Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 11/2016 vyšlo tiskem
7. 11. 2016. V elektronické verzi na webu od 1. 12. 2016. 

Téma: Rozváděče a rozváděčová technika; Točivé stroje a výkonová elektronika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu

Aktuality

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Češi v domácnostech více svítí a experimentují se světlem, doma mají přes 48 milionů svítidel Češi začali v domácnostech více svítit a snaží se vytvořit lepší světelné podmínky:…

Více aktualit

Vývoj technologie svorek nn propichujících izolaci

číslo 11/2002

Inovace, technologie, komponenty

Vývoj technologie svorek nn propichujících izolaci

Gilles Porcheray,
Tyco Electronics, Energy Division, Simel

V ELEKTRO č. 8-9/2002 (str. 58) byly uvedeny souhrnné úvodní informace o technologii svorek nn propichujících izolaci. Následující příspěvek podrobně pojednává o vývoji těchto svorek, o jejich přednostech, vlastnostech a použití.

1. Úvod

Obr. 15.

První izolované svazkové žíly pro venkovní vedení s pryžovou izolací (neopren) a měděným jádrem se objevily v 50. letech minulého století. Spojovací prvky se používaly neizolované a jednalo se především o šroubovací svorky. Velmi brzy rozvodné podniky zjistily, že izolované svazkové žíly pro venkovní vedení jsou bezpečné pro provozní pracovníky i pro zákazníky, přestože izolační materiál nebyl dostatečně odolný vůči klimatickým podmínkám (zhoršování kvality neoprenu) a brzy se objevily první poruchy zaviněné nízkou kvalitou izolace. V 60. letech minulého století přešla firma EdF (Electricité de France) k používání izolovaných svazkových žil pro vedení nn s izolací z PVC a s hliníkovými jádry. Pro spojení hliníkových jader se používaly lisované spojovače s teplem smrštitelnou izolační trubicí. Touto změnou se zdály být vyřešeny problémy týkající se izolace, ale začaly se objevovat poruchy způsobené oxidací kontaktních ploch a používáním nože při odstraňování izolace žil. Při těchto montážních operacích bývaly poškozeny jednotlivé dráty jádra, vyvolávající proces zmenšování průřezu jádra, který byl urychlován vibracemi svazkového vedení. Ukázalo se také, že izolace z PVC není dostatečně odolná proti změnám teplot a tahovému zatížení na nosné střední žíle, kde se začaly objevovat trhliny.

Společnost EdF se ve spolupráci s francouzským výrobcem svorek Aluminium Pechiney zaměřila na tři hlavní problémy izolovaných svazkových kabelů s cílem zmíněné nedostatky odstranit. Tématem dalších výzkumů se stalo:

  1. vyhledání odolnějšího izolačního materiálu,
  2. zlepšení spolehlivosti a kvality spoje,
  3. možnost připojení odběratele pod napětím při dosažení maximální bezpečnosti práce.

2. Základní konstrukce

Obr. 1.

Již v roce 1977 byl pro izolaci jader vybrán zesítěný polyetylen, který se stal do současnosti nejpoužívanějším izolačním materiálem pro nadzemní svazkové žíly vedení nn, neboť vyniká svými mechanickými vlastnostmi a odolností vůči působení prostředí.

Dva roky byly v EdF zkoumány technologie propichování izolace, jejichž cílem bylo zamezit nutnosti odstraňování izolace před montáží svorky na jádro. V rámci tohoto výzkumu měřili pracovníci EdF spolu s dodavatelem svorek každé dva až tři měsíce přechodový odpor svorek namontovaných na svazkových žilách kabelů pro venkovní vedení. Tento výzkum vedl ke zrodu technologie propichování izolace, která se současně objevila ve více evropských zemích (Francie, Německo).

Uvedená technologie přidala k již zmíněným kladům i vyšší bezpečnost práce při připojování odběratele pod napětím a zjednodušila a zrychlila tento proces.

3. Následná stadia technologie

Technologie propichování izolace prošla třemi vývojovými stadii.

