Наклейки электрика — предсказывают будущее

Завершаем цикл постов про современные устройства защиты для ваших электрощитков. На этот раз — специальные наклейки для заглядывания в будущее🙂

Краткое содержание: есть наклейки необратимо меняющие цвет при нагреве плохого контакта. А ещё есть наклейки с газом. Видеоверсия поста (23 минуты) прикреплена в конце текста, если захочется слушать в дороге.

Возможно вы слышали шутку от электронщиков «Электроника — наука о контактах». Действительно, большое количество неисправностей связано с тем, что нарушен контакт где-то в разъёме или трещина в пайке, из-за чего устройство не работает. Но электронщики не одиноки, плохой контакт в энергетике, где токи и напряжения большие, сам о себе даст знать повышенным нагревом. Я уверен, что любой мой читатель, даже не будучи связанным с техникой, хоть раз в жизни видел оплавившийся обугленный контакт.

Повышенный нагрев любого соединения проводников, кроме случаев, когда это заранее предусмотрено, прежде всего действует разрушительно на изоляцию. Если нагрев будет чрезмерным, то возможно образование электрической дуги с возгоранием того, что окажется рядом. К счастью, человечество быстро делает выводы, поэтому на сегодняшний день во всех странах мира действуют стандарты разной степени строгости на электрическое оборудование. В том числе регламентируется степень горючести корпусов электрических приборов, изоляции проводников, да и сами щиты чаще всего делают из металла, что локализует неприятности от раскалённых докрасна контактов. На демотиваторе ниже как раз отлично видно последствия нагрева:

Более того, практически для всех остальных причин появления нежелательного нагрева в электрической цепи уже придуманы устройства защиты, про которые я рассказывал в предыдущих частях серии:

• Чтобы проводник не нагревался от перегрузки по току, используют предохранители и автоматические выключатели. Про предохранители я писал тут, про принцип работы автоматических выключателей можно посмотреть вот тут. И про особенности подбора автоматических выключателей я писал вот этот материал. Они отключат цепь как при небольшом превышении номинального тока, так и при резком скачке, вызванном коротким замыканием.
• Если в цепи из-за повреждения изоляции появится утечка тока на землю — цепь разорвёт выключатель дифференциального тока (более известный по старому названию — устройство защитного отключения — УЗО). Причём есть так называемые «противопожарные УЗО» — их ток срабатывания подобран так, что они слабо защищают человека, но гарантируют, что тока утечки будет недостаточно для нагрева и обугливания в месте повреждения изоляции. Подробный рассказ про принцип работы УЗО я писал в этом материале.
• Если в цепи окажется переломанная в месте изгиба жила кабеля с искрением и нагревом, то цепь отключит устройство защиты от дугового пробоя — УЗДП. Подробно принцип работы я рассказывал вот здесь, а вот здесь я потратил несколько месяцев на тест всех отечественных модульных УЗДП.

Как видите, только нагревающиеся контакты до недавнего времени не имели своих устройств выявления и защиты. А значит защита строилась пассивно, не на выявлении проблемных контактов, а локализации последствий их появления — воздушные зазоры, негорючая изоляция, металлический щит и т.д.

▍Почему контакты становятся плохими и зачем за ними наблюдать

Проблеме получения надёжного электрического соединения проводников посвящено огромное количество научных работ. И можно сказать только то, что надёжными являются только неразъёмные соединения, когда проводники соединены намертво опрессовкой или сваркой, образуя монолит. Любая техника и инженерные коммуникации иногда требуют ремонта и обслуживания, поэтому вынужденно применяются разъёмные соединения. Не будешь же отпиливать, а затем приваривать барахлящий выключатель. И такие соединения иногда доставляют проблемы — контакт может ухудшиться и тогда ток, протекая через него, приводит к повышенному нагреву. Длительный небольшой нагрев ускоряет старение изоляции. Большой нагрев может вызвать плавление проводника с зажиганием электрической дуги. Любое из последствий этого нежелательно — как пожар в щитовой, так и просто отключение критического оборудования.

