Fallades del bloc de terminals amb alta humitat: estratègies de prevenció per a instal·lacions en climes tropicals
TL;DR — Si només tens 60 segons
- Les instal·lacions elèctriques costaneres tropicals experimenten taxes de fallada dels blocs de terminals del 15-25% en 18 mesos, en comparació amb menys del 2% en climes temperats, perquè la condensació d'humitat a una humitat relativa superior al 80% accelera la corrosió galvànica en els punts de contacte entre el cable i la molla, augmentant la resistència de contacte fins que la generació de calor provoca la interrupció del circuit. Els blocs de terminals segellats amb classificació IP67 amb botes de segellat de silicona són obligatoris per a les instal·lacions exteriors tropicals.
- Els dissenys de terminals de brida de molla creen canals d'humitat capil·lar al punt d'entrada del cable; especifico terminals de brida de cargol amb connexions de compressió segellades per a aplicacions exteriors tropicals on l'entrada d'humitat és el principal mecanisme de fallada.
- L'entrada de cable segellada mitjançant botes de segellat de silicona o tubs adhesius termoretractables al punt d'entrada de cables del bloc de terminals elimina la via d'entrada d'humitat principal que causa la corrosió per contacte entre cable i terminal.
El que vaig aprendre sobre les fallades elèctriques tropicals després de vint anys de subministrament de blocs de terminals
Quan vaig començar a subministrar components de connexió elèctrica a contractistes elèctrics del sud-est asiàtic el 2006, la queixa recurrent que sentia amb més freqüència era sobre les fallades dels blocs de terminals en instal·lacions costaneres tropicals. Els contractistes elèctrics completaven una nova instal·lació, el sistema funcionava correctament durant els primers mesos i, a continuació, els circuits individuals començaven a fallar, inicialment de manera intermitent i després progressivament amb més freqüència fins que el circuit fallava completament. Com que les fallades es distribuïen en diversos circuits d'una sola instal·lació en lloc de concentrar-se en una sola ubicació, el patró apuntava a un factor ambiental en lloc d'un problema de mà d'obra d'instal·lació. Quan vaig examinar els blocs de terminals fallats retornats d'instal·lacions costaneres tropicals, el mecanisme de fallada era inconfusible: corrosió galvànica a la interfície entre el cable i el contacte, causada per la penetració d'humitat a la carcassa del bloc de terminals.
Com que els ambients costaners tropicals tenen nivells d'humitat relativa ambiental que superen habitualment el 80%, i com que el cicle de temperatura diari a les zones costaneres tropicals fa que es formi condensació a les superfícies fredes durant les primeres hores del matí abans que el sol escalfi l'aire, els armaris elèctrics i el seu contingut, inclosos els blocs de terminals, experimenten un cicle d'exposició diària a la humitat. Com que la carcassa del bloc de terminals, fins i tot quan està classificada per a un cert grau de protecció, permet que entrin petites quantitats de vapor d'humitat amb el temps a través dels efectes de difusió i respiració causats pels cicles de temperatura, la humitat acumulada a l'interior del bloc de terminals crea les condicions per a la corrosió galvànica als punts de contacte elèctric.
Com que ara he donat suport a l'especificació de blocs de terminals per a més de 60 projectes d'instal·lació elèctrica en climes tropicals al sud-est asiàtic, l'Orient Mitjà i l'Amèrica Llatina, el mecanisme de fallada del bloc de terminals induït per la humitat és la causa principal més comuna que trobo, i la solució més habitual. Com que l'especificació correcta (blocs de terminals segellats IP67 amb segellat de cables adequat) i la pràctica d'instal·lació correcta (entrada de cable segellada, drenatge adequat de la carcassa) eliminen juntes el mecanisme d'entrada d'humitat, el problema de l'especificació d'instal·lació tropical és solucionable, però només si l'especificació i la pràctica d'instal·lació aborden la causa principal en lloc de simplement tractar el símptoma substituint els blocs de terminals fallats per unitats idèntiques no segellades.
