По оценкам специалистов, 50% отказов электроаппаратуры происходит из-за недостаточного качества электрических соединителей. Учитывая современную тенденцию постоянного усложнения аппаратуры, компаниипроизводители ведут непрерывную работу над повышением надежности электрических разъемов. В обзорной статье рассматривается продукция компании GES Electronic & Service, длительное время занимающейся разработкой одно- и многоконтактных высоковольтных разъемов, а также популярных в настоящее время гибридных соединителей.
ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СОЕДИНИТЕЛЕЙ
Нередко возникают случаи, даже у опытных разработчиков, когда, казалось бы, полностью продуманная реализация какого-нибудь устройства выходит из строя из-за достаточно простого компонента - электрического разъема. Однако это простота кажущаяся: к высоконадежным разъемам предъявляется множество требований, зависящих от области их применения. Они обязаны иметь высокую прочность электрической изоляции и пожаробезопасность, стабильно функционировать при воздействии атмосферных осадков, вибрации и механических ударов, при повышенных либо пониженных температурах и давлении, а также в условиях агрессивных сред. Определяющими же требованиями являются качество и долговременная надежность электрического соединения. Перечисленные требования лишь в общей степени характеризуют условия эксплуатации электрических разъемов и их рабочие характеристики, но достаточно верно оценивают сложность технических задач, которые приходится решать разработчикам соединителей для обеспечения их высокого качества.
Основной мировой тенденцией в области качества соединителей является постоянный рост основных характеристик - долговечности, срока службы, на работки на отказ [1]. Рассмотрим немного подробнее основные направления повышения качества применяемых в промышленности разъемов:
• Разработка и применение современных материалов для изготовления соединителей. Целью внедрения специализированных серий соединителей на основе новых материалов является повышение срока службы разъемов и улучшение электрических параметров.
• Использование новых конструктивных решений. Работы по совершенствованию конструкций разъемов направлены на улучшение качества соединения контактных пар, а также на разработку малогабаритных корпусов, отличающихся повышенным уровнем защиты от воздействия факторов внешней среды.
• Совершенствование технологий изготовления соединителей. Подразумевается использование новых научных открытий при проектировании изделий, а также обеспечение стабильности технологических процессов путем внедрения современных автоматизированных линий контроля производства.
Работы по всем направлениям, как правило, происходят комплексно с одновременным достижением заданных целей, что приводит к существенному повышению качества при одновременном снижении стоимости соединителей.
Надежные электрические соединители находят широкое применение во всех отраслях промышленности, а также в военной, аэрокосмической и телекоммуникационной аппаратуре. В России высоковольтные разъемы применяются научно-исследовательскими институтами, разработчиками рентгеновского оборудования и спектроскопических систем, а также предприятиями, входящими в состав концерна «Росатом».
ЛИНЕЙКА ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ GES ELECTRONIC & SERVICE
Компания GES Electronic & Service - немецкий разработчик и производитель высоконадежных разъемов, ориентированных на применение в высоковольтных промышленных, научных и медицинских установках. Компания ведет свою историю с 1959 года и сейчас предлагает обширный спектр стандартных высокозащищенных одно- и многоконтактных разъемов в различных конфигурациях для рабочих напряжений до 100 кВ и токов до 50 А, а также гибридных модульных разъемов, предназначенных для соединения, помимо прочего, пневмо-, гидро- и информационных линий [2]. Компания работает в непосредственном контакте с потребителями, что позволяет постоянно расширять гамму выпускаемой продукции и совершенствовать используемые технологии. Для разработчиков высоковольтного оборудования доступны техническая документация, готовые 3D-модели разъемов, а также консультации специалистов компании. Кроме того, по запросу возможно предоставление образцов соединителей для проведения тестовых испытаний. Официальным представителем GES Electronic & Service в России является Компания «Квест».
