Передовой опыт в области болтовых соединений шин: Момент затяжки, подготовка поверхности и предотвращение образования горячих точек

Соединения шин выходят из строя постепенно. Правильно затянутое соединение с чистыми контактными поверхностями пропускает номинальный ток при температуре 30-40°C выше окружающей среды. То же самое соединение, недотянутое до 30%, работает при температуре 80-100°C выше окружающей среды в течение нескольких месяцев, поскольку образуются микрозазоры, увеличивается контактное сопротивление и ускоряется окисление.

Горячие соединения шин не дают о себе знать, пока их не зафиксируют тепловизоры или инфракрасный контроль не выявит разницу температур. К этому времени повреждения уже начались: отжиг меди снижает механическую прочность, окисление снижает проводимость, прогрессирующее ослабление от термоциклирования. Путь от “чуть теплого” до катастрофического разрушения сокращается с каждым термоциклом.

Соединения шин распределительных устройств среднего напряжения работают при токах от 630 А до 4 000 А. При таких уровнях тока увеличение сопротивления контакта на 50% - с 10 мкОм до 15 мкОм - приводит к увеличению тепловыделения в 2,25 раза (P = I²R). Соединение, работающее при 60 °C выше температуры окружающей среды при токе 1 600 А, потребляет примерно 400 Вт, что достаточно для заметного свечения при тепловидении и быстрого разрушения как шины, так и болтового соединения.

Для предотвращения горячих соединений требуется правильное выполнение трех элементов: надлежащая подготовка поверхности (удаление окисления и обеспечение контакта металла с металлом), правильное приложение крутящего момента (создание достаточного контактного давления без повреждения резьбы) и постоянный тепловой контроль (выявление ухудшения до разрушения).

В данном руководстве приведены конкретные процедуры, значения крутящих моментов и критерии проверки, необходимые инженерам по техническому обслуживанию для установки и поддержания надежных соединений шин в вакуумный выключатель распределительные устройства и распределительные сети среднего напряжения 12-40,5 кВ.

Почему отказывают шинные соединения: Физика контактного сопротивления

Электрический ток, проходящий через болтовое соединение, должен проходить через микроскопические точки контакта, где металлические поверхности действительно соприкасаются. Даже обработанные плоские поверхности соприкасаются только в пиках асперитов - фактическая площадь контакта обычно составляет 1-10% от видимой площади поверхности соединения.

Контактное сопротивление развивается от:

1. Сопротивление сужению: Токовые толпы через небольшие истинные контактные площадки
2. Сопротивление пленки: Оксидные слои, загрязнения, коррозионные пленки на границе раздела фаз
3. Сопротивление сыпучих материалов: Сам материал проводника (пренебрежимо мал по сравнению с контактными эффектами)

Выработка тепла:

Мощность, рассеиваемая на стыке: P = I² × R_контакт

Для соединения шин на 1 600 А:

• Хорошее соединение (R_контакта = 10 мкΩ): P = 1600² × 10×10-⁶ = 25,6 W
• Деградировавшее соединение (R_контакта = 20 мкм): P = 1600² × 20×10-⁶ = 51,2 W
• Разрушенное соединение (R_контакта = 50 мкм): P = 1600² × 50×10-⁶ = 128 W

Эти 128 Вт, сконцентрированные в небольшом объеме соединения, создают локальные температуры, превышающие 150°C - достаточно для отжига меди, расплавления покрытия и ускорения окисления.

Повреждение при термоциклировании:

1. Соединение нагревается под нагрузкой → тепловое расширение
2. Медь расширяется, болт слегка ослабевает
3. Сустав охлаждается при снижении нагрузки → сокращение
4. На стыке образуется зазор
5. Повышенное сопротивление при следующем цикле нагрева
6. Прогрессирующая деградация

Эта петля положительной обратной связи объясняет, почему после начала работы горячие суставы разрушаются в геометрической прогрессии.

Подготовка поверхности: Достижение истинного контакта с металлом

Медь окисляется за считанные минуты при контакте с воздухом. Алюминий окисляется еще быстрее, образуя прочный оксид алюминия (Al₂O₃) с высоким электрическим сопротивлением.