Stadium 1
V 70. letech minulého století měly svorky dva oddělené šrouby, jeden pro hlavní vedení a jeden pro odbočku. Izolace byla propichována pouze na hlavním vedení a jádra přípojkového vedení bylo nutné odizolovat. Šrouby byly v přímém elektrickém kontaktu s jádrem a izolací tohoto typu svorky byl pevný izolační kryt, neboť v té době nebyla vyžadována odolnost proti proniknutí vody do spoje. Kontaktní nože byly vyrobeny z hliníkové slitiny.

Obr. 2.

Nevýhody:

  • možnost poruchy spoje na straně přípojky, neboť při odstraňováni izolace, zvláště u malých průřezů jader, docházelo k jejich poškozování,
  • nebezpečí úrazu elektrickým proudem, neboť šrouby na svorce byly v přímém kontaktu s potenciálem vedení,
  • elektrochemická koroze při styku hliníkového těla svorky a měděného přípojkového vodiče,
  • příliš velký utahovací moment mohl poškodit vodiče,
  • příliš malý utahovací moment mohl vést k nedokonalému proniknutí nožů izolací,
  • možnost poškození pevného izolačního krytu v období mrazů.

Stadium 2
V 80. letech minulého století byly svorky rozděleny na svorky s nezávislým utahováním na straně hlavního a odbočkového vedení a na svorky, u kterých byla izolace současně propichována na straně hlavního i odbočného vedení.

Nezávislé utahování
Svorka měla dva šrouby, jeden pro žílu hlavního vedení, druhý pro žílu odbočného vedení. Izolace byla propichována na straně hlavního i na straně odbočného vedení. Šrouby byly v přímém elektrickém kontaktu s potenciálem jádra a měly trhací hlavu, která zajišťovala správný utahovací moment svorky. Izolace spojovaného místa byla obnovována pomocí pružného krytu vyplněného vazelínou, protože v té době nebyla vyžadována dlouhodobá odolnost proti pronikání vlhkosti do spoje. Kontaktní nože byly vyrobeny ze slitiny hliníku.

Nevýhody:

  • nebezpečí úrazu elektrickým proudem, neboť šrouby svorky byly spojeny s potenciálem vodiče,
  • problémy s korozí kontaktních ploch vlivem úniku vazelíny z krytu a pronikání vlhkosti.
Obr. 3.

Současné utahování
Svorka byla opatřena jedním šroubem a izolace byla současně propichována na straně hlavní i odbočné žíly vedení. Šroub nebyl v přímém elektrickém kontaktu s potenciálem vodičů. Izolace byla součástí svorky a v tomto vývojovém stupni nebyla vyžadována odolnost proti pronikání vlhkosti do vodiče. Kontakt byl vytvořen pomocí nožů propichujících izolaci, které byly vyrobeny ze slitiny hliníku, pocínované mosazi nebo z mědi.

Nevýhody:
  • nebezpečí přestřihnutí vodičů, neboť nebylo možné kontrolovat velikost utahovacího momentu,
  • nebezpečí úrazu elektrickým proudem při dotyku kovových částí spojených s potenciálem vodičů,
  • nebezpečí elektrochemické koroze kontaktních ploch v případě spojování hliníku a mědi.

Staduim 3
Toto stadium vývoje spadá do 90. let minulého století.

Nezávislé utahování
Svorka měla dva šrouby, jeden pro připojení na hlavní vedení a jeden na odbočné vedení. Izolace byla propichována na hlavním i odbočném vedení nebo pouze na hlavním vedení. Obr. 4. Šrouby byly izolovány a vybaveny trhací hlavou. Svorka byla plně izolována a odolná proti pronikání vlhkosti. Kontaktní nože byly vyrobeny z hliníkové slitiny, mosazi nebo mědi, popř. byly pocínované.

Současné utahování
Svorka je opatřena šroubem pro současné utahování a propichování izolace na hlavním i odbočkovém vedení. Šroub je plně izolován od potenciálu vodičů a vybaven trhací hlavou. Svorka je plně izolována a odolná proti pronikání vlhkosti, neboť využívá těsnění a zuby kontaktních nožů jsou vyplněny vazelínou. Kontaktní nože jsou vyrobeny z hliníkové slitiny, mosazi nebo mědi, bez povrchové úpravy nebo cínované.

