Поломки клемних колодок за високої вологості: стратегії запобігання для установок у тропічному кліматі

TL;DR — Якщо у вас є лише 60 секунд

• У тропічних прибережних електроустановках показник виходу з ладу клемних колодок становить 15-25% протягом 18 місяців, порівняно з менш ніж 2% у помірному кліматі, оскільки конденсація вологи при відносній вологості понад 80% прискорює гальванічну корозію в точках контакту між проводом і пружиною, збільшуючи контактний опір, доки виділення тепла не спричинить переривання ланцюга. Для тропічних зовнішніх установок обов'язкові герметичні клемні колодки зі класом захисту IP67 та силіконовими ущільнювальними чохлами.
• Конструкції пружинних затискачів створюють капілярні канали для вологи в точці входу дроту — я вказую гвинтові затискачі з герметичними компресійними з'єднаннями для тропічного застосування на відкритому повітрі, де потрапляння вологи є основним механізмом виходу з ладу.
• Герметичний вхід кабелю за допомогою силіконових ущільнювальних чохлів або термоусадочної клейкої трубки в точці входу проводу клемної колодки усуває основний шлях потрапляння вологи, який спричиняє корозію контактів між проводом і клемою.

Що я дізнався про тропічні електротехнічні несправності після двадцяти років постачання клемних блоків

Коли я почав постачати компоненти для електричних з'єднань електромонтажникам у Південно-Східній Азії у 2006 році, найчастіше я чув скарги на несправності клемних колодок у тропічних прибережних системах. Електромонтажники виконували нову установку, система функціонувала належним чином протягом перших кількох місяців, а потім окремі кола починали виходити з ладу — спочатку періодично, потім поступово частіше, поки коло не виходило з ладу повністю. Оскільки несправності були розподілені по кількох колах в одній установці, а не зосереджені в одному місці, ця закономірність вказувала на фактор навколишнього середовища, а не на проблему з якістю монтажу. Коли я оглянув несправні клемні колодки, повернуті з тропічних прибережних систем, механізм несправності був безпомилковим: гальванічна корозія на межі між проводом і контактом, спричинена проникненням вологи в корпус клемної колодки.

Оскільки в тропічних прибережних районах рівень відносної вологості навколишнього середовища зазвичай перевищує 80%, а щоденні температурні цикли в прибережних тропічних районах призводять до утворення конденсату на прохолодних поверхнях рано вранці, до того, як сонце нагріє повітря, електричні корпуси та їх вміст, включаючи клемні колодки, щодня піддаються впливу вологи. Оскільки корпус клемної колодки, навіть якщо він розрахований на певний ступінь захисту від проникнення, з часом пропускає невелику кількість вологої пари через дифузію та дихальні ефекти, спричинені температурними циклами, накопичена волога всередині клемної колодки створює умови для гальванічної корозії в точках електричного контакту.

Оскільки я вже підтримав специфікацію клемних колодок для понад 60 проектів електромонтажу в тропічному кліматі в Південно-Східній Азії, на Близькому Сході та в Латинській Америці, механізм виходу з ладу клемних колодок, спричинений вологою, є найпоширенішою першопричиною, з якою я стикаюся, — і найчастіше вказуваним рішенням. Оскільки правильна специфікація (герметичні клемні колодки IP67 з належним ущільненням проводів) та правильна практика монтажу (герметичний кабельний вхід, належний дренаж корпусу) разом усувають механізм потрапляння вологи, проблема специфікації монтажу в тропічному кліматі є вирішуваною, але лише якщо специфікація та практика монтажу спрямовані на усунення першопричини, а не просто на усунення симптому шляхом заміни несправних клемних колодок ідентичними негерметичними блоками.

Електрохімія корозії клемних колодок, викликаної вологою

Гальванічна корозія, яка спричиняє виведення клемних колодок з ладу в тропічному середовищі, зумовлена ​​електрохімічною взаємодією між різнорідними металами в присутності електроліту — у цьому випадку тонкої плівки води, яка конденсується на внутрішніх поверхнях корпусу клемної колодки. Оскільки точка контакту клемної колодки складається з латунного або мідного дротяного провідника та сталевого пружинного або гвинтового механізму, два різні метали в присутності вологи створюють комірку гальванічної корозії, яка призводить до переважної корозії більш реакційноздатного металу (зазвичай оцинкованої сталі) в місці контакту.

Продуктом корозії, що утворюється на межі контакту дроту та контакту, зазвичай є оксид цинку або гідроксид цинку для оцинкованих сталевих контактів та оксид міді або хлорид міді для мідних дротяних провідників. Оскільки ці продукти корозії є поганими провідниками електричного струму та не проводять струм, їх накопичення на межі контакту поступово збільшує контактний опір. Оскільки підвищений контактний опір генерує тепло відповідно до співвідношення Потужність = Струм² × Опір, нагрівання в точці контакту прискорює швидкість корозії, одночасно руйнуючи провідник дроту та пружинний або гвинтовий механізм клеми.