Очистка перед сборкой

Для медных шин:

1. Механическая очистка:
   • Используйте скотч-брайт (красный/марун, средняя зернистость) или тонкую проволочную щетку.
   • Зачистите контактные поверхности до блеска металла
   • Удалите все видимые окисления, коррозию, потускнение
   • Чистота в направлении протекания тока (по длине шины)
2. Химическая очистка (опционально, для сильно окисленных шин):
   • Обезжирьте изопропиловым спиртом или ацетоном
   • Нанесите очиститель на основе фосфорной кислоты (например, Naval Jelly) на 2-5 минут.
   • Тщательно промойте чистой водой
   • Полностью высохнуть
   • Немедленно выполните механическую очистку, чтобы удалить остатки пленки.
3. Окончательное вытирание:
   • Протрите очищенную поверхность безворсовой тканью, смоченной изопропиловым спиртом
   • Дайте высохнуть (испаряется за несколько секунд)
   • Приступайте к сборке в течение 30 минут (окисление начинается немедленно)

Для алюминиевых шин:

1. Механическая очистка:
   • Используйте проволочную щетку из нержавеющей стали (НЕ медные/латунные щетки, которые загрязняют алюминий).
   • Удаление слоя оксида алюминия до блестящего металла
   • Работайте быстро - алюминий переокисляется в течение нескольких минут
2. Применение ингибирующего оксид соединения:
   • Нанесите соединительный состав, содержащий цинковую пыль или вазелин с цинком.
   • Покрывайте контактные поверхности сразу после очистки
   • Состав разрушает оксидную пленку и предотвращает повторное окисление
   • Распространенные продукты: NO-OX-ID, Пенетрокс, Ноалокс

Критический: Никогда не соединяйте разнородные металлы (медь-алюминий) без соответствующих биметаллических переходных шайб/пластин и соединительного компаунда. Гальваническая коррозия быстро разрушает такие соединения.

Плоскостность контактной поверхности

Проверьте плоскостность перед сборкой:

• Положите линейку на стыковочные поверхности
• Ищите светлые щели
• Приемлемо: Зазор <0,1 мм на длине 100 мм
• Чрезмерное искривление: Обработайте ровную поверхность или замените

Деформированные шины создают неравномерное контактное давление - одни участки имеют хороший контакт, а другие - зазор, что приводит к образованию локальных горячих точек даже при правильном общем крутящем моменте.

Выбор болтов и метизов

Неправильно подобранный крепеж может испортить даже идеальную подготовку поверхности.

Класс и материал болтов

Для соединений шин распределительных устройств среднего напряжения:

• Предпочтительный: Класс 8.8 или выше (метрический ISO) / Класс 5 или выше (SAE)
• Материал:
  • Оцинкованная сталь (наиболее распространена, подходит для применения внутри помещений)
  • Нержавеющая сталь (на открытом воздухе, в агрессивных средах)
  • Кремниевая бронза (для алюминиевых шин для уменьшения гальванических проблем)

Никогда не используйте:

• Степень 4,6 или ниже (недостаточное усилие зажима)
• Непокрытая сталь во влажной среде (ржавчина ухудшает фиксацию)

Требования к стиральной машине

Плоские шайбы:

• Требуется под головку болта и гайку
• Распределяет нагрузку, предотвращает защемление материала шины
• Используйте шайбы из закаленной стали для меди (минимум Grade 8).
• Для алюминиевых шин используйте алюминиевые или нержавеющие шайбы

Стопорные шайбы:

• Раздельные стопорные шайбы (наиболее распространенные)
• Шайбы Бельвиля (тарельчатые пружины) для высоковибрационных применений
• Nord-Lock или аналогичные клиновые шайбы для критических соединений

Применение:

• Установите плоскую шайбу на шину
• Установите стопорную шайбу между плоской шайбой и головкой болта/гайкой
• Ориентация: Разъемная стопорная шайба направлена в сторону от шины

Для алюминиевых шин:

• Предпочтительны шайбы Бельвиля (поддерживают натяжение при сползании алюминия)
• Плоские шайбы должны быть достаточно большими, чтобы распределять нагрузку, не вдавливаясь в поверхность.

