Изоляционные детали соединительных клеммных колодок

Техническая информация о соединительных колодках, изготовленных из керамики и полиамида

Существующие стандарты далеко не в полной мере решают проблему термостойкости керамических клеммных колодок. На фарфоровых клеммных колодках, которые появились в начале XX столетия, в качестве изоляционного материала использовали керамику лишь потому, что не было другого экономичного электроизоляционного материала с достаточной механической прочностью, который можно было бы отлить в форме. Термостойкость в бытовых электрических установках была второстепенным параметром. 

Однако постепенно в повседневном применении керамика уступила место пластику. 

Керамика (фарфор и стеатит) используется только в тех случаях, когда главным требованием является механическая прочность и устойчивость к высоким температурам, чего нельзя достичь, используя термопластические пластмассы или термореактивные материалы.

В стандартах описано немного случаев применения этих видов пластмасс, а маркировка T200, представленная в некоторых из них, недостаточна для керамики.

Хотя в электрических стандартах предусмотрены некоторые очевидные исключения для испытаний керамических изоляторов, они не делают различий между типами керамики, а ее изоляционные свойства при высоких температурах игнорируются. То же самое относится и к термостойкости металлов, используемых для изготовления электрических клеммных зажимов.

Немного разрозненной информации о стандартах устойчивости к высоким температурам недостаточно: например, стандарт EN 60730-1 (элементы управления для бытовых приборов) дает максимальную температуру керамики 425° C в §14-1, 200° C на никелированных латунных выводах 6.35 и 230° C для латунных клеммных зажимов без покрытия; 400° C для стали и т. д. Упоминания о специальных температурах для никеля нет.

Чтобы правильно оценить возможности керамических клеммных колодок, мы посчитали, что было бы полезно предоставить нашим читателям соответствующие технические данные.

Электрические и механические характеристики керамики, используемой в соединительных колодках

Керамика группы С100

Основными компонентами керамики группы C100 (фарфор на основе щелочного силиката алюминия) являются кварц, полевой шпат и каолин, которые делают ее похожей на декоративный и бытовой фарфор.

Фарфор С111

Фарфор С111: это прессованный кремнийсодержащий фарфор с открытой пористостью не более 3%, электрическая прочность которого изменяется в зависимости от степени сжатия. Проблема его пористости решается за счет глазурования.

Он имеет отличные электроизоляционные свойства при комнатной температуре (1011 Ом∙м при 30° C), неплохие при 200° C (106 Ом∙м), но его удельное сопротивление резко падает при 300° C и составляет всего 100 Ом∙м при 600° C.

Это самый старый электроизоляционный керамический материал. Еще в конце XIX столетия он традиционно использовался с целью изготовления электроизоляционных деталей для применения в быту при низких температурах: основания выключателей, ламповые патроны, держатели проводов, электрические клеммные колодки. Когда он покрыт эмалью, его легко чистить.

Литейные формы простые, и их легко изготовить с помощью элементарного оборудования. Но хотя этот материал идеально подходит для использования при температуре до 200° C, с ростом температуры его применение становится опасным по причине быстрой потери изоляционных свойств.

Дорогостоящий процесс изготовления вручную сложно автоматизировать, но он все еще используется в странах с низкой оплатой труда. Значительные допуски по размерам, большой процент бракованных изделий из-за трещин, которые появляются по причине неравномерного прессования.

Фарфор С110

Фарфор С110: это пластифицированный фарфор, который можно лить под давлением. Обладает превосходной электрической прочностью порядка 20 кВ/мм. Поскольку он не пористый, его не нужно покрывать эмалью, за исключением случаев, когда необходимо обеспечить легкую очистку.

Его изоляционные характеристики по температуре такие же, как у C111, то есть 1010 Ом∙м при 30° C, 106 при 200° C, кроме того, удельное сопротивление так же резко падает при приближении к 300° C, достигая 100 Ом∙м при 600° C.

