Didelės drėgmės gnybtų blokų gedimai: prevencijos strategijos tropinio klimato įrenginiams

TL;DR — Jei turite tik 60 sekundžių

• Tropinių pakrančių elektros instaliacijose per 18 mėnesių sugenda 15–25 % gnybtų blokų, palyginti su mažiau nei 2 % vidutinio klimato sąlygomis, nes drėgmės kondensacija esant 80 % ir didesnei santykinei drėgmei pagreitina galvaninę koroziją laido ir spyruoklės kontaktiniuose taškuose, padidindama kontaktinę varžą, kol dėl šilumos susidarymo nutrūksta grandinė. Tropinių lauko instaliacijų atveju privalomi IP67 klasės sandarūs gnybtų blokai su silikoniniais sandarinimo antgaliais.
• Spyruoklinių spaustuvų gnybtų konstrukcijos sukuria kapiliarinius drėgmės kanalus laido įėjimo taške – tropinėms lauko sąlygoms, kur drėgmės patekimas yra pagrindinis gedimo mechanizmas, nurodau sraigtinius spaustuvų gnybtus su sandariomis suspaudimo jungtimis.
• Užsandarintas kabelio įvadas naudojant silikoninius sandarinimo antgalius arba susitraukiančius lipnius vamzdelius gnybtų bloko laido įėjimo taške pašalina pagrindinį drėgmės patekimo kelią, kuris sukelia laidų ir gnybtų kontaktinę koroziją.

Ką sužinojau apie tropinius elektros gedimus po dvidešimties metų gnybtų blokų tiekimo

Kai 2006 m. pradėjau tiekti elektros jungčių komponentus elektros rangovams Pietryčių Azijoje, dažniausiai girdėdavau skundą dėl gnybtų blokų gedimų tropinių pakrančių instaliacijose. Elektros rangovai atlikdavo naują instaliaciją, sistema pirmuosius kelis mėnesius funkcionuodavo tinkamai, o tada pradėdavo gesti atskiros grandinės – iš pradžių su pertrūkiais, o vėliau vis dažniau, kol grandinė visiškai sugesdavo. Kadangi gedimai buvo paskirstyti kelioms vienos instaliacijos grandinėms, o ne sutelkti vienoje vietoje, šis modelis rodė aplinkos veiksnį, o ne instaliacijos darbų problemą. Kai apžiūrėjau sugedusius gnybtų blokus, grąžintus iš tropinių pakrančių instaliacijų, gedimo mechanizmas buvo neabejotinas: galvaninė korozija laido ir kontakto sąsajoje, kurią sukėlė drėgmės prasiskverbimas į gnybtų bloko korpusą.

Kadangi atogrąžų pakrančių aplinkoje santykinis oro drėgnumas paprastai viršija 80 %, o dėl paros temperatūros ciklo pakrančių atogrąžų vietovėse ankstyvomis ryto valandomis, prieš saulei įšildant orą, ant vėsių paviršių susidaro kondensatas, elektros skydinės ir jų turinys, įskaitant gnybtų blokus, kasdien patiria drėgmės poveikio ciklą. Kadangi gnybtų bloko korpusas, net ir turintis tam tikrą apsaugos nuo drėgmės laipsnį, laikui bėgant praleidžia nedidelį kiekį drėgmės garų dėl difuzijos ir kvėpavimo efektų, kuriuos sukelia temperatūros cikliškumas, gnybtų bloko viduje susikaupusi drėgmė sukuria sąlygas galvaninei korozijai elektros kontaktų taškuose.

Kadangi jau esu palaikęs gnybtų blokų specifikacijas daugiau nei 60 tropinio klimato elektros instaliacijos projektų Pietryčių Azijoje, Artimuosiuose Rytuose ir Lotynų Amerikoje, drėgmės sukeltas gnybtų blokų gedimo mechanizmas yra dažniausia mano susidūrimo priežastis ir dažniausiai nurodomas sprendimas. Kadangi teisinga specifikacija (IP67 sandarūs gnybtų blokai su tinkamu laidų sandarinimu) ir teisinga montavimo praktika (sandarus kabelio įvadas, tinkamas korpuso drenažas) kartu pašalina drėgmės patekimo mechanizmą, tropinio montavimo specifikacijos problemą galima išspręsti, tačiau tik tuo atveju, jei specifikacija ir montavimo praktika sprendžia pagrindinę priežastį, o ne tik gydo simptomą, pakeisdami sugedusius gnybtų blokus identiškais nesandariais įrenginiais.