Состав для суставов (антиоксидант)

Когда использовать:

• Обязательно для соединений алюминий-алюминий
• Обязательно для медно-алюминиевых (биметаллических) соединений
• Необязательно, но рекомендуется для наружных соединений медь-медь
• Не требуется для внутренних помещений медь-медь, если соединение чистое и правильно затянуто

Применение:

• После очистки нанесите тонкий слой на обе контактные поверхности
• Излишки компаунда, выдавленные при затяжке, допустимы
• НЕ наносите на резьбу болтов (влияет на соотношение крутящего момента и натяжения).

Обычные продукты:

• Медные шины: Burndy Penetrox, Thomas & Betts KOPR-SHIELD
• Алюминиевые шины: NO-OX-ID “A-Special”, Hubbell Burndy PENETROX A

Технические характеристики и применение крутящего момента

Правильный момент затяжки создает давление контакта металла с металлом, исключая повреждение резьбы.

Стандартные значения крутящего момента

Для соединения медных шин (закрытое распределительное устройство, чистые сухие условия):

Для соединений алюминиевых шин:

Снижение крутящего момента на 15-20% по сравнению с медью (более мягкий металл, проседает под нагрузкой)

Технические характеристики производителя всегда имеют приоритет эти общие значения.

Процедура приложения крутящего момента

Необходимое оборудование:

• Калиброванный динамометрический ключ (точность ±3%)
• Сертификат калибровки за последние 12 месяцев
• Правильный размер торцевых головок (6-гранные предпочтительнее 12-гранных)

Процедура:

1. Герметичный: Вкручивайте болт рукой до тех пор, пока шайба не коснется шины
   • Обеспечивает отсутствие перекрещивания нитей
   • Устанавливает отправную точку
2. Плотно прилегающий: С помощью динамометрического ключа доведите соединение до конечного момента ~30%
   • Пример: Конечный крутящий момент 100 Н⋅м → затяжка при 30 Н⋅м
   • Сжимает суставную накладку, выравнивает компоненты
3. Затяжка деталей (для многоболтовых соединений):
   • Затягивайте болты по схеме "звезда/крест" (не последовательно).
   • Предотвращает деформацию суставов
   • Для 4-х болтового соединения: момент затяжки 1 → 3 → 2 → 4
   • Для 6-болтового соединения: крутящий момент 1 → 4 → 2 → 5 → 3 → 6
4. Конечный крутящий момент (двухпроходной метод):
   • Первый проход: Доведите все болты до окончательного момента затяжки 70% по схеме
   • Второй проход: Доведите все болты до окончательного момента затяжки 100% по той же схеме
   • Обеспечивает равномерную нагрузку по всему шву
5. Прохождение верификации:
   • После того как все болты затянуты окончательно, вернитесь к первому болту
   • Проверьте крутящий момент (не должен проворачиваться дальше)
   • Если болт сильно проворачивается, повторите все действия.
   • Обычно используется в многоболтовых соединениях, где более поздние болты ослабляют натяжение более ранних.

Техника работы с динамометрическим ключом:

• Устойчиво тяните (не делайте рывок или толчок)
• Прикладывайте усилие перпендикулярно рукоятке гаечного ключа
• Следите за “щелчком” динамометрического ключа или выравниванием указателя
• Не продолжайте затягивать после достижения установленного момента затяжки

Повреждение при чрезмерной затяжке:

• Сорванная резьба (необратимое повреждение, замените оборудование)
• Искривленный болт (растянутая резьба, уменьшение силы зажима)
• Разбитый материал шины (деформированная контактная поверхность)

Последствия занижения затяжки:

• Недостаточное контактное давление
• Высокое контактное сопротивление
• Перегрев
• Постепенное ослабление в результате термоциклирования

Повторное затягивание после первого включения

Медь и алюминий демонстрируют релаксацию напряжения и ползучесть под нагрузкой.