Стеатитовая керамика группы С200

Стеатиты отличаются от фарфора высоким процентом содержания оксида магния (MgO), примерно от 26 до 32%, в остальном эта разновидность керамики состоит из диоксида кремния (SiO2) и шихтовых материалов. Это материал с весьма высокими электроизоляционными характеристиками, выдерживающий высокие температуры, который сохраняет стабильность при температуре более 1000° C.

Типичные производственные процессы — сухое прессование, экструзия, литье и полусухое прессование. Он также изготавливается методом литья под давлением, в пластифицированной форме, и позволяет использовать жесткие допуски.

Материал обжигают при температуре около 1400° C, и в результате кристаллизации, плавки и растворения во время остекловывания образуется стеатит. Чтобы получить чистую поверхность, которую можно легко очищать, стеатит можно подвергнуть глазурованию.

Стеатит С210, так называемый «низкочастотный стеатит», редко используется в производстве электротермических клеммных колодок. Его получают путем полусухого прессования. 

Он требует нанесения эмали, поскольку пористость этого материала составляет порядка 0,7%. Сохраняет хорошие теплоизоляционные свойства даже при температуре 600° C (1000 Ом∙м).

Стеатит C220, также называемый «нормальным стеатитом», обладает нулевой пористостью и содержит от 1 до 2% Na2O и от 3 до 6% оксида алюминия и шихтового материала. 

Как и у C210, удельное сопротивление составляет 1010 Ом∙м при 30° C, 107 Ом∙м при 200° C и 103 Ом∙м при 600° C.

Стеатит C221, также известный как «высокочастотный стеатит», имеет нулевую пористость и отличается от C220 добавлением 7% оксида бария (BaO). Обладает высокими электроизоляционными свойствами при комнатной температуре (1011 Ом·м), имеет лучшее удельное сопротивление при 600° C: 100 000 Ом∙м, в тысячу раз больше, чем у фарфора.  Может изготавливаться методом литья под давлением с высокой точностью. Следовательно, это идеальный материал для клеммных колодок, которые должны выдерживать высокие или очень высокие температуры. Его можно использовать в необработанном виде или эмалировать, если необходима гладкая поверхность.

Керамика группы С600

Содержащая алюминий керамика С610 с низким содержанием щелочи, также известная как муллит, содержит высокий процент оксида алюминия (Al2O3) — около 60%, остальное содержимое составляет диоксид кремния (SiO2). 

Имеет нулевую пористость. Обладает хорошей термостойкостью и электроизоляционными свойствами, в том числе при температуре до 600° C (10 000 Ом∙м). Хорошая устойчивость к резким изменениям температуры, высокая механическая прочность и низкий коэффициент расширения делают этот материал предпочтительным для изготовления изоляторов терморезисторов и защитных трубок датчиков температуры. Из-за трудностей с литьем он не используется при изготовлении соединительных колодок.

Максимальная температура керамики в клеммных колодках

Электротехническая керамика работает при очень высокой температуре, которая достигает 1400° C, 1700° C или даже выше. Однако при использовании в электрических клеммных колодках и изоляторах критически важным параметром является изоляционное сопротивление. 

Стандарт IEC 60998 устанавливает минимальное изоляционное сопротивление 5 МОм между частями, находящимися под напряжением, а также между частями, находящимися под напряжением, и частями, контактирующими с землей, такими как монтажная плата.

Изоляционное сопротивление зависит от:

• толщины изоляции в самом слабом месте;

• температуры.

В самых слабых местах, то есть между крепежными винтами и электрическими зажимными клеммами, конструкция керамических клеммных колодок обеспечивает:

• минимальную толщину стенки 1,2 мм для клеммных колодок до 250 В;

• минимальную толщину стенки 2 мм для клеммных колодок до 450 В;

• минимальную толщину стенки 3 мм для клеммных колодок до 750 В.

В целях обеспечения безопасности предельные значения были выбраны таким образом, чтобы они были на 100° C ниже порогового значения в 5 МОм (для стенки толщиной 2 мм).

