Úvod do vodivosti a mechanické funkčnosti zemnících spojů

Úvod

Vlaky mají mnoho elektrických dílčích součástí umístěných na horní části nebo pod vozy pro přepravu cestujících, které musí být chráněny proti případům zkratu. Pokud takové události vyústí v přerušení napájení, způsobí vážné poškození součástí, nebo dokonce zranění cestujících či obslužného personálu.

Normy elektrické bezpečnosti ve vlacích

Existuje mnoho norem týkajících se elektrické bezpečnosti ve vlacích, které pomáhají těmto případům předcházet a z nichž některé jsou pro představu uvedeny níže.

Norma pro železniční přepravu	Témata
DIN EN 50343 (EN 50343)	Pravidla pro instalaci kabeláže
DIN EN 61439-1 (IEC 61439-1)	Sestavy nízkonapěťových rozváděčů a řídicích zařízení
DIN EN 61373 (IEC 61373)	Zkoušky rázy a vibracemi
DIN EN 60721-3-5 (IEC 60721-3-5)	Část 3: Klasifikace skupin parametrů okolního prostředí a jejich stupňů závažnosti
DIN EN 60068 (IEC 68-* nebo IEC 60068-*)	Zkoušení vlivu okolního prostředí včetně tahu, ohybu, solné mlhy, elektrické odolnosti, písku a prachu, vibrací (viz také IEC 61373), změny teploty, suchého tepla, těsnění, nárazů (viz také IEC 61373), krutu, krouticího momentu.

Aby se zabránilo případům zkratu, musí být proud ze zdroje napájení odváděn přímo do země elektrickými přemosťovacími cestami, což vyžaduje spoj pro připojení kabelů. Spoj má zásadní význam pro zajištění optimální úrovně vodivosti za všech možných podmínek. Stejně jako u každého bezpečnostně klíčového spoje musí být proces instalace schopen zajistit integritu spoje u každé instalace a spoj musí fungovat dlouhodobě.

Historicky sice testy ukazují, že správné úrovně vodivosti lze jistě dosáhnout pomocí řešení se zemnícími kolíky (což se v těchto aplikacích obvykle používá), ale mechanická funkčnost spoje může být někdy nedostatečná. Obvykle je to důsledek špatné instalace, což vede k tomu, že kontakt s materiálem není dostatečný pro dosažení požadované vodivosti. To představuje riziko, že elektrické přemostění nebude během provozu plně funkční. Rozdíly ve výkonnosti a funkčnosti takového spoje „na papíře“ a ve skutečnosti mohou být značné.

Proto by měl být požadovaný stav systému zemnícího spoje takový, aby zajišťoval následující:

1. Požadovaná úroveň vodivosti odpovídající riziku případu zkratu.
2. Mechanické vlastnosti potřebné k zajištění dlouhodobé funkčnosti 1).

 

Tři základní hmatatelné systémové prvky zemnícího spoje jsou:

• Materiál plechu (typ materiálu, tloušťka materiálu, kontaktní plocha)
• Konfigurace zemnícího kabelu
• Spojovací součást (průměr, materiál atd.)

 

 

Každý z nich hraje určitou roli při dosahování výše uvedených cílů 1) a 2).

Existuje několik dalších nehmotných faktorů, které hrají roli v každém úspěšném spoji a které podrobněji probereme v části 2 tohoto článku. První z nich je spolehlivá kontrola a zpětná vazba vhodných parametrů instalace. Druhým je důkaz/dokumentace každého „úspěšně provedeného“ zemnicího spoje.

Společnost Howmet Fastening Systems (HFS), se sídlem v Kelkheimu v Německu, provedla s podporou Mezinárodního institutu pro bezpečnost výrobků v Bonnu rozsáhlé zkoušky, aby pochopila vztah mezi mechanickou funkčností a elektrickou vodivostí spojů na základě výše definovaných kritérií. Tato studie shrnuje výsledky testování.

