Соединения проводов линии электропередачи, выполняемые в пролетах, должны иметь механическую прочность, равную прочности провода. Вследствие ряда трудностей получить соединения проводов такой прочности, как прочность целого провода, не всегда удается, поэтому в Правилах устройства электроустановок (ЛУЭ) принято, что механическая прочность соединений должна составлять не менее 90% временного сопротивления провода на разрыв.
Рис. 4. Схема получения электрического контакта А, Б, В— микроскопические выступы на поверхности проводников, образующие контакт в начале соединения.
Электрическое сопротивление соединения не должно быть больше сопротивления целого куска соединяемого провода длиной, равной длине соединения. Соединения проводов должны противостоять механическим и электрическим перегрузкам, атмосферным и климатическим воздействиям так же хорошо, как провода линий электропередачи. ПУЭ допускают увеличение сопротивления соединения до 1,2 сопротивления целого куска провода равной длины. Если сопротивление соединения превысило эту величину, оно должно быть заменено. Механическая прочность и электрические характеристики соединений не должны снижаться в течение всего времени эксплуатации линии. Процесс получения электрического контакта в соединениях проводов аналогичен получению контакта между плоскими пластинами. В начале монтажа соединения (обжатия, опрессования или скручивания) соприкасаются наиболее высокие микроскопические выступы (точки) на поверхности проволок и корпусов соединителей на относительно незначительной площади (рис. 4). При увеличении давления микроскопические выступы деформируются и образуют соприкасающиеся поверхности. По мере возрастания давления металл провода и корпуса соединителя претерпевает дальнейшие изменения, выходящие за предел упругой деформации, и начинает «течь», вследствие чего образуются новые контактные поверхности как между корпусом соединителя и прилегающими к нему проволоками провода, так и между отдельными проволоками провода. Происходящая при опрессовании, обжатии или скручивании соединителей деформация металла сопровождается разрушением плохо проводящей пленки окиси, часто покрывающей поверхность проволок и стенки соединителя, что способствует получению хорошего контакта. Промежутки, остающиеся между отдельными контактными площадками — «контактными пятнами», заполняется в процессе опрессования, скручивания или обжатия смазкой или воздухом. В случае попадания в промежутки агрессивной среды (щелочи, кислоты) или влаги возникает электролитическая коррозия металла провода и соединителя, вызывающая увеличение электрического сопротивления контакта. Для надежной работы соединения весьма важно предупредить возможность попадания влаги и воздуха в соединитель. Дополнительной защитой соединений от попадания влаги служит смазка. На линиях электропередачи применяется защитная электросмазка (ЗЭС) по МРТУ 38-1-206-66, имеющая температуру каплепадения выше 105° С или технический вазелин по ГОСТ 782-59. Применять другие сорта вазелина нельзя, так как они могут содержать примеси, содействующие окислению алюминия.
Сопротивление контакта соединения проводов в основном зависит от давления, создаваемого на контактных поверхностях провода и соединителя, длины соединения и качества подготовки контактных поверхностей.
Подготовка контактных поверхностей соединителей и проводов должна производиться в соответствии со специальными указаниями и инструкциями по соединению проводов, а давление при монтаже соединителя должно быть доведено до величины, обеспечивающей «текучесть» металла соединяемого провода и корпуса соединителя. Необходимая величина давления обеспечивается применением монтажных прессов, клещей или других приспособлений и правильно подобранными соединителями и матрицами.
Соединения многопроволочных проводов выполняются только с помощью соединительных зажимов. Соединительные зажимы изготовляются из того же металла, что и соединяемые провода. Соединения проводов из разных металлов, различной конструкции или разных сечений разрешается выполнять специальными соединителями только в петлях анкерных опор, где провода не подвержены нагрузкам от натяжения. Нельзя применять соединители из магнитных металлов (стальные, чугунные), так как под воздействием переменного магнитного поля, образующегося вокруг провода при переменном токе, в таком соединителе возникает явление перемагничивания и соединитель будет нагреваться, причем с увеличением тока нагревание будет возрастать. Значительное нагревание соединителей и даже разрушение соединения вследствие перегрева могут иметь место при прохождении по ним токов короткого замыкания, достигающих часто величин в несколько тысяч ампер. Выделение тепла в проводнике, по которому пропускается электрический ток, происходит по закону Джоуля — Ленца, выраженному уравнением
Q = 0,24 I2 Rt,
где I — величина тока, я; R сопротивление соединения, Ом\ t — время, сек.
Пользуясь этой формулой, легко определить количество тепла, выделяемого в соединителе. Сопротивление хорошо выполненного соединения проводов неизменно, невелико по величине и, как правило, в 1,5—2,5 раза меньше сопротивления провода равной длины. Ток, проходящий через соединение в нормальном режиме линии, может изменяться в значительных пределах, и его влияние на нагрев соединения значительное, так как количество тепла пропорционально квадрату его величины.
При недостаточной тщательности монтажа или по другим причинам (неправильный выбор соединителей и др.) соединение может получиться ненадежным, внутрь соединения может проникнуть влага, вследствие чего провод и корпус соединителя окисляются, контакт нарушается и электрическое сопротивление соединения может превзойти допускаемую величину. Повышенное сопротивление соединения может вызвать местный перегрев провода и, как следствие, потерю им механической прочности, а затем и обрыв его. К группе наименее надежных соединений следует отнести такие, которые выполняются с помощью болтовых зажимов. Механизм получения электрического контакта, формирования контактных пятен, как указывалось выше, основан на местной деформации поверхностей соединяемых проводников (провода и зажима). Деформация соединяемых контактных поверхностей в болтовых зажимах создается усилием затяжки болтов. Создать достаточно большое и устойчивое давление между контактными поверхностями с помощью болтов трудно, так как в процессе затяжки возникают текучесть алюминия и пластическая деформация стягивающих болтов. Мягкий алюминий многопроволочных проводов особенно сильно подвержен текучести в условиях затяжки в болтовых зажимах. Усилие
нажатия, создаваемого в болтовом соединении, определяется сечением болта, прочностью его материала и величиной приложенного усилия затяжки. Затяжка болта должна производиться ключом с регулирующим моментом. Напряжение материала болта не должно превышать расчетной величины. В случае, если затяжка будет произведена с усилием, превышающим допустимое напряжение металла болтов, болт начнет вытягиваться и заданное нажатие получить не удастся.
Момент затяжки на ключе можно определить приближенно по формуле
где От — предел текучести материала болта, кгс1см2\ d — диаметр болта.
Опытом установлено, что допустимое напряжение в болтах при затяжке болтовых соединений не должно составлять более 0,4—0,5 ат материала болта. Для увеличения площади, воспринимающей усилие нажатия болтов при соединении алюминиевыми зажимами, под головку болта и под гайку подкладывают специальные стальные шайбы, имеющие увеличенные диаметр и толщину.
Вследствие явления текучести металла, из которого изготовлены болты, провод и зажим, а также вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения болтов, провода и зажима, давление между контактными поверхностями не остается постоянным.
При нагревании соединения алюминий — алюминий металл зажимов и проводов расширяется в 2 раза больше, чем стальные болты, в результате чего сильно возрастает давление на болты, и напряжение в болтах может превысить величину ат для стали. Вследствие текучести болты удлиняются. Одновременно в результате увеличения давления появляется текучесть алюминиевых проводов и плашек зажима, и они деформируются. При охлаждении соединения до прежней температуры температурное расширение металла проводов и болтов пропадет, а удлинение болтов, получившееся в результате вытяжки, сохранится. Сохранится также и деформация проводов и плашек, получившаяся в результате текучести. Натяжение болтов уменьшится. Нажатие контакта ослабнет. К контактам начнут поступать воздух и влага, контактные пятна окислятся и контакт нарушится.
Постоянное давление между контактными поверхностями могло бы быть достигнуто, если бы материал провода, зажимов и болтов не имел свойства текучести и имел бы одинаковый коэффициент линейного расширения, или если коэффициенты эти были бы близкими. Однако свойством текучести обладают практически все проводники, применяющиеся в технике, а коэффициенты линейного расширения различных металлов различны. Коэффициенты линейного расширения наиболее распространенных в электротехнике металлов выражаются следующими величинами: сталь 11,8- 10-6, медь 16,5-10_6, алюминий 23,8-10-6 и алюминиевые сплавы 24,3-10-6. Как видно из приведенных величин, коэффициенты линейного расширения стали, меди и алюминия относятся как 1 : 1,4 : 2.
Для сохранения постоянного давления под гайки болтов, кроме плоских шайб, устанавливают специальные тарельчатые пружины по ГОСТ 3057-54. Диаметр тарельчатых пружин должен быть меньше диаметра плоских шайб. Если тарельчатая пружина не обеспечивает нужного давления, следует поставить две пружины. Применение тарельчатых пружин позволяет получить несколько более постоянное давление между контактными поверхностями. Затяжку болтов с тарельчатыми пружинами можно выполнять обычным стандартным ключом, затягивая болт до спрямления пружины и ослабляя его затем на 1/12 оборота.
Исследования болтовых зажимов, смонтированных на алюминиевых проводах, показали, что через 1 000 ч после монтажа давление между контактными поверхностями зажима, имевшего температуру — 30°С, снизилось на 10%, зажима, имевшего температуру +30°С, на 20%, а зажима, имевшего температуру +80 °С, — на 30%. Как указано выше, это объясняется тем, что благодаря различию коэффициентов линейного расширения напряжения в металле проводов, соединителей и болтов при нагревании резко увеличиваются, достигая величин, превышающих предел текучести. Вследствие изложенных особенностей провода линий электропередачи разрешается соединять болтовыми соединителями только в петлях анкерных опор с обязательной установкой тарельчатых пружин и утолщенных плоских шайб увеличенного диаметра. Шайбы утолщенные должны иметь следующие размеры: для болтов М-10 и М-12 наружный
диаметр 30—32 мм, толщина 4 мм2 для болтов М-16 наружный диаметр 40 мм, толщина 6 мм; для болтов М-20 наружный диаметр 46 мм, толщина 6 мм.