Tato nová generace svorek pokrývá hlavní požadavky zákazníka a splňuje vysoké nároky na bezpečnost práce při pracích pod napětím. Nyní se vyvíjejí nové postupy připojování odběratele pod napětím a při větších velikostech proudu. Současná technologie propichování izolace nedovoluje rychlé přiblížení kontaktních nožů k jádru žíly v zájmu zabránění přeskokům při vyšších proudových zátěžích.

4. Funkční vývoj technologie propichování

Postupné vývojové kroky uvedené technologie lze rozdělit na:

  • konstrukci kontaktu,
  • volbu izolačního materiálu,
  • řízení utahovacího momentu pomocí trhacích hlav šroubů,
  • utěsnění spoje.
Obr. 5. A. Konstrukce kontaktu

Krok 1
Pyramidové kontaktní plochy vytvořené obráběním profilu z hliníkové slitiny (obr. 1).

Výhody:

  • zabránění pronikání vlhkosti do žíly,
  • snadné pronikání izolací jádra.

Nevýhody: drahý výrobní proces.

Kontaktní plochy vytvořené z taženého hliníkového profilu. Kontaktní profil má tvar nože (obr. 2).

Výhody: jednodušší výroba.

Nevýhody:

  • řeže izolaci jako nůž a dovoluje pronikání vlhkosti do žíly při montáži v chladném prostředí,
  • vzniká nebezpečí přestřižení jádra v případě, že není řízen utahovací moment,
  • je nutný vyšší utahovací moment pro proniknutí čelistí do izolace žil.

Krok 2

Kontaktní nože (slitina hliníku nebo pocínovaná měď – obr. 3).

Výhody:

  • snazší výroba,
  • jednoduchá montáž svorky vložením kontaktních nožů do dutin.
Obr. 6.

Nevýhody: nebezpečí elektrochemické koroze při styku hliníku a mědi bez použití utěsnění proti pronikání vlhkosti.

Krok 3
Kontaktní nože a těsnicí části (obr. 4). Kontaktní nože jsou použity tak, jak jsou vidět na obr. 4 nahoře, ale jsou vloženy do těsnicího profilu naplněného vazelínou.

B. Konstrukce izolace

Krok 1
V 70. letech minulého století byla používána izolace z tuhého plastu, která zajišťovala elektrickou ochranu pracovníků proti přímému dotyku (obr. 5).

Výhody: jednoduchá montáž. Obr. 7.

Nevýhody:

  • omezená možnost utěsnění proti proniknutí vlhkosti,
  • v mrazivých obdobích lze snadno poškodit,
  • omezený rozsah průřezů hlavního a odbočného vodiče,
  • izolace není pevně spojena se svorkou.

Krok 2

Nezávislé utahování
Izolační kryt byl pružný a umožňoval lepší zakrytí vodičů i svorky díky stlačení vyvolanému plastovými upevňovacími prvky (obr. 6).

Výhody:

  • jednoduchá montáž,
  • větší rozsah průřezů hlavního i odbočného vodiče.

Nevýhody:

  • neplní funkci utěsnění proti vlhkosti (mimo případy, kdy je kryt vyplněn vazelínou),
  • izolace není pevnou součástí spojení.

Současné utahování
Izolace je nedílnou součástí svorky (obr. 7).

Výhody:

  • konstrukce svorky z jednoho dílu,
  • snazší použití svorky ve svazkovém vedení.
Obr. 8.

Nevýhody:

  • není použito žádné zvláštní utěsnění proti pronikání vlhkosti,
  • nebezpečí elektrochemické koroze,
  • hliníkové nože jsou nutné pro spojování hliníkových jader a měděné propichovací nože pro měděná jádra.

Krok 3
Pevný izolační materiál těla svorky s integrovaným pryžovým utěsněním vyplněným vazelínou (obr. 8).