Drėgmės sukeltos gnybtų blokų korozijos elektrochemija

Galvaninė korozija, sukelianti gnybtų blokų gedimus tropinėje aplinkoje, atsiranda dėl elektrocheminės skirtingų metalų sąveikos, esant elektrolitui – šiuo atveju plonai vandens plėvelei, kuri kondensuojasi ant gnybtų bloko korpuso vidinių paviršių. Kadangi gnybtų bloko kontaktinis taškas susideda iš žalvario arba vario vielos laidininko ir plieninės spyruoklės arba sraigtinio mechanizmo, du skirtingi metalai, veikiami drėgmės, sukuria galvaninės korozijos elementą, dėl kurio reaktyvesnis metalas (paprastai cinkuotas plienas) pirmiausia koroduoja kontaktinėje sąsajoje.

Korozijos produktas, susidarantis laido ir kontakto sąsajoje, paprastai yra cinko oksidas arba cinko hidroksidas cinkuotiems plieniniams kontaktams ir vario oksidas arba vario chloridas variniams laidininkams. Kadangi šie korozijos produktai yra prasti elektros laidininkai ir nelaidūs, jų kaupimasis kontaktinėje sąsajoje palaipsniui didina kontaktinę varžą. Kadangi padidėjusi kontaktinė varža generuoja šilumą pagal galios = srovės² × varžos santykį, kaitinimas kontaktiniame taške pagreitina korozijos greitį ir tuo pačiu metu ardo laido laidininką ir gnybto spyruoklę arba sraigtinį mechanizmą.

Kritinė kontaktinės varžos riba, dėl kurios susidaro šiluminis išbėgimas, kai kontakto taške susidaranti šiluma viršija gnybtų bloko šilumos išsklaidymo pajėgumą, paprastai yra 100–500 miliomų diapazone, esant srovės lygiams, įprastiems pastatų elektros grandinėms (10–32 amperai). Kadangi gnybtų blokuose, kurie buvo naudojami 12–18 mėnesių tropinėje pakrančių aplinkoje, išmatavau 50–200 miliomų kontaktinę varžą, laipsniškas kontaktinės varžos didėjimas dėl korozijos reiškia, kad gnybtų blokai šiose aplinkose visada artėja prie šiluminio išbėgimo ribos, o bet koks papildomas veiksnys, kuris šiek tiek padidina apkrovos srovę arba šiek tiek sumažina šilumos išsklaidymą (pvz., aplinkos temperatūros padidėjimas karštu oru), gali sukelti šiluminį gedimą.

Tropinių gnybtų blokų apsaugos nuo patekimo (IP) klasės specifikacija

Apsaugos nuo įsiskverbimo (IP) klasifikavimo sistema, apibrėžta IEC 60529, nurodo elektros korpusų apsaugos nuo kietų objektų ir drėgmės laipsnį. Kadangi IP klasifikavimo klasė lemia gnybtų bloko atsparumą drėgmei konkrečiomis bandymo sąlygomis, norint pasirinkti tinkamą IP klasifikavimo klasę tropinei aplinkai, reikia ją suderinti su konkrečiomis įrengimo sąlygomis, o ne taikyti bendrinę tropinę specifikaciją.

Lauko tropinėms elektros instaliacijoms, kuriose gnybtų blokai yra tiesiogiai veikiami lietaus, vėjo nešamos drėgmės ir laikinai panardinti į vandenį (pvz., vamzdžių tranšėjose, kurios užliejamos smarkaus lietaus metu), nurodau gnybtų blokus, kurių minimali apsaugos klasė yra IP67. Kadangi IP67 nurodo apsaugą nuo dulkių patekimo (nepralaidumas dulkėms) ir apsaugą nuo laikino panardinimo į vandenį poveikio (iki 1 metro gylio vandenyje 30 minučių), ši apsaugos klasė apima ekstremalias drėgmės poveikio sąlygas, kurios pasitaiko lauko tropinėse instaliacijose. Kadangi IP67 apsaugos klasės gnybtų blokuose naudojami silikoniniai sandarinimo tarpikliai ir sandarūs korpuso dizainai, kad būtų pasiektas šis apsaugos lygis, jie kainuoja maždaug 2–3 kartus brangiau nei standartiniai IP20 gnybtų blokai, tačiau kainos priemoka pateisinama tuo, kad išvengiama drėgmės sukeltų korozijos pažeidimų.

Uždengtoms, bet neuždaromoms tropinėms elektros instaliacijoms, tokioms kaip lauko gaubtai, kurie suteikia pavėsį ir apsaugo nuo lietaus, bet nėra sandarūs nuo vėjo keliamos drėgmės ar kondensato, nurodau minimalų IP65 įvertinimą. Kadangi IP65 nurodo apsaugą nuo dulkių ir vandens purslų iš bet kurios krypties, jis apima drėgmės poveikį nuo vėjo nešamo lietaus ir kondensato, kuris atsiranda uždengtose, bet neuždarytose instaliacijose. Kadangi IP65 įvertinimas pasiekiamas pigesniais sandarinimo sprendimais nei IP67, IP65 specifikacija yra ekonomiškesnė instaliacijoms, kuriose laikinas panardinimas nėra realus poveikio scenarijus.

