные требования к обеспечению безопасности РЭКС.
ГОСТ 12.2.007.0-75 "Изделия электротехнические. Общие требования безопасности"
ГОСТ Р 51321.1-2007 "Устройства комплектные низковольтные распределения и управления"
ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования»
Рекомендуемые моменты затяжек для разборных электрических контактных соединений дает ГОСТ 10434-82 и ВСН 164.
Согласно требованиям п. 3.1.10 ГОСТ 12.2.007.0-75 «Изделия электротехнические. Общие требования безопасности» производитель обязан гарантировать пожарную безопасность изделия и его элементов как в нормальном, так и в аварийном режимах работы. Для НКУ это требование реализуется выполнением п. 7.8.1 ГОСТ Р 51321.1-2007. Соединения между токоведущими частями должны осуществляться средствами, обеспечивающими необходимое и стойкое контактное нажатие.
Необходимое контактное нажатие создается при сборке РЭКС. Рекомендуемая величина этого показателя, в виде моментов на ключе, дается в при-
ложении 4 ГОСТ 10434-82 «Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования». В качестве средства для создания требуемого момента, стандарт рекомендует использовать моментные индикаторные ключи и тарированные отвертки.
Под стойким контактным нажатием, согласно стандарту ГОСТ Р 51321.1-2007, подразумевается, что при всех режимах работы оборудования значение
нажатия остается неизменным. Основной способ поддержания исходного контактного давления согласно ГОСТ 10434-82 - предохранение РЭКС от самоотвинчивания с помощью контргайки, пружинных шайб (шайб Гровера), тарельчатых пружин
Выбор средств стабилизации контактного нажатия
Для правильного выбора средств из приведенного выше перечня рассмотрим основные тепловые режимы работы НКУ, в котором в качестве проводников используют медные шины.
Исходное состояние - сборка и установка оборудования. Происходит, как правило, в помещении при температуре 18–24 °С. Рабочее состояние -оборудование находится в эксплуатации. Температура шин при номинальных токах может колебаться от температуры окружающей среды до 95 °С (для медных шин). Аварийное состояние - режимы токов короткого замыкания. Температура медных шин может достигать 300 °С .
Получается некоторый эксплуатационный температурный цикл вида:
20 °С ↔ 95 °С ↔ 300 °С ↔ 20 °С.
Рассмотрим несколько вариантов стабилизации контактного соединения:
1.Стабилизация контактного нажатия с помощью контргайки 2.Стабилизация контактного нажатия с помощью пружинной шайбы (шайбы Гровера), изготовленной по ГОСТ 6402-70 3.Стабилизация контактного нажатия с помощью тарельчатой пружины,изготовленной по ГОСТ 3057-90
1.Стабилизация контактного нажатия с помощью контргайки
Возьмем в качестве примера РЭКС двух медных шин толщиной 10 мм, выполненное с помощью стального болта и гайки. Поскольку коэффициент теплового расширения меди a = 1,65•10–5 1/°С, а стали 1,25•10–5 1/°С, можно предположить, что при изменении температуры на 75 °С (от температуры окружающей среды 20 °С до допустимой рабочей температуры медных шин 95 °С) крепежные элементы будут препятствовать расширению медной шины.
Для подтверждения истинности такого допущения рассчитаем удлинения шины Dlш и болта Dlб по формуле:
Dl = alt, (2.1)
где l - первоначальная длина шины и болта; t - величина изменения температуры РЭКС.
Dlш = 0,02475 мм; Dlб = 0,01875 мм.
Поскольку Dlш > Dlб, становится очевидным, что гайка и головка болта будут препятствовать расширению шины более чем на Dlб = 0,01875 мм. Это вызовет дополнительные напряжения σt как в шине, так и в болте, что может привести к деформации шины, а в худшем случае - и к разрыву болта.
Т.е. при деформации шины и болта требуемое усилие стягивания не будет выполняться, что приведет к увеличению сопротивлению в РЭКС, нагреву соединения и возможному разрушению.
2.Стабилизация контактного нажатия с помощью пружинной шайбы (шайбы Гровера), изготовленной по ГОСТ 6402-70 .