L'electroquímica de la corrosió del bloc de terminals induïda per la humitat
La corrosió galvànica que causa fallades en els blocs de terminals en ambients tropicals és impulsada per la interacció electroquímica entre metalls diferents en presència d'un electròlit; en aquest cas, la fina pel·lícula d'aigua que es condensa a les superfícies internes de la carcassa del bloc de terminals. Com que el punt de contacte del bloc de terminals consisteix en un conductor de filferro de llautó o coure i un mecanisme de molla o cargol d'acer, els dos metalls diferents en presència d'humitat creen una cel·la de corrosió galvànica que fa que el metall més reactiu (normalment acer galvanitzat) es corroeixi preferentment a la interfície de contacte.
El producte de corrosió que es forma a la interfície entre el cable i el contacte és típicament òxid de zinc o hidròxid de zinc per als contactes d'acer galvanitzat, i òxid de coure o clorur de coure per als conductors de cable de coure. Com que aquests productes de corrosió són mals conductors elèctrics i no són conductors, la seva acumulació a la interfície de contacte augmenta progressivament la resistència de contacte. Com que l'augment de la resistència de contacte genera calor segons la relació Potència = Corrent² × Resistència, l'escalfament al punt de contacte accelera la velocitat de corrosió alhora que degrada el conductor i el mecanisme de molla o cargol del terminal.
El llindar crític de resistència de contacte per a la fugida tèrmica (on la calor generada al punt de contacte supera la capacitat de dissipació de calor del bloc de terminals) sol estar en el rang de 100-500 miliohms als nivells de corrent habituals en els circuits elèctrics d'edificis (10-32 amperes). Com que he mesurat resistències de contacte de 50-200 miliohms en blocs de terminals que han estat en servei durant 12-18 mesos en entorns costaners tropicals, l'augment progressiu de la resistència de contacte a causa de la corrosió significa que els blocs de terminals en aquests entorns sempre s'acosten al llindar de fugida tèrmica, i qualsevol factor addicional que augmenti lleugerament el corrent de càrrega o redueixi lleugerament la dissipació de calor (com ara els augments de la temperatura ambient durant la calor) pot desencadenar un esdeveniment de fallada tèrmica.
Especificació de la classificació de protecció contra l'entrada (IP) per a blocs de terminals tropicals
El sistema de classificació de protecció contra la penetració (IP), definit a la norma IEC 60529, especifica el grau de protecció que proporcionen els recintes elèctrics contra la intrusió d'objectes sòlids i la humitat. Com que la classificació IP determina la resistència del bloc de terminals a l'entrada d'humitat en condicions de prova específiques, la selecció d'una classificació IP adequada per a entorns tropicals requereix que la classificació s'adapti a les condicions d'instal·lació específiques en lloc d'aplicar una especificació tropical genèrica.
Per a instal·lacions elèctriques tropicals a l'aire lliure on els blocs de terminals estan directament exposats a la pluja, la humitat del vent i la immersió temporal en aigua (com ara en rases de conductes que s'inunden durant les pluges fortes), especifico blocs de terminals amb una classificació mínima IP67. Com que l'IP67 especifica protecció contra l'entrada de pols (estanqueïtat a la pols) i protecció contra els efectes de la immersió temporal en aigua (fins a 1 metre d'aigua durant 30 minuts), aquesta classificació cobreix les condicions extremes d'exposició a la humitat que es produeixen en instal·lacions tropicals a l'aire lliure. Com que els blocs de terminals amb classificació IP67 utilitzen juntes de segellat de silicona i dissenys de carcassa segellada per aconseguir la classificació, costen aproximadament de 2 a 3 vegades més que els blocs de terminals IP20 estàndard, però el cost addicional es justifica per l'eliminació de les fallades de corrosió induïdes per la humitat.