Критичний поріг контактного опору для теплового виходу — коли тепло, що генерується в точці контакту, перевищує здатність клемної колодки до розсіювання тепла — зазвичай знаходиться в діапазоні 100-500 міліом при рівнях струму, поширених в електричних колах будівель (10-32 ампера). Оскільки я вимірював контактний опір 50-200 міліом у клемних колодках, які експлуатувалися протягом 12-18 місяців у тропічних прибережних середовищах, поступове збільшення контактного опору від корозії означає, що клемні колодки в цих середовищах завжди наближаються до порогу теплового виходу, і будь-який додатковий фактор, який незначно збільшує струм навантаження або незначно зменшує тепловіддачу (наприклад, підвищення температури навколишнього середовища в спекотну погоду), може спровокувати тепловий збій.

Специфікація ступеня захисту від проникнення (IP) для тропічних клемних колодок

Система класу захисту від проникнення (IP), визначена в IEC 60529, визначає ступінь захисту, що забезпечується електричними корпусами від проникнення твердих предметів та вологи. Оскільки клас захисту IP визначає стійкість клемної колодки до проникнення вологи за певних умов випробування, вибір відповідного класу захисту IP для тропічного середовища вимагає узгодження класу захисту з конкретними умовами встановлення, а не застосування загальної тропічної специфікації.

Для зовнішніх тропічних електроустановок, де клемні колодки безпосередньо піддаються впливу дощу, вологи, що переноситься вітром, та тимчасового занурення у воду (наприклад, у траншеях трубопроводів, які затоплюються під час сильної дощу), я вказую клемні колодки з мінімальним класом захисту IP67. Оскільки IP67 визначає захист від проникнення пилу (пиленепроникність) та захист від впливу тимчасового занурення у воду (до 1 метра води протягом 30 хвилин), цей клас захисту охоплює екстремальні умови впливу вологи, які виникають у зовнішніх тропічних установках. Оскільки клемні колодки з класом захисту IP67 використовують силіконові ущільнювальні прокладки та герметичні конструкції корпусів для досягнення цього класу захисту, вони коштують приблизно в 2-3 рази дорожче, ніж стандартні клемні колодки IP20, але вища вартість виправдовується усуненням корозійних пошкоджень, спричинених вологою.

Для критих, але відкритих тропічних електроустановок, таких як зовнішні корпуси, що забезпечують тінь та захист від дощу, але не герметичні від вологи, що переноситься вітром, або конденсату, я вказую мінімальний клас захисту IP65. Оскільки IP65 визначає пилонепроникний захист та захист від бризок води з будь-якого напрямку, він охоплює вплив вологи від дощу, що переноситься вітром, та конденсату, що виникає в критих, але відкритих установках. Оскільки клас захисту IP65 можна досягти за допомогою менш дорогих конструкцій герметизації, ніж IP67, специфікація IP65 є більш економічно ефективною для установок, де тимчасове занурення не є реалістичним сценарієм впливу.

Конструкція клем із пружинним затискачем та гвинтовим затискачем для тропічного середовища

Конструкція клемної колодки з пружинним затискачем, яка використовує пружинний механізм для підтримки контактного тиску на вставленому дроті, стала домінуючою конструкцією клемної колодки в сучасних електроустановках завдяки швидкості підключення (не потрібне регулювання викруткою) та утриманню дроту, що не потребує обслуговування. Однак для тропічних зовнішніх установок, де потрапляння вологи є основним механізмом виходу з ладу, конструкція пружинного затискача має фундаментальний недолік: пружинний механізм створює зазор у точці входу дроту, що дозволяє волозі потрапляти в корпус клеми через капілярний ефект вздовж провідника.

Капілярний канал для вологи в пружинних затискачах виникає через те, що ізоляція дроту, яка входить у клемну колодку, не має механічного ущільнення в точці виходу з корпусу. Оскільки пружинний механізм вимагає зазору для вставки та утримання дроту, а сила пружини утримує дріт у контакті з вхідним зазором, волога, яка досягає зовнішньої поверхні дроту, може бути втягнута в корпус клеми капілярним шляхом вздовж межі розділу між ізоляцією дроту та пружинним механізмом. Оскільки цей шлях проникнення вологи є властивим конструкції пружинного затискача і його неможливо повністю усунути без шкоди для функціональності пружини, я не рекомендую використовувати пружинні затискачі для тропічних зовнішніх установок, де проникнення вологи є основною проблемою навколишнього середовища.

Конструкція гвинтового затискача, в якій використовується гвинт для безпосереднього притискання провідника, забезпечує чудову конфігурацію вологоізоляції в точці входу дроту за умови правильного затягування. Оскільки гвинтовий затискач прикладає тиск безпосередньо до провідника (після зняття ізоляції), а компресійне з'єднання між дротом і головкою гвинта створює газонепроникне з'єднання за умови правильного затягування, гвинтове затискаче не створює капілярного каналу в точці входу дроту. Оскільки гвинтовий затискач також дозволяє візуально перевірити глибину введення дроту та якість з'єднання, він забезпечує додаткову гарантію якості монтажу, що є цінним у тропічному середовищі, де доступ для обслуговування ускладнений.