Защита от самоотвинчивания с помощью пружинных шайб основывается на их конструктивных особенностях и твердости материалов, применяемых для их изготовления. Стальные пружинные шайбы имеют твердость 41,5–49,5 HRC3 (HRC40-48), а концы шайб - плоский срез. Кромка, образованная плоскостью среза и опорной поверхностью шайбы, имеет острые края (п. 2.5 ГОСТ 6402-70). Именно этой кромкой, при затяжке, происходит врезание в тело гайки и опорную плоскость сопрягаемой детали, что обеспечивает стопорение гайки.
Пружинные шайбы допустимо применять, если опорные поверхности имеют твердость от 150 до 300 НВ. Пружинные качества даже тяжелых шайб, для болтов М8-М12, ограничены диапазоном сил 583-1000Н. При рекомендуемых ГОСТ 10434-82 моментах затяжки болтов КС силы, действующие на эти шайбы, будут изменяться от 16 000 до 22 000 Н. Очевидно, что при этом пружинная шайба будет полностью деформирована. Поэтому при изменении температуры РЭКС до рабочего значения, также как и в первом случае, произойдет пластическая деформация шин в месте контакта с крепежными элементами. При уменьшении температуры РЭКС пружинная шайба не сможет компенсировать в полной мере потерю контактного давления, в силу того что, как отмечалось выше, ее пружинные качества значительно меньше требуемых. Очевидно, что данное средство не обеспечивает поддержания стойкого контактного нажатия.
3.Стабилизация контактного нажатия с помощью тарельчатой пружины,изготовленной по ГОСТ 3057-90
Силовые качества тарельчатых пружин, установленных в виде параллельного или последовательного пакетов, соизмеримы с усилиями затяжки. Для работы соединения как упругой системы безразлично, где установлена шайба: под гайкой или под головкой болта, или одновременно под гайкой и болтом; в последнем случае упругость системы увеличивается вдвое.
Во всех температурных режимах, тарельчатая пружина, в силу своих силовых и конструктивных особенностей, обеспечит исходное давление в РЭКС, т.е. гарантирует именно стойкое контактное нажатие, как требует стандарт ГОСТ Р 51321.1-2007.
Не требуется обслуживания КС после перехода шинной системы из одного теплового режима в другой, если номинальные токи и токи КЗ находились в расчетных пределах, а шинная система не имеет видимых деформаций.
Из рассмотренных средств обеспечения контактного нажатия только РЭКС с тарельчатой пружиной обеспечивает выполнение требований ГОСТ 12.2.007.0-75, ГОСТ 10434-82 и ГОСТ Р 51321.1-2007, определяющих требования к РЭКС НКУ.
Для обеспечения пожарной безопасности электроустановок в целом целесообразно, до внесения изменений в ГОСТ 10434-82, применять тарельчатые пружины при сборке всех РЭКС.
Рекомендации по выбору тарельчатых пружин
ГОСТ 3057-90 дает исчерпывающую информацию о:
- материале, из которого должны изготавливаться тарельчатые пружины;
- допустимой рабочей температуре и их параметрах;
- критериях оценки работоспособности пружин;
- способах их испытания;
- методике расчета силовых характеристик.
Эти данные позволяют после проведения сравнительного анализа сделать правильный выбор пружины из всей гаммы тарельчатых пружин, представленных в настоящее время на российском рынке.
Начнем с тех требований, которые устанавливает ГОСТ 3057-90 к изделиям такого рода.
1. Настоящий стандарт распространяется на тарельчатые пружины из рессорно-пружинной стали, работающие при температуре от –60 до +120 °C. Отсюда можно сделать вывод, что тарельчатые пружины должны изготавливаться из рессорно-пружинной стали.
В п. 2.2.1 ГОСТ 3057-90 дана информация о марке стали, что позволяет в дальнейшем провести сравнительный анализ материалов, из которых изготовлены представленные на рис. 4 образцы тарельчатых пружин. Пружины изготавливают из листового, полосового проката или пружинной ленты по ГОСТ 2283, ГОСТ 7419.0, ГОСТ 7419.2, ГОСТ 7419.4 или другой нормативно-технической документации из стали марки 60С2А по ГОСТ 14959. По согласованию между потребителем и изготовителем допускается изготовление пружин из сталей марок 60С2, 51ХФА, 60С2ХА, 60С2Н2А, 65С2ВА, 70С2ХА по ГОСТ 14959.
2. Твердость материала готовых пружин должна соответствовать 46–52 HRC3 по ГОСТ 8.064 или 420–512 НВ по ГОСТ 9012.