Výhody:

  • všechny funkce jsou integrovány ve svorce,
  • větší rozsah použití díky pružným těsnicím profilům,
  • vodotěsnost.

C. Konstrukce šroubu

Krok 1
Šrouby jsou vyrobeny z povrchově upravené oceli nebo hliníkové slitiny s hlavou pro imbusový klíč č. 5.

Nevýhody:

  • není řízen utahovací moment,
  • omezená utahovací síla, neboť je použit šroub s hlavou pro imbusový klíč č. 5,
  • konstrukce je navržena pro užší rozsah vodičů a výroba je drahá,
  • šroub je v kontaktu s potenciálem vodičů.
Obr. 9.

Krok 2
Šroub je vyroben z povrchově chráněné oceli nebo z hliníkové slitiny s šestihrannou hlavou pro klíč č. 10 nebo 13 s možností použít trhací hlavu šroubu.

Výhody: řízení utahovacího momentu.

Nevýhody:

  • menší rozsah průřezu svorky a drahá výroba,
  • šroub je v přímém kontaktu s potenciálem jader.

Krok 3
Standardní hlava šroubu pro klíč č. 8 nebo 10 a povrchová úprava žárovým zinkováním, elektrochemickým zinkováním (dakrometizace) nebo z korozivzdorné oceli. Možnost dodávky s plastovou nebo kovovou trhací hlavou.

Výhody:

  • klasický šestihranný šroub,
  • spolehlivé řízení utahovacího momentu pomocí kovové trhací hlavy,
  • bezpečnost při práci pod napětím, neboť šroub je spolehlivě izolován od potenciálu vodičů.

Nevýhody:

  • citlivé na kvalitu žárového zinkování, neboť to může způsobit potíže při utahování,
  • ne zcela spolehlivé řízení utahovacího momentu pomocí plastové trhací hlavy, vlivem problémů při odlévání a působením vnějších podmínek.
Obr. 10.

5. Novinky v technologii

Současná konstrukce svorek zajišťuje spolehlivější, bezpečnější a jednodušší řešení pro pracovníky montáží a zákazníky. Technologie propichování izolace byla vždy předmětem zkoumání, zda přenosové schopnosti jsou dostačující a jak může tak malá kontaktní plocha zajistit odpovídající malý přechodový odpor v dlouhodobém časovém měřítku.

Vlastnosti kontaktů propichovacích svorek se zlepšily díky dlouhodobým zkušenostem a zavedením zkoušek velmi náročným tepelným cyklováním. Hlavním měřítkem kvality propichovací svorky je dlouhodobá spolehlivost spoje během životnosti svorky.

A. Kontaktní plocha
V počátcích vývoje technologie propichování izolace konstruktéři extrapolovali údaje podle svých zkušeností se spojováním holých vodičů při použití svorek s paralelní drážkou. Využití stejných rozměrů kontaktních ploch při použití svorek propichujících izolaci vedlo k užití velkých svorek a následně velkého utahovacího momentu, který měl zajistit proniknutí izolací. Tento velký utahovací moment bylo a je obtížné vyvinout při pracích v reálném prostředí. Hlavním rozdílem mezi svorkou s paralelním drážkou (dále jen SPD) a svorkou propichující izolaci (dále jen IPS) je ten, že svorka s paralelní drážkou není chráněna proti korozi před montáží. To nutí konstruktéra používat velkou kontaktní plochu a velký tlak zajišťující malý přechodový odpor. Obr. 11. Jednou z výhod popisované technologie je to, že povrch hliníkového vodiče i svorky není před montáží zoxidovaný. Spojovaná kontaktní plocha vodiče a svorky nemusí být před montáží čištěna. Je tomu tak proto, že je používána velká přítlačná síla a velmi vhodné rozdělení kontaktních bodů na jednotlivé dráty lanovaného vodiče. Tato technologie se jeví jako hlavní inovace ve schopnosti kontaktní plochy přenést velký měrný proud.