Výsledky

Vodivost Testování bylo provedeno pomocí instalačního systému Cam-Safe, který zajišťuje správnou instalaci spojovací součásti: výsledky proto nezohledňují variabilitu spoje způsobenou nejednotnými procesy instalace. Graf (obrázek*) ukazuje vztah mezi materiálem, časem, tloušťkou materiálu a proudem pro velikost M6. U střídavého proudu se funkce označuje jako RMS (střední kvadratická hodnota [Root Mean Square]) na ose y. Zkratový odpor Čím kratší je doba trvání a čím vyšší je proud, tím větší je vrchol I a indukovaná elektrodynamická síla se stává relevantní. A naopak, čím déle proud protéká, tím více se zvyšuje úroveň tepla, která dosahuje kritické hodnoty, což je základní efekt pro schopnost odolávat zkratu. (> 1 s).

Níže jsou shrnuta klíčová zjištění z testování

• Silnější materiál má ve všech případech lepší vlastnosti než tenčí materiál.
• Po 1 sekundě byly téměř všechny materiály na stejné úrovni v důsledku vývoje tepla a odporu vůči elektrodynamické síle. Výjimkou byla nerezová ocel 1,5 mm, která má nižší parametry díky svým přirozeným vlastnostem.
• Kratší časové úseky jsou pro případy zkratu nejkritičtější. Časový úsek 0,05 sekundy až 0,10 sekundy je nejrelevantnější, a to i v kontextu železničních aplikací.
• Právě v kratším časovém intervalu jsou rozdíly mezi typy a tloušťkami materiálů nejvíce patrné.
• Hliník umožňuje nejvyšší proud, který se snižuje, čím déle test trvá.
• Korozivzdorná ocel je v zásadě nižší, ale rozdíl se snižuje s delší dobou trvání. Tento efekt je způsoben elektrodynamickými silami, které jsou lépe podporovány pevností materiálu oceli.
• Silnější materiál zajistí větší vodivost. Pokud je prioritou vodivost, pak nejlepší výkonnost nabízí hliníkový plech. Uhlíková ocel má však vodivost pouze o málo nižší, avšak poskytuje mnohem lepší mechanické vlastnosti jak u 1,5mm, tak u 4mm materiálů.

Abychom prozkoumali vztah mezi vodivostí a mechanickou funkčností, budeme se dále zabývat důsledky našich výsledků v širším měřítku.

Kontaktní plocha

Naše testování ukázalo, že rozhodující kontakt se vytváří v samotném otvoru (ať už vyvrtaném, vyraženém, nebo vyříznutém), a nikoli na horní nebo spodní straně upevňovaných součástí.

To znamená, že plechový materiál může být opatřen vnější izolační vrstvou, například pokovením, ochrannými fóliemi nebo barvou, aniž by to mělo negativní vliv na vodivost; pouze materiál uvnitř otvoru musí zůstat v surovém stavu. Je důležité, aby byl vnitřní povrch čistý, protože olej a nečistoty mohou vytvořit bariéru a omezit kontakt. Při použití hliníku nesmí být otvor eloxován, v případě potřeby se otvor po eloxování převrtá, aby se obnovil stav surového materiálu v otvoru.

Naproti tomu mechanická funkčnost závisí na kontaktu spojovací součásti s horní a spodní částí materiálu.

Tloušťka materiálu

Zkoušky ukázaly, že tloušťka materiálu (v kombinaci s velikostí otvoru / průměrem spojovací součásti) hraje u zemnicích spojů důležitou roli, zejména u aplikací se střídavým proudem. Instalace do konstrukce s větší tloušťkou může díky větší styčné ploše a hmotnosti přenášet větší mechanické síly a odvádět větší množství proudu a tepla než tenčí konstrukce ve stejném časovém úseku.

Tenčí materiál omezí vodivost a mechanickou funkčnost spoje, ale obvykle nabízí hmotnostně lehčí řešení. Použití tenčího materiálu umožňuje menší prostor pro chybu v případě špatné instalace, přičemž jakákoli ztráta kontaktní plochy má větší relativní dopad na úroveň vodivosti. Viz naše doporučení pro spoje z tenkých plechů.

Menší kontaktní plocha = velký elektrický odpor = nižší vodivost
Větší kontaktní plocha = menší elektrický odpor = vyšší vodivost

Typ materiálu

Pro konstrukce zemnicích spojů se obvykle používají tři materiály: hliník, uhlíková ocel a nerezová ocel. Hliník je vynikajícím vodičem proudu a tepla. Nerezová ocel hůře odvádí proud a teplo, ale poskytuje mnohem lepší mechanickou pevnost. Uhlíková ocel se nachází někde uprostřed; má dobré mechanické vlastnosti a její tepelná a elektrická vodivost je mnohem lepší než u nerezové oceli.