3. Приведем пример обозначения тарельчатой пружины: пружина тарельчатая I-1-2-50×20×1,8×1,4–100 °С Хим. Окс. Прм. ГОСТ 3057-90. Из примера видно, что рабочая температура может быть 100 °С. Учитывая рекомендации ГОСТ
10434-82, который определяет рабочую температуру медных шин (95 °С), делаем вывод, что тарельчатая пружина должна быть рассчитана именно на такую температуру или выше.
4. Параметр шероховатости механически обработанных поверхностей измеряется в микронах и определяется по ГОСТ 2789. На поверхности пружин допускаются мелкие забоины, отдельные риски, царапины, следы от инструмента, если их глубина не превышает половины поля допуска на толщину, считая от фактического размера. Указанные дефекты не должны выходить на кромки. Острые кромки пружин должны быть притуплены. Кромки следует притуплять до заневоливания.
5. Далее определим критерий отказа пружины по ГОСТ 3057-90: «Критерий отказа пружины - разрушение. Критерий предельного состояния - возникновение остаточной деформации более 10 %».
6. Способы испытания: «Пружины с защитными металлическими покрытиями (никель, цинк, хром, кадмий и др.) подвергают прогреву при температуре 180–240 °C в течение 1 ч, а также за неволиванию не менее чем на 24 ч, независимо
от того, подвергались они заневоливанию до покрытия или нет. Испытание заневоливанием заключается в выдерживании пружины, сжатой до максимальной деформации в течение времени, указанного в п.2.4.4 или в технической документации на пружину».
7. И наконец, какая информация должна поступать от поставщика пружин, чтобы мы были твердо уверены в правильности нашего выбора: «В тару должен быть вложен сопроводительный документ с указанием наименования или товарного знака предприятия-изготовителя и его адреса; условного обозначения пружин или номера чертежа пакета; марки стали; номера партии и количества пружин в партии; штампа технического контроля; даты консервации».
Крепежные элементы РЭКС
Болты
В качестве крепежных элементов РЭКС используются болты и гайки с метрической резьбой и крупным шагом. Класс прочности согласно ГОСТ 10434-82 должен быть для гаек не ниже 5. Эта цифра (для гаек с номинальной высотой, равной или более 0,8d) обозначает наибольший класс прочности болтов, с которыми они могут сопрягаться в соединении.
Необходимость обязательного выполнения этих требований обусловлено следующим. Разрушение резьбового соединения при перезатяжке может произойти либо вследствие разрыва стержня болта, либо из-за срыва резьбы гайки и (или) болта. Разрушение стержня болта происходит внезапно и легко может быть обнаружено. Срыв резьбы гайки происходит постепенно, его труднее обнаружить, поэтому имеется опасность наличия в соединениях частично разрушенных крепежных изделий. Представляется целесообразным конструировать резьбовые соединения таким образом, чтобы возможное разрушение всегда имело место по стержню болта. Однако, чтобы гарантировать такой вид разрушения во всех случаях, потребуется непомерно большая высота гайки из-за наличия многих переменных факторов, влияющих на стойкость резьбы к срыву.
Болт или винт, свинченный с гайкой соответствующего класса прочности, должны обеспечивать соединение, которое может быть затянуто до значения
пробной нагрузки болта без появления срыва резьбы. Как правило, гайки высших классов прочности могут заменить гайки низших классов прочности. Такая замена рекомендуется для соединения болт-гайка, напряжение в котором будет выше предела текучести или напряжения от пробной нагрузки болта.
При использовании тарельчатых пружин, изготовленных по DIN 6796, немецкий стандарт рекомендует применять крепежные элементы класса прочности не менее 8.8. Это связано с тем, что при меньших классах прочности на поверхности гаек, при их взаимодействии с пружиной, возможно образование выемок, которые приведут к снижению ее пружинных качеств.
Гайки
Сведения о классе прочности наносятся на гайку производителем согласно требованиям ГОСТ 1759.0-87. Требования по маркировке этого российского стандарта практически полностью совпадают с требованиями международного стандарта ISO 898-2 и немецкого стандарта DIN EN 20 898 Teil 2.
Сведения о классе прочности наносятся на гайку производителем согласно требованиям ГОСТ 1759.0-87. Требования по маркировке этого российского стандарта практически полностью совпадают с требованиями международного стандарта ISO 898-2 и немецкого стандарта DIN EN 20 898 Teil 2.
Маркировке подлежат шестигранные гайки с диаметром резьбы d ≥ 6 мм.