Rozložení kontaktních bodů
Rozložení kontaktních bodů je znázorněno na vodiči hlavního vedení (obr. 9):

  • obvodové rozložení kontaktních bodů,
  • podélné rozložení kontaktních bodů.

B. Kontaktní přítlak
Jedním z cílů této technologie je také řízení přítlačné síly na dráty vodiče, aniž by tyto byly poškozeny nebo uštípnuty a tím byla porušena mechanická odolnost vodiče.

Klíčovými faktory vedoucími ke splnění těchto požadavků je výběr šroubu, použitý utahovací moment a plocha kontaktu. Materiál šroubu a jeho povrchová úprava mohou vyžadovat různý utahovací moment ve stejné aplikaci. Vliv materiálu šroubu na utahovací moment je ukázán v  tab. 1.

Tab. 1. Vliv materiálu šroubu na utahovací moment

Povrchová úprava Odolnost vůči korozi Využití utahovací síly Rozptyl parametrů Cena Ohodnocení
Zinkování – dakrometizace 3 5 5 3 16/20
Elektrolyticky pozinkovaná ocel 2 3 2 4 11/20
Korozivzdorná ocel 5 2 2 1 10/20
Žárově zinkovaná ocel 4 1 1 3 9/20
Hodnocení: 1 – nedostatečné; 2 – dostatečné; 3 – dobré; 4 – velmi dobré; 5 – vynikající

V grafu (obr. 10) je znázorněn přechodový odpor svorky v závislosti na utahovacím momentu.

C. Uvolnění sevření
Konstruktéři při návrhu svorek berou v úvahu i uvolnění svorné síly a příslušným způsobem přizpůsobují utahovací moment. Experimentálně bylo ověřeno, že v období do dvaceti hodin po namontování svorky se podstatně zmenší kontaktní tlak. Obr. 13. Tento jev je v současné době v obecném povědomí a je s ním při konstrukci svorky počítáno jako s jedním z nejdůležitějších parametrů. Utahovací moment svorky, kterým je dosaženo propíchnutí izolace, optimální kontaktní plochy a zajištění zubů v jádru, je volen s ohledem na průřez jádra, materiál šroubu, plastové tělo svorky a kontaktní nože. Průběh uvolnění utahovacího momentu např. svorky navržené na průřez jádra 70 mm2 se šroubem vyrobeným z oceli 8 – 8 a galvanicky zinkovaným (dakrometizace), s tělem svorky vyrobené z polyamidu vyztuženého skleněným vláknem (50 %) a s měděnými propichovacími čelistmi je znázorněn v grafu na obr. 11. Cílem je udržení ploché křivky uvolnění po celou dobu života svorky. Tvar křivky znázorněné na obr. 11 byl potvrzen laboratorními měřeními po několika zatěžovacích cyklech, které zahrnovaly zkratové zkoušky podle požadavků mezinárodních norem (NF, ESI, VDE, ANSI, NEMA, IEC).

6. Zkušební požadavky

Zkouška tepelnými cykly
Zkouška tepelnými cykly byla vykonána pro potvrzení chování elektrických parametrů svorek. Úkolem zkoušek bylo podrobit svorky střídavě oteplovacím a ochlazovacím periodám. V průběhu každého cyklu byl měřen:

  • elektrický odpor při teplotě okolí,
  • teplota v ustáleném stavu.
Obr. 14.

Elektrický odpor a teplota mohou v průběhu zkoušky doložit stálost parametrů svorky. Požadavky na stabilitu parametrů jsou definovány v odpovídajících normách (ve Francii jsou zkoušky tepelnými cykly vykonávány ve shodě s normou NF C 33-004). V grafu na obr. 12 je znázorněn typický průběh změny odporu po 0 až 200 cyklech.

V grafu na obr. 13 jsou ukázány typické průběhy změn teploty v průběhu 0 až 200 cyklů.