Итак, почему же стоит обратить внимание на разъемы GES Electronic & Service? Если кратко, то компания предлагает широкий ассортимент в сочетании с приемлемой стоимостью и традиционным немецким качеством продукции. Если же анализировать подробнее, то следует отметить следующие преимущества:
• Надёжность. Производство надежных высоковольтных разъемов связано с бескомпромиссными требованиями к качеству материалов и соблюдению технологий изготовления. Опыт, получаемый на протяжении десятилетий, позволил добиться качества, соответствующего современным мировым стандартам. Вся готовая продукция проходит самый жесткий выходной контроль, в ходе которого разъемы многократно состыковывают и расстыковывают. Большая часть соединителей способна выдержать до 100 000 циклов соединения/разъединения без ухудшения электрических параметров. Для разработчиков доступны как негерметичные, так и герметичные разъемы с уровнем защиты IP65, что обеспечивает надежное функционирование в условиях воздействия агрессивных сред.
• Малые габариты. В настоящее время размер электронного оборудования постоянно уменьшается, эта тенденция относится и к разъемам. Серия компактных разъемов MC разработана для малогабаритного оборудования, работающего в полевых условиях.
• Малый вес. Алюминиевые корпуса разъемов с никелевым напылением отличаются повышенной прочностью и малой массой.
• Широкий диапазон рабочих температур. Одно из главных условий применимости компонентов в жестких условиях эксплуатации - расширенный температурный диапазон. При выборе разъема следует учесть, что рабочая температура зависит от характеристик материала изолятора. В стандартных одно- и многоконтактных высоковольтных разъемах компании GES Electronic & Service используется изоляция из POM (полиоксиметилен) или PTFE (политетрафторэтилен, тефлон). Соответственно разъемы, использующие POM-изолятор, способны надежно работать при температуре от –20 до +100 °C, а соединители с PTFE - от -50 до +200 °C.
Линейка стандартных высоковольтных разъемов, которые выпускает компания GES Electronic & Service, содержит:
• одноконтактные высоковольтные разъемы серий S и 100 на рабочие напряжения до 100 кВ и токи до 50 А;
• многоконтактные высоковольтные разъемы серий M и MC на рабочие напряжения до 20 кВ и токи до 30 А;
• пластиковые самозащелкивающиеся высоковольтные разъемы серии VarioPro на рабочие напряжения до 11 кВ и токи до 13 А;
• гибридные высоковольтные разъемы с возможностью соединения сигнальных, гидро- и пневмолиний с рабочим давлением до 8 атмосфер.
Из аксессуаров широко применяются завинчивающиеся изолирующие колпачки для защиты от загрязнений. По заказу может быть выполнена кабельная сборка.
ОДНОКОНТАКТНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ РАЗЪЁМЫ
Одноконтактные высоковольтные разъемы серии S предназначены для использования в лабораторном измерительном оборудовании и способны выдерживать рабочие напряжения до 40 кВ и токи до 25 А. В разъемах применено стандартное соединение проводников вилки и розетки: штыревой контакт одного соединителя входит в гнездовой цанговый контакт другого и удерживается в нем за счет контактного усилия, создаваемого пружинящим гнездом. На корпусе розетки имеется резьба, а вилка снабжена присоединительной гайкой. Производитель гарантирует не менее 100 000 циклов соединения/разъединения без какого-либо ухудшения электрических характеристик, если соблюдено требование о максимально допустимом моменте при закручивании присоединительной гайки на вилке.
Заделка кабеля (максимальная площадь сечения - не более 3 мм2) в разъем осуществляется либо пайкой, либо при помощи обжима, обеспечивающего простоту и хорошее качество контакта. Обжимные контакты обеспечивают возможность подсоединения проводов различного диаметра, что увеличивает применяемость этих разъемов [3]. Монтаж розетки разъема к корпусу приборов осуществляется двумя способами. Некоторые модели имеют квадратные фланцы с четырьмя крепежными отверстиями. У остальных надежное крепление разъема выполняется при помощи гайки фиксации с внутренней стороны корпуса устройства.