Почему необходимо повторное затягивание

Первоначальное затягивание: Создает упругую деформацию в металле
Под нагрузкой: Причина температурных циклов:

• Тепловое расширение/контракция
• Пластическая деформация (постоянное оседание)
• Аспертуры поверхности, разрушающиеся под давлением
• Релаксация напряжений в болтах

Результат: 10-25% потеря силы зажима в течение первых недель эксплуатации

График повторного затягивания

Первое повторное затягивание: 48-72 часа после первого включения

• Соединение подверглось первоначальному термоциклированию
• Оседание произошло
• Проверьте все болты, повторно затяните их в соответствии с исходными спецификациями

Второй повторный крутящий момент: 30 дней после ввода в эксплуатацию

• После этой точки дальнейшее оседание меди минимально
• В течение первого года алюминий может потребовать ежеквартальной подтяжки

Последующие интервалы:

• Медные соединения: Ежегодный осмотр, повторная затяжка при необходимости
• Алюминиевые соединения: В первый год - полугодовой осмотр и повторный крутящий момент, в последующие годы - ежегодный

Как проверить:

1. Установите динамометрический ключ в соответствии с исходной спецификацией
2. Последовательно затяните каждый болт
3. Если болт сильно проворачивается (>15°), соединение ослабло, затяните его до полного момента затяжки
4. Если болт едва проворачивается или держится крепко, повторное затягивание не требуется

Тепловизионный контроль и обнаружение горячих точек

Тепловидение позволяет выявить деградацию до катастрофического разрушения.

Инфракрасная термография

Оборудование: Тепловизионная камера (FLIR, Fluke и др.)

Процедура проверки:

1. Состояние нагрузки: Выполните проверку под нагрузкой (предпочтительно >50% номинального тока)
   • При проверке легкой нагрузки не выявляются проблемы, вызванные термическим воздействием
   • Составляйте расписание в периоды повышенного спроса
2. Термическая стабильность: Перед сканированием выдержите 2-4 часа постоянной нагрузки
   • Суставы достигают теплового равновесия
   • Переходный нагрев при изменении нагрузки оседает
3. Техника сканирования:
   • Сохраняйте постоянное расстояние и угол наклона
   • Изображение каждого соединения шин
   • Запишите используемую настройку излучательной способности (обычно 0,85-0,95 для окисленной меди)
   • Температура окружающей среды документа
4. Измерение температуры:
   • Измерьте температуру шва (наиболее горячее место)
   • Измерьте температуру шин на расстоянии 300 мм от стыка (базовая линия)
   • Рассчитайте повышение температуры: ΔT = T_шарнир - T_шина

Критерии приемлемости:

Сравнение фаз:

В трехфазных системах сравнивайте одинаковые соединения между фазами:

• Разница температур >15°C между фазами указывает на проблему в более горячем соединении
• Даже если абсолютная температура в норме, дисбаланс свидетельствует о развитии проблемы

Термографические рисунки, указывающие на конкретные неисправности

Равномерный нагрев вдоль шины: Нормально (I²R нагрев самого проводника)

Локализованная горячая точка на болте:

• Недостаточно затянутое соединение
• Корродированная/окисленная контактная поверхность
• Отсутствующая шайба

Смещение горячей точки от центра болта:

• Неравномерное контактное давление (деформированная шина)
• Загрязнение с одной стороны шва

Один болт горячий, остальные нормальные в многоболтовом соединении:

• Болт недозатянут или отсутствует стопорная шайба
• Повреждение резьбы

Прогрессивный температурный градиент:

• Пример: Болт 1 самый теплый, болт 2 самый холодный, болт 3 самый холодный
• Указывает на ошибку схемы затяжки (последовательная, а не звездообразная схема)

Периодический осмотр и техническое обслуживание

Ежегодный осмотр позволяет выявить деградацию до аварийного отказа.