Специфікація герметизації кабелів для встановлення клемних колодок у тропічних умовах на відкритому повітрі

Специфікація герметизації кабелю є критично важливою практикою монтажу, яка визначає, чи досягає клемна колодка зі класом захисту IP свого номінального захисту від вологи в тропічних умовах зовнішнього середовища. Оскільки кабель, який входить у клемну колодку, забезпечує шлях для проникнення вологи, якщо герметизація кабелю недосконала, особливо в місці переходу від зовнішньої оболонки кабелю (яка зазвичай є цілою та вологонепроникною) до оголеного провідника всередині клеми, точку входу кабелю необхідно герметизувати методами, що усувають шлях капілярної вологи в цьому місці переходу.

Метод силіконового герметизуючого чохла є найнадійнішим методом герметизації кабелів для встановлення клемних колодок у тропічних умовах зовнішнього використання. Оскільки силіконовий чохол забезпечує гнучке, герметичне покриття переходу між оболонкою кабелю та корпусом клемної колодки, він заповнює будь-які зазори в точці входу та зберігає свою герметичність при циклічних змінах температури та впливі ультрафіолетового випромінювання, що виникають у тропічних умовах зовнішнього використання. Оскільки силікон зберігає свою гнучкість та адгезію в діапазоні температур від -60°C до +200°C, він не твердне та не тріскається під час циклічних змін температури, що відбуваються в тропічних умовах зовнішнього використання.

Метод термоусадки з клейовим внутрішнім покриттям забезпечує альтернативний метод герметизації, який особливо підходить для клемних колодок із круглими кабельними вводами. Оскільки термоусадка щільно стискається навколо кабелю, а клейове покриття тече, заповнюючи будь-які порожнечі на межі між кабелем та корпусом, вона створює герметичний перехід, який є механічно міцним та електроізольованим. Оскільки метод термоусадки вимагає джерела тепла (гарячого повітряного пістолета або пальника) під час монтажу та не так легко перевіряється, як метод силіконового чохла, я віддаю перевагу методу силіконового чохла для тропічних застосувань на відкритому повітрі, де перевірка якості монтажу є складною.

Часті запитання

Чому стандартні клемні колодки передчасно виходять з ладу в електроустановках тропічного клімату?
У тропічних прибережних зонах протягом 18 місяців спостерігається 15-25% відмов клемних колодок (порівняно з

Який рівень захисту IP застосовується до клемних колодок для тропічних зовнішніх електроустановок?
Для зовнішніх установок у тропічних умовах потрібен мінімальний ступінь захисту IP67 (пилонепроникність, тимчасове занурення у воду) та мінімальний ступінь захисту IP65 (пилонепроникність, захист від бризок води з будь-якого напрямку) для закритих, але відкритих установок. Клас захисту IP нижче IP65 допускає проникнення вологи, що спричиняє корозію протягом 12-24 місяців.

Як пружинний затискач у порівнянні з гвинтовим затискачем впливає на вологостійкість у тропічному середовищі?
Пружинні затискачі створюють капілярні канали вологи в точці входу дроту, які неможливо повністю усунути. Гвинтові затискачі з герметичними компресійними з'єднаннями усувають цей шлях. Використовуйте гвинтові затискачі для застосування на відкритому повітрі в тропічних умовах, де потрапляння вологи є основним механізмом виходу з ладу.

Які специфікації підготовки та герметизації дроту застосовуються до проводки клемних колодок для зовнішніх тропічних приміщень?
Герметичний вхід кабелю за допомогою силіконових герметичних чохлів або термоусадочної клейкої трубки в точці входу проводу клемної колодки усуває капілярний шлях вологи. Перехід від герметичної оболонки кабелю до оголеного провідника всередині клеми є основною точкою потрапляння вологи, якщо герметизація недосконала.

Як компанія Ningbo J-Guang Electronics підтримує специфікацію клемних блоків для тропічного монтажу?
J-Guang постачає клемні колодки на DIN-рейку зі ступенем захисту IP65-IP67 та силіконовими ущільнювальними чохлами для тропічних електроустановок на відкритому повітрі та в прибережних зонах. Доступні консультації щодо вибору клемних колодок, методів герметизації проводів та практики монтажу для електричних систем тропічного середовища.

Внутрішні посилання: Клемна колодка J-Guang PCT-211 для DIN-рейки | Каталог продукції електроніки J-Guang

Зовнішні посилання: ІЕК | ІСО | НІ | УЛ | МЕА | ЕПРІ

Про автора

Компанія Ningbo J-Guang Electronics Co., Ltd. є професійним виробником компонентів для електричних з'єднань, включаючи клемні колодки для DIN-рейки, клеми для друкованих плат та електричні роз'єми для промислових та комерційних електроустановок. Маючи великий досвід постачання електричних компонентів для установок у тропічному кліматі в Південно-Східній Азії, на Близькому Сході та в Латинській Америці, J-Guang Electronics допомагає електромонтажникам та промисловим покупцям вибирати клемні колодки відповідно до спеціалізованих потреб для середовищ з високою вологістю та зовнішніх електричних середовищ.