Класс защиты IP54 обеспечивает пылеи брызгозащищенность контактного соединения, а категория воспламеняемости соответствует требованиям стандарта UL94 V-0. Контакты разъемов изготавливаются из медного сплава и покрываются серебром или золотом, что исключает окисление и обеспечивает хорошую проводимость. Цельнометаллический корпус из сплава Cu/Zn с никелевым напылением и оптимизированная геометрия гарантируют постоянное сопротивление контакта соединителей этой серии - не более 300 мкОм. Диапазон рабочих температур определяется материалом изоляции и имеет значения от -20/-50 до +100/+200°C (для POM/PTFE).
Все вышесказанное справедливо и для серии 100 за исключением нескольких моментов. Высоковольтные разъемы серии 100 предназначены для промышленного применения в тяжелых условиях эксплуатации, отличаются универсальностью и улучшенными рабочими характеристиками (до 100 кВ/25 А либо 60 кВ/25 А). Благодаря применению сальников нескольких типов (от 3 до 14 мм) обеспечивается уровень защиты IP58 (масло- и водостойкость). Использование алюминия в качестве материала корпуса (в отличие от серии S) позволило значительно уменьшить массу разъемов. Изделия устойчивы к ударным нагрузкам и сильным механическим воздействиям.
Кроме стандартных изделий, под заказ можно получить разъемы с рабочими характеристиками до 150 кВ/50 A.
Внешний вид отдельных разъемов серий S и 100 показан на рис. 1 и 2, а основные рабочие характеристики представлены в таблице 1.
МНОГОКОНТАКТНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ РАЗЪЁМЫ
Линейка высоковольтных многоконтактных разъемов GES Electronic & Service представлена двумя семействами. Серия M разработана для использования в электрических цепях с номинальным напряжением постоянного тока до 15 кВ/30 A и широко применяется в лабораторном, медицинском, измерительном и тестовом оборудовании, а также в промышленных установках. Каждый разъем может содержать от двух до девяти 2,7-мм медных контактов с серебряным напылением. Конструктивно разъемы выпускаются в прочных герметичных алюминиевых корпусах, покрытых слоем никеля. Обе части (установочная и кабельная) могут быть сконфигурированы как вилка или розетка, при этом производитель гарантирует до 100 000 циклов соединения/разъединения. Для защиты от электромагнитного излучения применяется специальный уплотнитель. По требованиям заказчика кабельные гнезда могут быть угловыми, а также добавлены дополнительные контакты для обеспечения заземления или соединения цепи схемы контура безопасности.
Высоковольтные многоконтактные разъемы серии М обеспечивают защиту от воспламеняемости в соответствии с требованиями стандарта UL94-HB, а изолирующие втулки изготавливаются из полиформальдегида или фторопласта, так же как и у одноконтактных разъемов. Степень защиты от внешних воздействий IP65 обеспечивает стабильную и безопасную работу даже в крайне неблагоприятных условиях, в том числе при воздействии агрессивных сред.
Новое поколение многоконтактных разъемов MC отличается от предыдущего высоким уровнем механической надежности, более компактными габаритными размерами и меньшим весом, что видно из наименования (буква C означает compact). Соединители этой серии содержат от двух до пяти контактов, рассчитанных на рабочее напряжение до 20 кВ и ток до 13 А. Запрессовка провода различного диаметра в контакт выполняется путем обжатия и припайки. Без ухудшения электрического контакта гарантируется 500 циклов соединения/разъединения. В остальном рабочие характеристики практически полностью совпадают с серией M.
Внешний вид многоконтактных разъемов изображен на рис. 3, а основные характеристики приведены в таблице 2.
САМОЗАЩЁЛКИВАЮЩИЕСЯ РАЗЪЁМЫ СЕРИИ VARIOPRO
Разъемы серии VarioPro - это высоковольтные разъемы, осуществляющие соединение кабель-кабель и рассчитанные на напряжение от 8,5 до 11 кВ при постоянном токе до 13 А. Серия VarioPro обеспечивает отличную функциональность и гибкость при минимально необходимом пространстве для размещения разъемов, позволяет комбинировать от одного до трех контактов и отличается простотой обслуживания и высочайшим уровнем безопасности.