Per a instal·lacions elèctriques tropicals cobertes però no tancades, com ara recintes exteriors que proporcionen ombra i protecció contra la pluja però que no estan segellats contra la humitat o la condensació impulsades pel vent, especifico una classificació mínima IP65. Com que IP65 especifica protecció hermètica a la pols i protecció contra l'aigua polvoritzada des de qualsevol direcció, cobreix l'exposició a la humitat de la pluja i la condensació impulsades pel vent que es produeix en instal·lacions cobertes però no tancades. Com que la classificació IP65 es pot aconseguir amb dissenys de segellat menys costosos que IP67, l'especificació IP65 és més rendible per a instal·lacions on la immersió temporal no és un escenari d'exposició realista.
Disseny de terminals de brida de ressort vs brida de cargol per a entorns tropicals
El disseny del bloc de terminals de molla, que utilitza un mecanisme de molla per mantenir la pressió de contacte sobre el cable inserit, s'ha convertit en el disseny de bloc de terminals dominant en les instal·lacions elèctriques modernes a causa de la seva velocitat de connexió (no cal ajustar amb un tornavís) i la seva retenció de cables sense manteniment. Tanmateix, per a instal·lacions tropicals a l'aire lliure on l'entrada d'humitat és el principal mecanisme de fallada, el disseny de la brida de molla té una debilitat fonamental: el mecanisme de molla crea un espai al punt d'entrada del cable que permet que la humitat entri al cos del terminal mitjançant l'acció capil·lar al llarg del conductor del cable.
El canal d'humitat capil·lar en els terminals de molla es produeix perquè l'aïllament del cable que entra al bloc de terminals no està segellat mecànicament en el punt on surt de la carcassa. Com que el mecanisme de molla requereix un espai per permetre que el cable s'insereixi i es retingui, i com que la força de la molla manté el cable en contacte amb l'espai d'entrada, la humitat que arriba a la superfície exterior del cable pot ser atreta a la carcassa del terminal per acció capil·lar al llarg de la interfície entre l'aïllament del cable i el mecanisme de molla. Com que aquesta via d'entrada d'humitat és inherent al disseny de la molla de la molla i no es pot eliminar completament sense comprometre la funció de la molla, no recomano els terminals de molla de la molla per a instal·lacions exteriors tropicals on l'entrada d'humitat és el principal repte ambiental.
El disseny del terminal de brida de cargol, que utilitza un cargol per aplicar pressió de subjecció directament al conductor del cable, proporciona una configuració de segellat d'humitat superior al punt d'entrada del cable quan s'apreta correctament. Com que la brida de cargol aplica pressió directament al conductor del cable (després de pelar l'aïllament) i com que la connexió de compressió entre el cable i el cap del cargol crea una unió hermètica quan s'apreta correctament, la connexió de brida de cargol no crea un canal capil·lar al punt d'entrada del cable. Com que el terminal de brida de cargol també permet la verificació visual de la profunditat d'inserció del cable i la qualitat de la connexió, proporciona una garantia de qualitat de la instal·lació addicional que és valuosa en entorns tropicals on l'accés per al manteniment és difícil.
Especificació de segellat de cables per a instal·lacions de blocs de terminals tropicals a l'aire lliure
L'especificació de segellat de cables és la pràctica d'instal·lació crítica que determina si el bloc de terminals amb classificació IP aconsegueix la seva protecció contra la humitat nominal en entorns tropicals exteriors. Com que el cable que entra al bloc de terminals proporciona una via d'entrada d'humitat si el segellat del cable és imperfecte, sobretot en la transició des de la funda exterior del cable (que normalment està intacta i impermeable a la humitat) fins al conductor pelat dins del terminal, el punt d'entrada del cable s'ha de segellar mitjançant mètodes que eliminin la via capil·lar d'humitat en aquesta transició.
El mètode de segellat de silicona amb funda és la tècnica de segellat de cables més fiable per a instal·lacions de blocs de terminals tropicals a l'aire lliure. Com que la funda de silicona proporciona una coberta flexible i segellada amb adhesiu sobre la transició entre la funda del cable i la carcassa del bloc de terminals, omple qualsevol buit al punt d'entrada i manté el seu rendiment de segellat durant els cicles de temperatura i les condicions d'exposició als raigs UV que es troben en entorns exteriors tropicals. Com que la silicona manté la seva flexibilitat i adherència en un rang de temperatura de -60 °C a +200 °C, no s'endureix ni s'esquerda durant els cicles de temperatura que es produeixen en entorns exteriors tropicals.
El mètode de tub termorretràctil amb recobriment interior adhesiu proporciona una tècnica de segellat alternativa que és especialment adequada per a blocs de terminals amb entrades de cable circulars. Com que el tub termorretràctil es contrau fermament al voltant del cable i el revestiment adhesiu flueix per omplir qualsevol buit a la interfície cable-carcassa, crea una transició segellada a la humitat que és mecànicament robusta i elèctricament aïllant. Com que el mètode de termorretràctil requereix una font de calor (pistola d'aire calent o bufador) durant la instal·lació i no és tan fàcilment inspeccionable com el mètode de la funda de silicona, prefereixo el mètode de la funda de silicona per a aplicacions exteriors tropicals on la verificació de la qualitat de la instal·lació és difícil.
Preguntes freqüents
Per què fallen prematurament els blocs de terminals estàndard en les instal·lacions elèctriques de climes tropicals?
Les instal·lacions costaneres tropicals experimenten taxes de fallada dels blocs de terminals del 15-25% en 18 mesos (enfront de
Quina especificació de classificació IP s'aplica als blocs de terminals per a instal·lacions elèctriques tropicals a l'aire lliure?
Les instal·lacions tropicals a l'aire lliure requereixen un mínim de IP67 (estanc a la pols, immersió temporal en aigua) i un mínim de IP65 (estanc a la pols, ruixat d'aigua des de qualsevol direcció) per a instal·lacions cobertes però no tancades. Les classificacions IP inferiors a IP65 permeten l'entrada d'humitat que provoca fallades per corrosió en un termini de 12 a 24 mesos.
Com afecta el disseny de la brida de ressort en comparació amb el del terminal de cargol a la resistència a la humitat en ambients tropicals?
Els terminals de brida de molla creen canals d'humitat capil·lar al punt d'entrada del cable que no es poden eliminar completament. Els terminals de brida de cargol amb connexions de compressió segellades eliminen aquesta via. Especifiqueu terminals de brida de cargol per a aplicacions exteriors tropicals on l'entrada d'humitat és el principal mecanisme de fallada.
Quines especificacions de preparació i segellat de cables s'apliquen al cablejat de blocs de terminals tropicals per a exteriors?
L'entrada de cable segellada amb botes de segellat de silicona o tubs adhesius termoretractables al punt d'entrada del cable del bloc de terminals elimina la via capil·lar d'humitat. La transició de la funda del cable segellada al conductor pelat dins del terminal és el principal punt d'entrada d'humitat si el segellat és imperfecte.
Com dóna suport Ningbo J-Guang Electronics a l'especificació del bloc de terminals d'instal·lació tropical?
J-Guang subministra blocs de terminals de carril DIN amb classificació IP65-IP67 i compatibilitat amb segellat de silicona per a instal·lacions elèctriques tropicals a l'aire lliure i costaneres. Es disposa de consultes específiques per a l'aplicació per a la selecció de blocs de terminals, mètodes de segellat de cables i pràctiques d'instal·lació per a sistemes elèctrics d'entorns tropicals.
Enllaços interns: Bloc de terminals de cable d'inserció en carril DIN J-Guang PCT-211 | Catàleg de productes electrònics J-Guang
Enllaços externs: IEC | ISO | NO | UL | AIE | EPRI
Sobre l'autor
Ningbo J-Guang Electronics Co., Ltd. és un fabricant professional de components de connexió elèctrica, incloent-hi blocs de terminals de carril DIN, terminals PCB i connectors elèctrics per a instal·lacions elèctriques industrials i comercials. Amb una àmplia experiència en el subministrament de components elèctrics a instal·lacions de clima tropical al sud-est asiàtic, l'Orient Mitjà i l'Amèrica Llatina, J-Guang Electronics dóna suport als contractistes elèctrics i als compradors industrials amb la selecció de blocs de terminals específics per a aplicacions en entorns elèctrics exteriors i d'alta humitat.