Производители всячески стараются улучшить ситуацию, используя разные виды покрытий, насечек, прижимных пружин и прочих ухищрений, но на сегодня ситуация такова:

• Даже идеально выполненное соединение с соблюдением всех технологических требований со временем может ухудшиться. В силу агрессивности среды или внутренних причин, вроде ползучести металла. Строгое соблюдение требований к качеству монтажа уменьшает, но не исключает такую опасность.
• Регулярное изменение температуры соединения, ускоряет процессы деградации. Неважно, температура меняется от изменений погоды или из-за кратковременного протекания больших токов. Поэтому электрохозяйство вне отапливаемых помещений требует особенного внимания.
• Процесс нагрева обладает положительной обратной связью. То есть от нагрева металл окисляется, от этого переходное сопротивление возрастает, из-за этого нагрев ещё усиливается и так по нарастающей. А значит если был нагрев — контакт со временем будет только ухудшаться.
• В зависимости от нагрузки оборудования, материалов, конструкции контакта, процесс превращения просто нагревающегося соединения в брызгающую расплавленным металлом электрическую дугу может занимать от часов до нескольких лет.

Вывод довольно простой — в щите любое из соединений может стать плохим, и оно начнёт выдавать себя небольшим нагревом. Если это не заметить вовремя, со временем оно станет только хуже и будет греться сильнее. Сильный нагрев может закончиться или разрушением цепи с последующим ремонтом или пожаром.

Для своевременного выявления проблемных контактов в электрических сетях и оборудовании есть регламент — регулярный осмотр, иногда с проверкой моментов затяжки всех соединений. Если при осмотре будет выявлено подозрительное соединение, то можно провести его профилактику ДО наступления дорогих и опасных поломок с оплавлением и электрической дугой. В зависимости от оборудования и объекта периодичность осмотра может меняться, но часто не реже 2 раз в год. Осмотр часто проводится без отключения оборудования, но с соблюдением положенных предосторожностей. Если не верите автору — послушайте вашего стоматолога, он подтвердит — профилактика всегда дешевле ремонта.

▍Человеческий фактор

Как вообще можно увидеть плохой контакт, нагревающийся время от времени? Опытный электрик может увидеть это по характерным имениям цвета изоляции от нагрева, изменению блеска металла крепежа. У некоторых людей со стажем появляется удивительная «чуйка», не только электриков. Например, мне рассказывали про сотрудника целлюлозно-бумажной фабрики, который мог на спор определить влажность бумаги с точностью в несколько процентов, просто положив руку на пачку бумаги. После подтверждения влажности лабораторией на приборе, довольный сотрудник уходил с выигрышем. Но мы не можем полагаться на такое чутьё, из-за трудновоспроизводимых результатов. Да и не всегда внутри электрических щитов всё хорошо освещено и чисто. Необходимо использовать инструментальные методы, где результат мало зависит от состояния самого электрика, но обеспечивается соблюдением определённых процедур.

Одним из таких способов является тепловизионный контроль. Тепловизор — это особая фото/видеокамера, оптика и сенсор которой позволяет ей видеть в длинах волн порядка 7-14 мкм, то есть в инфракрасном диапазоне. На экране прибора нагретые предметы будут выглядеть ярче, холодные — темнее. Способ невероятно эффективен, судите сами, вы без обучения и инструктажа видите подозрительный контакт (фотография получена тепловизором Seek Thermal):

Это как раз фотография стенда, который я собрал для испытаний наклеек из поста. Сразу видно как тепловизор раскрасил в ярко-соломенный цвет объекты, температура которых аномально высока. Возможна даже автоматизация — просто поднимать тревогу, если в кадре появляется что-то нагретое выше пороговой температуры.

Способ давно и успешно используется на производствах, при обслуживании зданий, но у способа есть свои недостатки, из наиболее значительных два:

• Тепловизор это штука дорогая. Прогресс конечно привёл к появлению недорогих бытовых моделей, и в Китае освоили производство своих простеньких моделей, но профессиональные приборы по-прежнему удовольствие не из дешевых. А так как тепловизор это устройство двойного назначения (угадайте почему), то их экспорт внимательно контролируется.
• Тепловизор показывает температуру здесь и сейчас. Если контакт нагревается только в определённые периоды времени, например, когда все готовят себе обед, то пришедший после обеда электрик не увидит проблем, так как контакт к тому времени остынет.