Визуальный осмотр

Проверьте наличие:

• Изменение цвета: Указывает на перегрев
  • Медь: Темно-коричневый/черный (оксид), зеленый (коррозия)
  • Алюминий: Белый порошок (оксид алюминия)
• Физический ущерб: Деформированные шайбы, удлиненные отверстия под болты
• Коррозия: Белые/зеленые отложения, ржавчина на стальной фурнитуре
• Утечка соединительной смеси: Излишки выдавливаются (допустимо, если соединение плотное)

Установки, подверженные вибрации:

Проверьте наличие:

• Откручивание болта (видимое изменение длины резьбы)
• Следы фреттинга (истирание контактной поверхности в результате микроперемещений)
• Треснувшие шайбы

Проверка крутящего момента

Частота:

• Новые установки: Через 48 часов, 30 дней, 6 месяцев, ежегодно
• Установленные установки: Ежегодно или после любого теплового события

Процедура:

1. Установите динамометрический ключ на 90% по спецификации
2. Попытка повернуть болт
3. Если вращается легко, повторно затяните до полного соответствия спецификации
4. Если при 90% держится крепко, перейдите к проверке 100%

Документ:

• Дата проверки
• Применяемые значения крутящего момента
• Болты, требующие повторного затягивания
• Результаты тепловизионного обследования (если проводилось)

Измерение сопротивления контактов (расширенный вариант)

Оборудование: Микроомметр (тестовый ток 100 A+)

Процедура:

1. Измерьте сопротивление через соединение (используйте зажимы Кельвина на шинах по обе стороны от соединения).
2. Вычтите вклад сопротивления шин (измерьте эквивалентную длину одножильной шины)
3. Рассчитайте сопротивление соединения: R_соединения = R_измерения - R_бара

Типичные значения:

• Хорошее соединение: 5-15 μΩ
• Приемлемый: 15-30 μΩ
• Маргинальный: 30-50 мкΩ (повторное затягивание по графику)
• Не удалось: >50 мкΩ (демонтаж, повторная очистка, повторное затягивание)

Обычно не выполняется для стандартного технического обслуживания (тепловидение более практично), но полезно для поиска неисправностей в конкретных горячих соединениях или ввода в эксплуатацию критически важных объектов.

Распространенные ошибки и как их избежать

Особые указания для сильноточных приложений

Соединения, выдерживающие нагрузку > 2 000 А, требуют повышенного внимания.

Многоболтовые соединения:

Для широких шин, требующих нескольких болтов:

• Используйте минимум 4 болта на одно соединение
• Расстояние между болтами <150 мм (концентрирует контактное давление)
• Очень важна затяжка по схеме "звезда" (последовательная затяжка создает зазоры).

Длина перекрытия шин:

Более длинное перекрытие распределяет ток, уменьшая плотность тока на краях:

• Минимум: 4× толщина шины
• Предпочтительно: 6× толщина шины
• Пример: шина толщиной 10 мм → предпочтительный нахлест 60 мм

Серебряное или оловянное покрытие:

Токоведущие шины часто имеют покрытие:

• Луженая медь: Хорошая защита от окисления, более простая в обслуживании, чем голая медь
• Посеребренная медь: Наименьшее контактное сопротивление, лучше всего подходит для >3 000 A
• Не удаляйте покрытие во время очистки-Протирать только тканью, смоченной изопропиловым спиртом

Гибкие оплетки для защиты от вибрации:

Неподвижные соединения шин в условиях вибрации (генераторы, поршневое оборудование) трескаются от усталости:

• Используйте гибкие перемычки из медной оплетки в болтовых компенсаторах
• Устойчивость к тепловому расширению и вибрации без нагрузки на болтовое соединение