Основная область применения этих разъемов - медицинское, измерительное и испытательное оборудование, а также аналитические и лабораторные приборы, такие как лазерные установки, стереометры, кристаллографы и т. д. Соединители этой серии изготавливаются в негерметичном исполнении, уровень защиты - IP20, защита от воспламеняемости соответствует стандарту UL94-HB. Каждый разъем обеспечивает до 100 000 циклов соединений/разъединений, при этом сопротивление контакта не превышает 5 мОм.
Основные характеристики различных разъемов серии VarioPro представлены в таблице 3, а внешний вид показан на рис. 4.
КОМБИНИРОВАННЫЕ РАЗЪЁМЫ
Комбинированные разъемы становятся в последнее время все более популярными. Гибридные разъемы специально разработаны для применения в экстремальных погодных условиях и позволяют комбинировать подачу питания, высокого напряжения, пневматических магистралей, оптико-волоконных линий, Ethernet, сигналов данных и контроля в одном корпусе (рис. 5). Различные комбинации встраиваемых модулей обеспечивают высокую гибкость применения, простоту обслуживания, а также экономят занимаемое пространство. Главные сферы применения такого системного разъема - роботизированные системы, контрольные панели, устройства автоматизированной сварки, а также разнообразные промышленные установки.
Контактная группа формируется разработчиком исходя из определенной задачи. Выбор компонентов разъема начинается с подбора модульных вставок, при этом учитываются требования по количеству полюсов, нагрузочной способности контактов (в том числе и по минимальным коммутируемым токам и напряжениям) и габаритам конечного разъема. Доступные в настоящее время модульные вставки изображены на рис. 6, а их характеристики представлены в таблице 4.
Затем модули, выбранные для конкретного применения, устанавливаются в специальные каркасы (рис. 7) пяти различных типоразмеров. Компоненты одного типоразмера совместимы между собой. В зависимости от размеров каркасов можно объединить от двух до семи модульных вставок различного назначения.
Следующим шагом является подбор корпуса разъема. Алюминиевые корпуса, выполненные с большим запасом механической прочности, защищают контактные группы разъемов при работе в тяжелых условиях эксплуатации. Продуманная конструкция и применение современных материалов позволили достичь класса защиты IP65 (полная защита от проникновения пыли и брызг воды) при применении соответствующих кабель-вводов. Все корпуса разъемов допускают установку в них как вилочных, так и розеточных контактных ных сфер применения, при этом обладают совместимостью с разъемами других крупных производителей. Например, в области аппаратуры для передачи энергии обеспечивается полная совместимость с продукцией компаний Amphenol C146M, Hyptertac HYM, Lapp Contact EPIC MC, Thomas & Betts Pos-E-Kon M, Walther Werke Procon MO, Weidmuller ConCept и Wieland revos FLEX.
Комбинированный разъем (рис. 9а), состоящий из трех пневмомодулей, силовых контактов и оптоволоконных линий, нашел применение в робототехнике. Механическое управление осуществляется по пневмомагистралям, передача сигналов управления и измерения - по оптоволокну, а на силовые контакты подается постоянное либо переменное напряжение питания. Разъем, изображенный на рис. 9б, предназначен для работы в составе аппаратуры тестирования высоковольтных источников питания и содержит пять модулей для подключения высокого напряжения и коннекторы для связи по Ethernet.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что высоковольтные разъемы компании GES Electronic & Service найдут широкое применение в устройствах, где требуются безоговорочная надежность и безотказность работы. Особенно целесообразно их использование в аппаратуре с большим сроком службы. Конечно, стоимость соединителей европейских компаний выше, чем у аналогичной продукции азиатских производителей. Но для сложных многофункциональных устройств, особенно работающих в сфере ядерных технологий, экономия на разъемах может привести к печальным последствиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пивоваров В. Анализ мировых тенденций развития и проблем производства электрических соединителей // Компоненты и технологии. 2007. № 2.
2. Официальный сайт компании GES Electronic & Service. http://www.ges-electronic.com.
3. Джуринский К. Зарубежные радиочастотные соединители. Ключ к информации о соединителях // Компоненты и технологии. 2008. № 11