Второй недостаток существенно замедляет процесс контроля, ведь если делать всё как следует, то нужно создать в цепи нагрузку и подождать, пока изменится температура и только потом проводить осмотр. И если в небольшой квартире можно включить обогреватель с чайником, неторопливо заварить чай и после идти осматривать проводку в поисках проблемных распаечных коробок, то как быть электрику, например, в школе, где линии идут в каждый класс и во время уроков школьников беспокоить нельзя?

▍Наклейки с памятью

Способом решить проблему обнаружения контакта, который греется только иногда, а не в момент, когда на него смотрят, будет использование специальных термоиндикаторных наклеек. Такие наклейки нужно разместить рядом с каждым контактом. Если хоть раз температура превысила пороговую — они меняют цвет. Наклейки реализуют на разных физических принципах, но наиболее популярны стали термоиндикаторы плавления.

Идея достаточно проста — на цветную подложку наносится состав из частичек легкоплавкого вещества со связующим. Так как состав неоднороден, то свет на границах частичек рассеивается и состав выглядит белым. Если хоть раз температура превысила температуру плавления — состав плавится, частично растворяется в связующем и застывает прозрачной массой, через которую просвечивает подложка. Меняя состав покрытия, можно довольно точно задать температуру, при которой наклейка изменит цвет. Так как используется явление плавления, то этот тип индикаторов так и называется — термоиндикаторы плавления. Наиболее близкая аналогия принципа действия таких наклеек — сахар, насыпанный в блюдце. Он выглядит белым, но стоит хоть раз подняться температуре выше 186 градусов Цельсия, сахар расплавится и застынет прозрачной карамелью, сквозь которую просвечивает рисунок блюдца. Такие наклейки выпускает несколько компаний в мире. На фото заказанные мной британские safe connect и отечественные LESIV .

(Температура срабатывания круглых британских наклеек 52°C, полосковых британских 70°C. У отечественных, точки с температурами срабатывания 50°С, 70°С, 80°С, 90°С, 100°С, квадратные на 70°С и 90°С, полосковые на 90°С. Набор возможных температур индикаторов плавления весьма широк, я встречал варианты наклеек от 29°C до 290°C)

Здесь я могу порадоваться, так как отечественные наклейки (а LESIV это кстати фамилия разработчика, химик Алексей Лесив) работают не хуже импортных, я проверил, но при этом ЗНАЧИТЕЛЬНО дешевле. (Наклейка L-mark XL 250 р/шт без НДС. Наклейка safe connect 17 фунтов за 5 шт без налога, при курсе на момент покупки это 520 руб за штуку. Это ещё без учета стоимости доставки и услуг контрабанд посредника). Подозреваю, что оптовые цены у производителей значительно ниже.

Для проверки наклеек я сделал стенд. Все наклейки стабильно меняют цвет в районе указанной температуры. Вот так выглядит процесс изменения цвета отечественной наклейки (время ускорено в несколько раз):

А вот так меняет цвет при нагреве британская наклейка:

Термоиндикаторы могут быть не только в форме наклеек, но и в форме пластиковых клипс, защёлкивающихся на провод, такие выпускает британская компания Safe Connect. Почему они меняют цвет при нагреве (хотя сами похоже сделаны на термопластавтомате!) — я пока не смог разобраться, если вы знаете — напишите мне. При нагреве клипса меняет цвет с фиолетового на розовый. К сожалению, стоимость клипсы ещё выше стоимости наклеек и в России их официально не купить:

Процесс изменения цвета на видео:

По секрету скажу, что наклейка сохраняет работоспособность при разрезании, поэтому для различных экспериментов и исследований её можно порезать на мелкие квадратики. И, например, проверить какие части электронной платы перегреваются в закрытом корпусе, не используя многоканальный регистратор и кучу термопар. А ещё её можно клеить на корпуса редукторов, подшипников и прочей не электрической техники, чтобы отказывать в гарантии, если изделие злостно перегревали.