V tabulce jsou uvedeny příslušné specifikace pro hliník, nerezovou a uhlíkovou ocel. Měď je uvedena jako referenční materiál, vzhledem k jejímu významu v elektrotechnických aplikacích.

 

Materiál plechu	Pevnost v tahu	Mez kluzu	Vodivost IACS	Elektrická vodivost
jednotka	[N/mm2]	[N/mm2]	[%]	[S.m/mm2]
Měď	250 min	180 min	100	58,5
Hliník	180 min	80 min	62	35,9
Uhlíková ocel	290 min	140 min	18	10,5
Nerezová ocel	500 min	200 min	2	1,4

Materiál by měl být vybrán na základě kombinace požadované úrovně vodivosti a mechanické funkčnosti spoje.

 

Specifikace kabelů

Průřez kabelu musí být zákazníkem upřesněn tak, aby splňoval specifické požadavky aplikace, včetně volby materiálu, tloušťky materiálu a spojovací součásti. Pokud je schopnost odolávat zkratu příliš nízká, bude výsledné teplo příliš vysoké, což může vést k propálení kabelu. 

Každý spojovací bod musí odolávat nejvyšším požadavkům definovaným v příslušných předpisech, aby byla zajištěna bezpečnost po celou dobu životnosti aplikace. Je důležité, aby zvolená spojovací součást poskytovala mechanickou funkčnost potřebnou k zajištění kabelu.

 

Mechanická funkčnost

Při výběru spojovací součásti pro zemnicí aplikace je důležité zvolit takovou, která maximalizuje povrchový kontakt v otvoru. Na obrázku níže je znázorněn průřez správně instalovaného zemnícího kolíku.

 

Špatná instalace

Šikmá instalace (s mezerou mezi kontaktním kroužkem a deskou, viz obrázek výše) může být důsledkem špatného úhlu instalace a/nebo dlouhé doby instalace. Kromě toho, že negativně ovlivňuje předvídatelnost povrchového kontaktu ve spoji, může také vést k nedostatečné mechanické funkčnosti (špatný krouticí moment) a riziku úplného selhání. S vhodnými koncepty nástrojů, jako je systém Cam-Safe, lze tento způsob selhání výrazně omezit.

 

Jednou z největších obav je proměnlivost kontaktu v důsledku nekonzistentních instalací. Špatná instalace, při které není dosaženo požadovaného kontaktu s povrchem, má přímý vliv na úroveň vodivosti spoje. Ideální by byl systém, který by zaručenou metodou umožňoval 100% požadovaný kontakt nebo alespoň identifikoval špatnou instalaci, kterou by bylo možné vyměnit. Obrázek neúspěšné (šikmé) instalace

Po správné instalaci je důležité zajistit dlouhou životnost. Doporučuje se spojovací součást, která umožňuje vytvoření trvalého spoje. Spojovací součásti, jako jsou zemnicí kolíky Cam-Safe (skládají se ze dvou částí: napínacího kolíku nebo matice a kontaktního kroužku), využívají proces instalace s řízením síly k roztažení spojovací součásti v otvoru panelu, čímž vzniká trvalý spoj s 1) maximálním kontaktem s povrchem, 2) odolností proti vibracím a manipulaci a 3) minimálním elektrickým kontaktním odporem.

Závěr

Při práci se zemnicími spoji v aplikacích pro železnice musí být bezpečnost vždy absolutní prioritou. Výsledky ukazují na několik důležitých aspektů při navrhování konstrukce spoje: specifikace každé z primárních součástí spoje je důležitá pro dosažení rovnováhy mezi vodivostí a mechanickou funkčností spoje. Je zřejmé, že vodivost a mechanická funkčnost jdou ruku v ruce. Bez správné instalace a správné kontaktní plochy mezi upevňovacím prvkem a základním materiálem je vodivost spoje ohrožena.

 

V části 2 se budeme zabývat výhodami systému Cam-Safe při dosahování úspěšných instalací se zaručenými vlastnostmi a mechanickou funkčností.

---

Máte zájem o produkty Cam-Safe?

Neváhejte kontaktovat naše obchodní oddělení spojovacího materiálu, kde vám rádi pomůžeme s výběrem produktů přímo pro vaši potřebu.

Kontaktujte nás