Důraz rozvodných společností kladený na kvalitu a spolehlivost dodávky zákazníkům vyžaduje zvýšení spolehlivosti a kvality spoje. Toho je dosaženo zajištěním ochrany kontaktní plochy před korozí a průnikem vlhkosti. Většina rozvodných společností tedy volí vodotěsné spoje. Tento nový požadavek, který byl poprvé vznesen EdF, se stává základním prvkem při návrhu svorky. Úkolem bylo zajistit celistvost izolační a vodotěsné bariéry v místě spoje. K definování požadavků na takový spoj byla vypracována francouzská norma NF C 33-22. Kombinovanou zkouškou bylo stanoveno prověření celistvosti izolační vrstvy a vodotěsnosti spoje. Tato zkouška je známa jako zkouška 6 kV ve vodě a postupuje se při ní tímto způsobem:

  • montáž svorek na určené vodiče,
  • ponoření této sestavy do vody (hloubka 30 cm po dobu 30 min),
  • přiložení napětí 6 kV mezi vodu a jádra,
  • nesmí nastat průraz.
Obr. 15.

EdF pro zajištění dlouhé doby života svorek navíc požaduje i zkoušku stárnutím ve venkovním prostředí po dobu šesti týdnů, kdy jsou svorky vystaveny působení vlhkosti, změn teploty, záření UV a vodního postřiku (obr. 14) Tato zkouška je definována ve francouzské národní normě NF C 20-540.

Po šestitýdenním cyklu je vykonána dielektrická zkouška podobná již dříve zmíněné zkoušce, ale zkušební napětí při ponoření pod vodní hladinu je sníženo na 1 kV a prověřuje vodotěsnost spoje. Zkouška napětím 6 kV je uskutečňována na jádrech ve svazku a prověřuje dielektrický odpor izolace.

7. Použití

A. Odbočení ze svazkových žil izolovaného nadzemního vedení nn nebo z izolovaných venkovních vedení vn
Tento typ spoje je nejčastější. Je vystaven působení venkovního prostředí a potížím vyskytujícím se při montáži. Při jeho realizaci je používána bezpečná technologie umožňující práce pod napětím do 1 kV.

B. Odbočení z podzemního kabelového vedení
Uvedená technologie je vhodná pro odbočení z hlavního kabelu na jiný o stejném nebo menším průřezu. V tomto případě je nutné použít svorky ve skořepině vyplněné zalévací hmotou či gelem. Svorky pro přímé uložení do země jsou předmětem současného vývoje (Evropa, Asie a Latinská Amerika se s touto technologií stále více seznamují).

8. Závěr

Nároky na dlouhodobé elektrické a mechanické vlastnosti svorek uvedené v tomto článku vyžadují nové postupy v konstrukci. Konstruktéři při návrhu svorky čelí třem hlavním problémům:

  • vyhledání těsnicího materiálu a navržení konstrukce těsnění, které bude těsnit v širokém rozsahu průměrů vodičů a bude odolávat UV záření i tlaku po celou dobu života svorky (déle než dvacet let),

  • nalezení termoplastického materiálu zpevněného skleněným vláknem, který bude schopen odolávat mechanickým silám v konstrukci svorky, aniž by na něj mělo vliv venkovní prostředí a tepelné cyklování,

  • určení minimálního a maximálního utahovacího momentu, který zajistí dostatečné proděravění izolace tak, aby vznikl vyhovující elektrický kontakt a byla zachována tahová odolnost vodičů při extrémních teplotách při montáži.

Všechny zmíněné požadavky jsou zcela jasně definovány ve francouzské normě NFC 33-020 a budou zahrnuty do evropské normy CENELEC v následujících dvou letech.

Literatura:

[1] CALLEN, B. W.: Load relaxation in insulation Piercing connectors. 1998.

[2] Electrical agening test of connectors used on overhead (OH) aerial bundled conductors (ABC). CIRED 97 Conference Publication no 438.

[3] TIMSIT, R. S.: High performance connectors in Power Distribution Systems.

Tyco Electronic Czech s. r. o.
Divize silnoproud
Limuzská 8
100 00 Praha 10
tel.: 272 011 103
fax: 272 700 811
e-mail: EN-CZ@tycoelectronics.com
http://www.tycoelectronics.com