Процесс выявления нагревающихся контактов с использованием наклеек становится очень простым — открываем щит и внимательно осматриваем все наклейки — не поменяла ли какая из них цвет. Если поменяла — принимаем меры к профилактике. Если щит имеет прозрачное защитное ограждение, то для такого осмотра не нужно звать специально обученного человека, это может сделать даже завхоз, и если какая-то из наклеек поменяла цвет, то тогда вызывать электрика.

Но есть у наклеек один существенный недостаток — они абсолютно бесполезны, если на них никто не смотрит.

▍Пустить газ!

Допустим, если у нас используется какое-то силовое оборудование, отказ которого повлечёт просто астрономический ущерб, например, щит питания опасного химического производства. Оборудование нагруженное, с высоким напряжением и большими токами, поэтому процессы деградации плохого контакта протекают весьма быстро — за считаные недели, а то и дни. В таком случае полагаться на регламентный осмотр нельзя — путь от легкого нагрева до полыхающего пламени будет пройден в период между осмотрами. В таком случае вопрос — а можно сделать так, чтобы наклейка при срабатывании от нагрева контакта могла об этом сообщить сама? Можно!

Это отечественная система «Термосенсор». Представляет собой наклейку, которая при нагревании выше пороговой температуры начинает бурно выделять индикаторный газ. В щит также должен быть установлен датчик, заточенный обнаруживать появление газа из наклейки. Вот на фото наклейки и датчик, присланные по моей просьбе производителем:

Все ноу-хау в материале газовыделяющего полимера. В нем в инкапсулированном состоянии заключён газ. Состав газа и самого полимера подобраны так, что при температурах ниже пороговой, выделение газа незначительно. Но зато при повышении температуры выше пороговой наклейка начинает потрескивать, а её поверхность пучится — оболочки микрокапсул разрывает заключённым в них газом и он вырывается наружу. В качестве индикаторного газа используется разновидность фреона, вроде широко разрекламированного Novec 1230, вы наверняка видели его в видеороликах с «сухой водой». Он негорючий, не токсичный, не вонючий, при комнатной температуре жидкий, химически неактивный, достаточно высокомолекулярный, чтобы долго сохраняться в полимерных капсулах, и главное — в нормальных условиях ему неоткуда взяться в электрощите!

Вместе с оборудованием в щит необходимо установить датчик газа — он постоянно мониторит атмосферу внутри щита, и поднимает тревогу при появлении фреона из наклейки — замыкает контакт и сообщает по сети на пульт. Что делать дальше — зависит от особенностей места установки. Где-то можно произвести аварийное отключение, где-то направить аварийную бригаду для разбирательства на месте. Чтобы упростить поиск сработавшей наклейки, на ней есть термоиндикаторы нагрева, такие же как в разделе выше.

На картинке ускоренный во много раз процесс пученья полимера от выходящего при нагреве газа. Наклейку я разместил на площадку вулканизатора и медленно прогрел. Процесс занял минут 10. Метки справа меняют цвет необратимо при указанной температуре, и позволяют понять — какая из наклеек сработала.

Наклейка содержит довольно много фреона, я взвешивал её до и после нагрева — в маленькой наклейке почти 1 грамм газа, это почти 50% от массы наклейки! Газ хранится в наклейке вполне надёжно — у меня они пролежали год, прежде чем у меня дошли руки до испытаний и написания поста, а учитывая дату производства — на момент моих испытаний им было два года. При нагревании они с потрескиванием выделили газ, что успешно учуял датчик:

На картинке ускоренный в несколько раз процесс выхода газа из полимера наклейки, опущенной в кипяток. Взята наклейка с температурой активации 80°C

Получается автоматическая система мониторинга состояния контактов исключающая человеческий фактор. Рядом с каждым контактом размещаем газовыделяющую термоиндикаторную наклейку. Внутрь щита устанавливаем датчик газа. Если какой-то из контактов начнёт нагреваться — наклейка сработает, выпустит газ, о чем нам на пульт сообщит датчик. Ну а дальше можно принять меры до наступления аварии.