Электрические и механические характеристики пластмасс, используемых при изготовлении соединительных колодок

Пластмасса для изготовления клеммных колодок, а именно высокотехнологичный полиамид PA66, выбрана с учетом особых ограничений в отношении использования этого материала.

Наиболее важным ограничением, которому может подвергаться клеммная колодка, является недостаточная затяжка провода, приводящая к высокому сопротивлению контакта, что вызывает перегрев клеммного зажима и расплавление пластмассового материала опоры. Класс, обеспечивающий максимально высокую стойкость к перегреву и стойкость пластмасс с GWFI (температура воспламенения раскаленной проволокой) выше 850° C.

Этот класс является обязательным для применения для работы без надзора в соответствии с техническими условиями стандарта EN 60335-1, § 30-2-3-1.

Материал, который используется при изготовлении этих клеммных колодок, имеет GWFI 960° C, что значительно выше минимальных технических условий этого стандарта. Этот вид пластмассы также предлагает наилучшую устойчивость к току поверхностной утечки, обладая показателем стойкости к пробою > 600 (класс 1, самый высокий).

Другим критически важным параметром корпусов, предназначенных для соединительных колодок, используемых при высокой температуре окружающей среды, является деформационная теплостойкость под нагрузкой. При измерении в соответствии с ISO 75 этот пластмассовый материал имеет особенно высокую деформационную теплостойкость, равную 282° C при нагрузке 1,8 Мпа

 

Деформационная теплостойкость под нагрузкой в соответствии с ISO 75-2

Деформационная теплостойкость под нагрузкой по ISO 75-1 и 3 является важным параметром для оценки способности пластмассового сырья выдерживать повышение температуры без утраты механической прочности. Это значение необходимо для некоторых приборов и требуется по коммерческим стандартам.

Чтобы выбрать оптимальный материал для использования при изготовлении пластмассовых соединительных колодок, были проведены испытания при нагрузке 1,8 МПа, приложенной в центре ширины 10 мм на образце размерами 80 x 10 x 4 мм (метод Af).

Толщина 4 мм была выбрана как стандартное значение, самое близкое к толщине, используемой в соединительных колодках. Повышение температуры составляет 2° C в минуту. Конечная температура регистрируется, когда деформация достигает значения 0,34 мм

Деформационная теплостойкость под нагрузкой в соответствии с ISO 75

Максимально допустимая температура для соединительных колодок из полиамида PA66 (маркировка «Т»)

Максимально допустимая температура на клеммной колодке определяется механической прочностью деталей, служащих опорой клеммным зажимам, через которые проходит ток. При этом учитывается, что клеммы могут нагреваться за счет эффекта Джоуля во время прохождения по ним тока. И это максимальное значение нагрева, требуемое по стандартам EN 60998 или EN 60947, составляет 45° C в дополнение к температуре окружающей среды.

Механическая прочность пластмассы измеряется путем испытаний, проводимых в соответствии со стандартом IEC 60695- 10-2. Этот стандарт измеряет глубину проникновения шарика диаметром 5 мм под действием силы 20 Н в течение одного часа при температуре испытания. Диаметр выемки, сделанной шариком, не может превышать 2 мм. Следовательно, клеммная колодка с маркировкой T200 обеспечивает хорошее удержание на месте деталей, через которые проходит ток, когда их температура составляет 200° C + 45° C = 245° C.

Примечание. Для керамических клеммных колодок это испытание, очевидно, не используется, и сопротивление при комнатной температуре будет определяться максимальной термостойкостью металлических деталей.

Проверка воспламеняемости в соответствии с UL94

Испытание на воспламеняемость пластмасс соединительных колодок предназначено для проверки того, что их случайное возгорание не распространится далее, а погаснет само. Класс, который обычно требуют сертификационные лаборатории — UL94-VO, а для некоторых особых случаев — самый высокий класс UL94-5V.

Материалы предоставлены http://www.ultimheat.com/