Spyruoklinių ir sraigtinių spaustuvų gnybtų konstrukcija tropinei aplinkai

Spyruoklinio spaustuko gnybtų bloko konstrukcija, kurioje naudojamas spyruoklinis mechanizmas kontaktiniam slėgiui ant įkišto laido palaikyti, tapo dominuojančia gnybtų bloko konstrukcija šiuolaikinėse elektros instaliacijose dėl greito prijungimo (nereikia reguliuoti atsuktuvu) ir nereikalaujančio priežiūros laidų išlaikymo. Tačiau tropinėse lauko instaliacijose, kur drėgmės patekimas yra pagrindinis gedimo mechanizmas, spyruoklinio spaustuko konstrukcija turi esminį trūkumą: spyruoklinis mechanizmas laido įėjimo taške sukuria tarpą, kuris leidžia drėgmei patekti į gnybto korpusą kapiliariniu būdu išilgai laido laidininko.

Kapiliarinis drėgmės kanalas spyruokliniuose gnybtuose atsiranda dėl to, kad laido izoliacija, įeinanti į gnybtų bloką, nėra mechaniškai užsandarinta toje vietoje, kur ji išeina iš korpuso. Kadangi spyruokliniam mechanizmui reikalingas tarpas, kad laidą būtų galima įdėti ir laikyti, o spyruoklinė jėga palaiko laidą kontakte su įėjimo tarpu, drėgmė, pasiekianti išorinį laido paviršių, gali patekti į gnybto korpusą dėl kapiliarinio veikimo išilgai laido izoliacijos ir spyruoklinio mechanizmo sąsajos. Kadangi šis drėgmės patekimo kelias yra būdingas spyruoklinio spaustuko konstrukcijai ir jo negalima visiškai pašalinti nepakenkiant spyruoklinio mechanizmo funkcijai, nerekomenduoju spyruoklinių gnybtų montuoti tropinėse lauko sąlygose, kur drėgmės patekimas yra pagrindinis aplinkos iššūkis.

Sraigtinio spaustuko gnybto konstrukcija, kai varžtas tiesiogiai spaudžia laido laidą, tinkamai priveržus užtikrina puikų drėgmės sandarumą laido įėjimo taške. Kadangi sraigtinis spaustukas spaudžia laido laidą tiesiogiai (nuėmus izoliaciją), o suspaudimo jungtis tarp laido ir varžto galvutės, tinkamai priveržus, sukuria dujoms nepralaidų jungtį, sraigtinio spaustuko jungtis nesukuria kapiliarinio kanalo laido įėjimo taške. Kadangi sraigtinis spaustukas taip pat leidžia vizualiai patikrinti laido įkišimo gylį ir jungties kokybę, jis suteikia papildomą montavimo kokybės užtikrinimą, kuris yra vertingas tropinėje aplinkoje, kur sunku atlikti techninę priežiūrą.

Kabelių sandarinimo specifikacija tropinių lauko gnybtų blokų montavimui

Kabelio sandarinimo specifikacija yra svarbiausia montavimo praktika, lemianti, ar IP klasės gnybtų blokas pasiekia nominalią apsaugą nuo drėgmės tropinėje lauko aplinkoje. Kadangi į gnybtų bloką įeinantis kabelis suteikia kelią drėgmei patekti, jei kabelio sandarinimas yra netobulas – ypač perėjime nuo išorinio kabelio apvalkalo (kuris paprastai yra nepažeistas ir nepralaidus drėgmei) iki nulupto laidininko gnybto viduje – kabelio įėjimo taškas turi būti užsandarintas naudojant metodus, kurie pašalina drėgmės kapiliarų kelią šioje perėjoje.

Silikoninis sandarinimo antgalis yra patikimiausias kabelių sandarinimo būdas, skirtas gnybtų blokų montavimui lauke, tropinėje aplinkoje. Kadangi silikoninis antgalis sudaro lanksčią, lipnia plėvele užsandarintą dangą tarp kabelio apvalkalo ir gnybtų bloko korpuso, jis užpildo bet kokius tarpus įėjimo taške ir išlaiko sandarumą tropinėje lauko aplinkoje kintančių temperatūros ciklų ir UV spindulių poveikio sąlygomis. Kadangi silikonas išlaiko lankstumą ir sukibimą nuo -60 °C iki +200 °C temperatūros diapazone, jis nesukietėja ir nesutrūkinėja tropinėje lauko aplinkoje kintančių temperatūros ciklų metu.