Но у этой системы есть свои недостатки, что ограничивает её повсеместное применение:

1. Система не работает в проветриваемых щитах. Думаю очевидно, если вентиляторы, или естественная конвекция гоняет воздух через щит, то и индикаторный газ будет уноситься, что помешает набраться концентрации, достаточной для обнаружения.
2. Срок службы наклеек и датчиков газа ограничен и значительно меньше, чем у термоиндикаторов, просто меняющих цвет. Так что это не система «поставил и она навеки работает», это как огнетушитель «поставил и через n лет по плану заменил на новые».
3. Из-за неидеальной селективности датчика он срабатывает также на летучие органические соединения, например, бензин, этанол и т.д. Поэтому на время лакокрасочных ремонтных работ систему следует временно отключить — будет ложное срабатывание. Ну и соответственно будут проблемы при эксплуатациях в помещениях, где в воздух может попасть разное нехорошее — гараж, склад горючего и т.д. В некоторых случаях это можно скомпенсировать работой системы из нескольких датчиков, некоторые из них должны быть снаружи щита и определять фон, привнесённый извне.

▍Куда и как закреплять наклейки, чтобы вас не поминали добрым словом каждый раз

Тут всё просто — как можно ближе к месту потенциального нагрева, учитывая следующее:

1. Это обычная наклейка, поэтому как и любая другая наклейка она плохо приклеивается на морозе, а также на грязные, жирные поверхности. Поэтому желательно поверхность предварительно очистить. Неплотный контакт с поверхностью увеличивает температуру, при которой наклейка сработает.
2. Идеальное место для наклейки — в 10-15 мм от контакта. Тепло при нагреве отводится и рассеивается металлом проводников, поэтому чем дальше от контакта — тем больше перепад температуры.
3. Изоляция проводов также хороший теплоизолятор. Ординарная изоляция провода — дает примерно 30-60°C разницы температур между поверхностью и жилой. Двойная изоляция — больше, про это стоит помнить.
4. Наклейка не должна мешать обслуживанию и не блокировать доступ. Иначе электрик её оборвёт, а вас помянет добрым словом.

Ещё раз, нарисовал в виде картинки:

А вот графиком:

Наклейки можно размещать на корпусах приборов, нагрев которых косвенно говорит о проблемах. Например, круглые британские наклейки предназначены для наклеивания на корпус электрической вилки (у британцев они очень своеобразные с плоскостью, где можно разместить наклейку). Срабатывание наклейки на 52°C на корпусе вилки говорит о нагреве контактов вилки — а значит проблема или в самой вилке, или в розетке (а в Британии ещё и очень своеобразная система с объединением проводки в кольцо). Чем больше барьеров между наклейкой и контактом, тем ниже должна быть выбрана температура срабатывания.

▍Эксперименты

Вынесено в отдельный пост и отдельное видео, так как экспериментальная часть получилась примерно такого же объёма.

▍Резюме

1. Плохой контакт со временем становится только хуже и ток, протекая через него, вызывает его нагрев, что может закончиться пожаром.
2. Регламентное обслуживание электрохозяйства, например, два раза в год, позволяет вовремя выявить проблемные соединения до наступления последствий.
3. Тепловизор позволяет электрику одним взглядом на экран выявить места аномального нагрева, но при условии, что нагрев постоянен.
4. Термоиндикаторные наклейки необратимо меняют цвет при нагреве и позволяют даже неподготовленному человеку увидеть места, где был или есть ненормальный нагрев.
5. Газовыделяющие термонаклейки позволяют сформировать сигнал тревоги при аномальном нагреве, обеспечивая непрерывный мониторинг оборудования.
6. Наклейки — это дополнительный инструмент, не нужно пытаться решить ими проблемы, решаемые организационными способами.

▍Видеоверсия

А вот и обещанная видеоверсия, по смыслу она повторяет пост, но я рассказывал импровизируя, поэтому не слово-в-слово: