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低压配电分支线路中的细导线连接

2017-07-15 18:46

核心提示:文章依据国内外相关标准与规范,讨论了建筑电气分支线路中6mm2及以下细导线的连接方法与质检手段,为提高分支线路安全性提出建议。强调工程中必须采用正确的工艺与材料进行导线连接的重要性。

1 概述

爱迪生为电线(Electric Conductor)注册专利时指出:绝缘电线要能防水和防火,但当因事故造成电线变得红热时,其绝缘层将起火燃烧[1]。统计[2][3]显示,超过60%的建筑电气火灾,是由线路引起的。相对完整导线而言,分支线路中的各类连接点是更易出故障的环节。本文参照国内外相关标准与规范,着重讨论建筑电气分支线路中,细导线(截面积6mm2及以下)的连接方法。

2 电气连接方法与分析

电气连接可分为固定连接活动连接(如图1)。

标准GB16895.6(等同IEC60364-5-52)[4]第526条规定:导体与导体之间以及导体与其它电气设备之间连接应保证电气连续和具有适当的机械强度和保护措施……接头应易于检查、测试和维护。

2.1 电气连续与机械强度

导体连接处并非理想平面,电气连接实际是只通过有限数量接触点完成(如图2)。电流线收缩形成的束流电阻,以及导体机械特性、接触面材料、接触面状态(氧化、灰尘、油污等)等因素,共同构成导体间的接触电阻。即使导线本身未过载,接触电阻大的连接点也会过热而损坏,甚至引起火灾。

实现电气连续就是通过焊接或施加外力,尽可能消除导体接触面间隙,使连接点的电气性能尽量接近完整导线的电气性能,同时解决连接点的机械强度问题。

2.1.1 锡焊的缺点

在以铜焊(brazing)、熔焊(welding)、锡焊(soldering)等熔化金属或合金焊接导线的方法中,由于锡铅合金的低熔点特性(180~220),使锡焊成为建筑电气中最常用的焊接方法,而焊料固有的常温蠕变特性对导线连接的可靠性不利,焊料的机械强度指标(锡铅共晶焊料的抗拉强度为50MPa)也是使用者必须考虑的因素。IEC60364-5-52:2009的526.2条的注1指出:除通信线路外,宜避免使用锡焊连接。如果使用,连接的设计宜考虑在故障条件下的蠕变、机械强度和温升。

采用焊接工艺连接导线还存在以下缺点:
  (1)要求操作人员具有一定技能与经验;
  (2)需要熔化金属的设备或工具;
  (3)现场条件影响操作,如仰头操作或狭小空间操作;
  (4)会出现虚焊与假焊;
  (4)导线绝缘层可能受焊接高温的影响;
  (5)工作效率低。

2.1.2 施加外力

下列公式(1)揭示了接触力与接触电阻的关系:
  Rj=K/(0.102F)n (1)
  Rj接触电阻(Ω);
  K与接触的材料、表面状况、接触方式有关的系数;
  F接触压力(N);

与接触形式(点、线、面接触)、压力范围、接触点个数以及触点分布情况有关的指数.
  随着接触力的增加,接触点导体会发生弹性或塑性变形,由点接触变为面接触,接触点数量也增加,局部氧化层被破坏——接触力越大,接触电阻越小。施加外力不仅能确保电气连续,也能保证连接的机械强度。实践证明,采用施加外力的方式完成电气连接,克服了锡焊的缺点,是最适合建筑电气工程要求的方法。

2.1.3 必须杜绝的做法

在不规范的线路工程中,经常出现扭绞+胶带的做法,即只将导线简单绞接,不经焊接,直接用绝缘胶带包裹的情况。由于弯曲后的金属总是具有松散扩张趋势,而非聚拢收紧,无论扭绞后的导体表面现得多么紧密,导体间实际接触力几乎为0,电气连续性与机械强度都无从保证,极易受外界影响导致虚接、氧化,产生过热或电弧。因此必须在工程中杜绝此类做法,才能有效消除事故隐患,提高电气系统安全性。

2.2 防护与检修

电气防护主要包括:绝缘、阻燃和抗外力影响,必要时还应防潮、防溅、防尘,其目的在于防止电气连接点出现漏电、短路、电弧、电击等故障。防护措施不仅要可靠,还应考虑日后检查与维护的可操作性。细导线焊接后采用绝缘胶带实现防护,虽然价格低廉,但存在:耐久性差、防水性差、简单包裹容易脱落、严密包裹不易检修等缺点。

20世纪初,欧美电气业就开始寻找兼顾电气连续、机械强度、防护与检修要求的便捷导线连接方法。时间与实践共同证明:导线连接器是解决细导线连接问题的最佳方案。

3 导线连接器

导线连接器即通过施加外力,代替焊接实现导线接续的装置,并同时满足机械强度、绝缘防护和便于检修的要求。按照施加接触力的方式,连接器主要分为材料挤压、螺纹挤压、扭绞挤压和簧片挤压4类。

