Электроматериаловедение изучает состав, строение, электрические, магнитные, механические и тепловые свойства материалов, применяемых в электрических цепях. Слесарю КИПиА необходимо уметь выбирать провод, контакт, изолятор, сердечник, припой и защитное покрытие по паспорту прибора, условиям работы и требованиям взрывозащиты.
Применение в КИПиА: Пример: в цепи датчика 4–20 мА важны сопротивление жил, стойкость изоляции, экранирование, температура эксплуатации и требования к искробезопасным цепям.
К основным характеристикам относятся удельное электрическое сопротивление ρ, удельная проводимость σ, электрическая прочность изоляции, диэлектрические потери и температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление однородной жилы при равномерной температуре вычисляют по R = ρ·l/S. При нагревании сопротивление металлического проводника обычно увеличивается.
Применение в КИПиА: Учебный расчёт: медная жила длиной 20 м и площадью 0,5 мм² при 20 °C, если ρ ≈ 0,0175 Ом·мм²/м, имеет R ≈ 0,7 Ом. Для двухпроводной петли длина токового пути удваивается: около 1,4 Ом без учёта контактов и температуры.
Медь имеет хорошую проводимость, пластичность и пригодна для многих кабелей и контактных соединений. Алюминий легче, но требует специально рассчитанных контактов и защиты от окисления; произвольное соединение разнородных металлов недопустимо. Серебро, золото и никель применяют в покрытиях контактов по назначению. Сплавы высокого сопротивления, например нихром и константан, используют для резистивных элементов и специальных датчиков.
Применение в КИПиА: Для обмотки реле выбирают эмалированный обмоточный провод паспортного диаметра. Замена на провод другого сечения меняет сопротивление, ток и нагрев катушки.
Качество электрического контакта зависит от материала, поверхности, контактного усилия, окисления и нагрева. Повышенное переходное сопротивление приводит к падению напряжения и локальному перегреву. Применяют клеммы, гильзы и наконечники, предусмотренные изготовителем; алюминиевые и медные жилы соединяют совместимыми зажимами. Нельзя очищать контакт так, чтобы удалить функциональное защитное покрытие.
Применение в КИПиА: При ремонте шкафа АСУ ТП проверяют отсутствие нагара, цвета побежалости, ослабления зажимов и повреждения изоляции. Момент затяжки берут из документации.
Рис. 3. Изоляция обмоточного провода и типичный дефект
Диэлектрики имеют высокое удельное сопротивление, но в реальных условиях обладают токами утечки, диэлектрическими потерями и ограниченной электрической прочностью. Используют керамику, стекло, слюду, бумагу, лаки, полимерные материалы. Важны влагопоглощение, старение, температура, стойкость к маслу и реагентам. Выбор изоляции зависит от электрического напряжения и эксплуатационной среды.
Применение в КИПиА: Наружная оболочка кабеля и изоляция жил решают разные задачи. Степень IP корпуса не определяет электрическую прочность его внутренних изоляторов.
Поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилен, сшитый полиэтилен, фторполимеры и силиконовые материалы отличаются допустимой температурой, гибкостью, химической стойкостью и поведением при горении. Условия применения устанавливаются стандартом и паспортом конкретного кабеля. Нельзя считать любую оболочку «негорючей» по цвету или названию полимера.
Применение в КИПиА: Для открытой площадки газового промысла выбирают кабель с необходимой морозостойкостью, механической защитой и совместимостью с Ex-кабельным вводом.
В измерительных цепях применяют контрольные кабели, сигнальные пары, специальные термопарные и компенсационные провода, кабели связи. Экран ослабляет влияние электромагнитных помех; подключение экрана определяют проектом, особенно для искробезопасных цепей. Маркировку расшифровывают по стандарту или техническим условиям конкретного изделия.
Применение в КИПиА: Нельзя заменять термопарный компенсационный провод обычным медным без проверки применимости: появится дополнительная термо-ЭДС и ошибка измерения.
Ферромагнитные материалы применяют в сердечниках трансформаторов, электромагнитов, реле и индуктивностей. Мягкомагнитные материалы легко перемагничиваются и пригодны для переменных полей; твёрдомагнитные сохраняют намагниченность и используются в постоянных магнитах. Важны магнитная проницаемость, насыщение, коэрцитивная сила, потери на вихревые токи и гистерезис.
Применение в КИПиА: Замена материала сердечника или изменение воздушного зазора катушки меняет индуктивность, ток, усилие электромагнита и характеристики срабатывания.
К полупроводниковым материалам относятся кремний и другие соединения с управляемой проводимостью. p–n-переход лежит в основе диодов; транзисторы выполняют усиление и переключение, полупроводниковые датчики реагируют на температуру, освещённость и другие величины. При обращении с модулями и платами соблюдают меры защиты от электростатического разряда (ESD).
Применение в КИПиА: Термистор имеет существенную температурную зависимость сопротивления: NTC обычно снижает сопротивление при повышении температуры, PTC в указанном диапазоне — повышает.
Платина, никель и медь используются в отдельных термопреобразователях сопротивления, соответствующих установленным характеристикам. Термопарные сплавы образуют пару проводников с термо-ЭДС, зависящей от разности температур. Нельзя менять тип термопары или её проводников без изменения измерительной схемы и конфигурации прибора.
Применение в КИПиА: Платиновый термопреобразователь Pt100 имеет номинальное сопротивление 100 Ом при 0 °C. Конкретную зависимость R(T) задаёт стандарт или документация датчика.
При соединении проводников и элементов применяют разрешённые припои, флюсы и материалы очистки. Неподходящий флюс способен вызвать коррозию и токи утечки; остатки удаляют согласно технологии. Для клемм с винтовым зажимом лужение многопроволочной жилы допускается только если это разрешено изготовителем, иначе возможна ползучесть мягкого припоя.
Применение в КИПиА: В чувствительных входах КИПиА особенно критичны поверхностные загрязнения, влага и остатки активного флюса.
Эксплуатация при перегреве, повышенной влажности, ультрафиолете, вибрации и воздействии химических веществ ухудшает свойства изоляции и контактов. Типичные признаки: растрескивание, изменение цвета, оплавление, обугливание, окисление, снижение сопротивления изоляции. Материал выбирают по механическим, электрическим и климатическим требованиям, а также совместимости с процессной средой.
Применение в КИПиА: При наличии дефекта нельзя просто закрыть обуглившийся участок изолентой и считать оборудование исправным: требуется установить причину и восстановить конструкцию по документации.
13. Применение материалов на газодобывающих объектах
Особые условия: возможная загазованность, взрывоопасные зоны, мороз, конденсат, влажность и вибрация. Ex-маркировка относится к оборудованию или компоненту в пределах подтверждённых условий, а не возникает автоматически у кабеля или изоляции. Для цепей Ex i учитывают электрические параметры барьеров и кабелей. Замена материала уплотнений, компаунда и кабельного ввода может нарушить взрывозащиту.
Применение в КИПиА: Для датчика давления на УКПГ проверяют совместимость кабеля, оболочки, уплотнения, защитного покрытия и климатического исполнения по проекту и руководству изготовителя.
Перед обслуживанием электроприборов исключают непреднамеренную подачу питания, выполняют требуемые меры электробезопасности, а в газовой зоне — процедуры допуска. При проверке сопротивления изоляции отключают чувствительные электронные цепи по методике. При пайке учитывают ожоги, дым и вентиляцию. Отходы материалов и растворителей обращают по установленному порядку.
Применение в КИПиА: Контроль включает идентификацию материала, внешний осмотр, сопоставление маркировки с паспортом, измерение сопротивления и изоляции в допустимых режимах, оформление результатов.
Как зависят сопротивление жилы от её длины и площади сечения?
Почему запрещена произвольная замена обмоточного провода?
Чем изоляция отличается от кабельной оболочки?
Что определяет сопротивление контакта?
Для чего служит экран сигнального кабеля?
Чем мягкомагнитный материал отличается от твёрдомагнитного?
Почему необходимо учитывать ESD при замене модулей ПЛК?
Чем отличаются NTC и PTC?
Почему компенсационный термопарный провод нельзя заменить любым медным?
Какие требования особенно важны для Ex-оборудования на газовом объекте?
Источники
Федеральный закон № 102-ФЗ (для метрологического применения); ТР ТС 012/2011 (для оборудования взрывоопасных сред); ГОСТ 31610.0-2019 (требования к Ex-оборудованию); ГОСТ 6651-2009 (термопреобразователи сопротивления), эксплуатационные документы изготовителей кабелей, приборов и материалов. Стандарт применяют только в пределах его области действия.