Šilumos susitraukiantis vamzdelis su lipnia vidine danga yra alternatyvus sandarinimo būdas, ypač tinkantis gnybtų blokams su apvaliais kabelių įvadais. Kadangi šilumos susitraukiantis vamzdelis sandariai susitraukia aplink kabelį, o lipni danga teka, kad užpildytų bet kokias tuštumas kabelio ir korpuso sąsajoje, jis sukuria drėgmei sandarų perėjimą, kuris yra mechaniškai tvirtas ir elektrai izoliuojantis. Kadangi šilumos susitraukimo metodui montuojant reikalingas šilumos šaltinis (karšto oro pistoletas arba degiklis) ir jį nėra taip lengva patikrinti kaip silikoninio antgalio metodą, silikoninio antgalio metodą renkuosi tropinėms lauko sąlygoms, kai sunku patikrinti montavimo kokybę.

Dažnai užduodami klausimai

Kodėl standartiniai gnybtų blokai per anksti sugenda tropinio klimato elektros instaliacijose?
Tropinių pakrančių instaliacijose per 18 mėnesių gedimų dažnis siekia 15–25 % (palyginti su

Kokia IP apsaugos specifikacija taikoma gnybtų blokams, skirtiems tropinėms lauko elektros instaliacijoms?
Lauko tropiniams įrenginiams uždengtoms, bet neuždaromoms instaliacijoms reikalingas ne mažesnis kaip IP67 (atsparumas dulkėms, laikinas panardinimas į vandenį) ir ne mažesnis kaip IP65 (atsparumas dulkėms, vandens purškimas iš bet kurios pusės) apsaugos lygis. Žemesnės nei IP65 IP klasės įrenginiai leidžia drėgmei patekti ir sukelti koroziją per 12–24 mėnesius.

Kaip spyruoklinio ir sraigtinio spaustuko konstrukcija veikia atsparumą drėgmei tropinėje aplinkoje?
Spyruokliniai gnybtai laido įėjimo taške sukuria kapiliarinius drėgmės kanalus, kurių neįmanoma visiškai pašalinti. Sraigtiniai gnybtai su sandariomis suspaudimo jungtimis pašalina šį kelią. Sraigtiniai gnybtai skirti tropinėms lauko sąlygoms, kur drėgmės patekimas yra pagrindinis gedimo mechanizmas.

Kokios laidų paruošimo ir sandarinimo specifikacijos taikomos tropinių lauko gnybtų blokų laidams?
Užsandarintas kabelio įvadas naudojant silikoninius sandarinimo antgalius arba susitraukiančius lipnius vamzdelius gnybtų bloko laido įvado taške pašalina drėgmės kapiliarų kelią. Jei sandarinimas yra netobulas, pagrindinė drėgmės patekimo vieta yra perėjimas nuo užsandarinto kabelio apvalkalo prie nulupto laidininko gnybto viduje.

Kaip „Ningbo J-Guang Electronics“ palaiko tropinių įrengimo gnybtų blokų specifikaciją?
„J-Guang“ tiekia IP65–IP67 klasės DIN bėgelių gnybtų blokus su silikoniniu sandarinimo antgaliu, skirtus tropinėms lauko ir pakrantės elektros instaliacijoms. Galimos konkrečios taikymo konsultavimo paslaugos dėl gnybtų blokų pasirinkimo, laidų sandarinimo metodų ir montavimo praktikos tropinės aplinkos elektros sistemose.

Vidinės nuorodos: J-Guang PCT-211 DIN bėgelio įspaudžiamo laido gnybtų blokas | J-Guang elektronikos gaminių katalogas

Išorinės nuorodos: IEC | ISO | NE | UL | TEA | EPRI

Apie autorių

„Ningbo J-Guang Electronics Co., Ltd.“ yra profesionali elektros jungčių komponentų, įskaitant DIN bėgelių gnybtų blokus, spausdintinių plokščių gnybtus ir elektros jungtis, skirtas pramoninėms ir komercinėms elektros instaliacijoms, gamintoja. Turėdama didelę patirtį tiekiant elektros komponentus tropinio klimato instaliacijoms Pietryčių Azijoje, Artimuosiuose Rytuose ir Lotynų Amerikoje, „J-Guang Electronics“ padeda elektros rangovams ir pramonės pirkėjams pasirinkti konkrečiai taikymo sričiai skirtus gnybtų blokus, skirtus didelės drėgmės ir lauko elektros aplinkai.