3.1 材料挤压式

根据线径选择适当的连接套管(如图3a);用专用工具(如图4)对套管进行挤压使其产生塑性变形(图3b),将导线紧固在一起;最后套接绝缘套(图3c),连接即告完成。为了提高工作效率,工程中还使用预绝缘连接器(如图5a)。连接套管被预置在绝缘外壳内,连接时直接挤压韧性绝缘外壳,实现连接和绝缘一次完成(如图5b)。

只要连接套管与压接工具选择正确,材料挤压式连接方式就可达到相当好的连接效果。有高可靠性要求的航空插头与导线的连接,就采用类似方式。但不能拆卸检查,是此类连接器的最大缺点。另外,除美国UL486C[4]对此类连接器提出具体性能要求外,IEC及中国国内尚无相应产品标准,不便对其进行质量认证。

3.2 螺纹挤压方式

GB 13140.2(等同IEC 60998-2-1)[6]定义的此类连接器,早在1914就被发明并使用。根据线径选择适当的套管/芯(如图6a),通过拧紧一侧的螺钉产生压力,将多根导线挤压在套管内,安装绝缘罩(也采用螺纹连接)后即形成完整的电气连接(如图6b)。

免焊、免胶带、免专用工具(只用普通螺丝刀),便于拆卸检修等特点,使此类连接器至今还被广泛使用。

3.3 扭绞挤压方式

20世纪20年代开始商用,GB13140.5(等同IEC60998-2-4)[7]将此类连接装置称为拧上型连接器(twist-on connecting devices)。导体间接触力来自绝缘外壳及内嵌的圆锥形螺旋钢丝。连接器旋转过程中,方截面钢丝的棱线会在导体表面形成细小刻痕,并使导线形成扭绞状态(如图7),同时圆锥形螺旋钢丝产生扩张趋势,对导线施加足够压力。因外形与使用方式类似机械设备中的帽形螺母,此类连接器又被称为接线帽

实验证明:同样连接两根2.5mm2铜导线,锡焊接点的抗拉强度为25.8kg;接线帽连接的抗拉强度达79.8kg.锡焊接点电阻为4mΩ接线帽连接的电阻为3.1mΩ(降低了22.5%)。

扭绞挤压式连接器在电气连续、机械强度、绝缘防护方面都优于焊接工艺,且完全徒手操作(如果使用螺母套筒工具可提高工作效率),施工方便、高效。在其90余年的发展历程中,逐渐形成了满足不同需求的多种形式(如图8)。

3.4 簧片挤压方式

国际GB13140.3(等同IEC60998-2-2)[8]中将通过簧片产生接触力的连接器定义为无螺纹型夹紧部件(如图9),简称为插接式连接器(如图10),20世纪50年代开始商用。

按连接导线数量,插接式连接器分2孔~8孔等多种规格,并有并插(如图10a)与对插(如图10b)之分。

与前三种导线连接装置相比,插接式连接器优点是:连接质量完全由连接器本身性能决定,对操作人员的技能要求最低,最大限度地避免操作者人为因素对连接效果的影响;最大不同点在于:连接器导体部分参与导电。因此,对其性能的要求,要比前三种连接器更严格。

3.5 不同连接器的比较

由下表对比可见:扭接插接连接器优点突出,是欧美低压配电系统与电器设备中用量最多、用途最广的导线接续装置。

3.6 多股导线与连接器(端子)的连接

为了使多股导线的线芯不松散,提高多股细导线的硬度,一般采用搪锡(tinning,或称镀锡、涮锡)工艺。但这里应注意,多股导线搪锡后不应与螺纹挤压方式的连接器或设备端子直接连接。

由于锡铅合金的热膨胀系数(25)是铜(17)的1.47倍,当环境温度或连接点温度上升时,由螺丝压紧的搪锡多股导线将因其径向膨胀大于周围硬导体膨胀而产生变形。锡铅合金的蠕变特性导致这种变形是塑性的,不会随温度降低而恢复原状,更不会向接触更可靠的方向发展。这样,搪锡多股导线与端子间将出现微小间隙,导致接触不良并更严重的发热,恶性循环的结果是连接点烧毁,甚至引起火灾。

相比之下,簧片挤压和扭绞挤压方式能有效补偿焊料的蠕变。因此,英国BS7671的526.8.2条特别规定:多芯导线、细导线和很细导线的导体末端,整体搪锡(tinning)后不允许使用螺纹挤压型端子。其解决问题的方法是:先在多股导线末端安装(压接或焊接)适合的终端端子(线鼻子),然后再与螺纹挤压端子连接。

4 结论

建筑电气配电线路的分支线路敷设、插座、灯具等设备安装工程中,需要完成大量接续、T接与端接工作。长期以来,国内主要采用的绞接+涮锡+绝缘胶带包覆工艺,相对发达国家先进成熟的细导线连接工艺已明显落后。在国内建筑电气领域推广先进理念与方法,对提高我国细导线连接工艺与工程施工质量水