Ключевые выводы

• Сопротивление контактных соединений шин приводит к выделению тепла (P = I²R)-50% увеличение сопротивления создает 2,25× больше тепла, ускоряя термическую деградацию
• Подготовка поверхности (очистка до блеска металла) и правильное приложение крутящего момента (болты класса 8.8+, калиброванный динамометрический ключ) одинаково важны - одно без другого не работает.
• Затяжка по схеме "звезда/крест" предотвращает деформацию соединения - последовательная затяжка создает неравномерное контактное давление и локальные горячие точки
• Повторное затягивание после 48-72 часов работы фиксирует потерю натяжения 10-25% в результате термоциклирования и релаксации напряжений
• Для алюминиевых шин требуется цинковый состав для соединения сразу после очистки, уменьшенный крутящий момент (на 15-20% меньше, чем у медных) и более частая повторная затяжка.
• Тепловидение под нагрузкой (номинальный ток >50%) позволяет обнаружить деградацию на ранней стадии -ΔT >30°C указывает на развивающуюся проблему, >80°C требует срочного ремонта
• Ежегодный осмотр с проверкой крутящего момента и тепловизионным обследованием превращает случайные отказы в плановое техническое обслуживание

Внешняя ссылка: МЭК 62271-100 - Стандарт IEC 62271-100 для высоковольтных распределительных устройств

Часто задаваемые вопросы

Q1: Можно ли использовать ударный гайковерт для ускорения монтажа шинных соединений?
О: Используйте ударный гайковерт только для первоначальной затяжки (окончательный момент затяжки 30%). ВСЕГДА используйте калиброванный динамометрический ключ для окончательной затяжки - ударные гайковерты обеспечивают неравномерный крутящий момент и часто перетягивают, повреждая резьбу и выкручивая болты.

Вопрос 2: Насколько увеличивается сопротивление контактов из-за окисления на медных шинах?
A: Чистая блестящая медь: ~5 мкОм контактного сопротивления. Легкое потускнение: 15-25 μΩ. Сильное окисление (темно-коричневое/черное): 50-200 μΩ. Это 10-40-кратное увеличение объясняет, почему очистка поверхности обязательна - само по себе окисление может привести к разрушению соединения независимо от крутящего момента.

Вопрос 3: Какой момент затяжки следует использовать для болтов из нержавеющей стали в алюминиевых шинах?
О: Уменьшите стандартный крутящий момент для алюминия на дополнительные 10% (в общей сложности на 25-30% ниже, чем у меди). Нержавеющая сталь имеет более высокий коэффициент трения, чем оцинкованная сталь, что позволяет достичь более высокого усилия зажима при том же приложенном моменте - риск разрушения алюминия при приложении полного момента.

В4: Как часто следует проводить тепловизионное обследование соединений шин?
A: Минимум раз в год при установке внутри помещений, раз в полгода при установке вне помещений или в суровых условиях. Проводите дополнительную проверку после любого сбоя, перегрузки или технического обслуживания соседнего оборудования. Критически важные объекты (центры обработки данных, больницы) можно проверять ежеквартально.

Q5: Можно ли отремонтировать горячее соединение простым повторным затягиванием без разборки?
О: Если ΔT 50°C или болты не проворачиваются (что указывает на окисление/загрязнение, а не на ослабление болтов), необходимо разобрать, очистить поверхности до чистого металла и снова собрать должным образом. Попытка устранить сильное окисление только с помощью крутящего момента сжимает слой окиси, но не удаляет его.

Q6: В чем разница между соединительной смесью и антисептиком для резьбы?
О: Соединительный компаунд (например, Penetrox) содержит токопроводящие частицы (цинк, медь) и предотвращает окисление контактных поверхностей - нанесите на поверхности шин. Антисептик для резьбы (на основе меди или никеля) предотвращает заклинивание резьбы и облегчает последующий демонтаж - нанесите на резьбу болтов. НЕ путайте - использование резьбового антисептика на контактных поверхностях не дает электрических преимуществ и может увеличить сопротивление контакта.

Q7: Как обрабатывать соединения из разнородных металлов (медный шинопровод с алюминиевой клеммой оборудования)?
A: Используйте биметаллическую переходную шайбу/пластину (с одной стороны медь, с другой - алюминий, скрепленные взрывом или механически соединенные). Нанесите на алюминиевую сторону герметик для соединения с алюминием. В качестве альтернативы используйте полностью алюминиевую фурнитуру (шайбы, болты, если возможно) и наносите компаунд на обе поверхности. Никогда не прикручивайте медь непосредственно к алюминию без перехода - гальваническая коррозия разрушает соединение за несколько месяцев.