46

www.elektro.info.pl

7/2002

Zestyki w urz¹dzeniach

i instalacjach elektrycznych s¹

czêsto najbardziej obci¹¿onymi

elementami obwodu elektrycznego.

Wydzielaj¹ce siê w nich ciep³o

powoduje przekroczenie

dopuszczalnych wartoœci

przyrostu temperatury. Wysoka

temperatura w obszarze zestyku

sprawia, ¿e szczególnie nara¿one

na zniszczenie s¹ elementy

i materia³y znajduj¹ce siê

w bezpoœrednim s¹siedztwie

zestyków. Wa¿ne jest, aby zestyki

by³y tak zaprojektowane,

wykonane i u¿ytkowane, ¿eby

w czasie eksploatacji nie sta³y siê

przyczyn¹ powstania

po¿aru.

P

rzedstawione w artyku-
le zagadnienia zwi¹za-
ne s¹ z u¿ytkowaniem

zestyków elektrycznych i omó-
wione zosta³y pod k¹tem bez-
pieczeñstwa po¿arowego.

Zestyki s¹ jednym z wielu

ró¿nych elementów instalacji
i urz¹dzeñ elektrycznych – sta-
nowi¹ czêœæ toru pr¹dowego,
w którym przep³yw pr¹du od-
bywa siê dziêki stycznoœci dwu
powierzchni styków. Styki w ob-
wodach elektrycznych wystêpu-
j¹ jako proste i z³o¿one. Styki
z³o¿one ró¿ni¹ siê od prostych
tym, ¿e posiadaj¹ czêœci ru-
chome wraz z mechanizmem
ich sterowania.

rezystancja

zestykowa

Podstawowym wymaganiem

stawianym dla ka¿dego rodzaju
zestyku jest jego mo¿liwie ma-
³a rezystancja. Jak wiadomo,

przep³ywowi pr¹du elektrycz-
nego w przewodniku towarzyszy
wydzielanie siê ciep³a, a jego
iloœæ zale¿y od kwadratu p³y-
n¹cego w nim pr¹du i w³aœnie
od rezystancji. W pocz¹tkowej
fazie ciep³o, które siê wydziela,
s³u¿y do podgrzania elemen-
tów obwodu do temperatury
normalnej pracy, a jego nadmiar
przekazywany jest do otoczenia.
W momencie, kiedy nastêpuje
wzrost rezystancji zestyku lub
pogorszenie warunków odpro-
wadzenia ciep³a, wzrasta tem-
peratura samego zestyku i ele-
mentów w jego bezpoœrednim
s¹siedztwie. Je¿eli przekroczy
ona dopuszczalne wartoœci,
mog¹ wyst¹piæ zjawiska, które
w konsekwencji doprowadz¹ do
powstania po¿aru. W przypad-
ku wydzielania w zestyku nad-
miernej iloœci ciep³a, mo¿emy
mówiæ o jego awaryjnej pracy.

Powstaj¹ca na powierzchni

styku dwóch przewodników re-
zystancja zestykowa jest naj-

zagro¿enie

po¿arowe

przy awarii

zestyków

mgr in¿. Edward Skiepko

47

7/2002

www.elektro.info.pl

czêstsz¹, a zarazem najniebez-
pieczniejsz¹ przyczyn¹ uszko-
dzeñ zestyków. Przyczyn¹ jej
wyst¹pienia s¹ warstwy naloto-
we, powstaj¹ce w miarê eksplo-
atacji na powierzchni styku. Na-
le¿y równie¿ wspomnieæ o tym,
¿e istotny wp³yw na wartoœæ
rezystancji ma te¿ si³a, z jak¹
dociskane s¹ powierzchnie sty-
ku oraz w³aœciwoœci u¿ytych
na styki materia³ów (np. twar-
doϾ).

W przypadku wyznaczania

rezystancji zestykowej nale¿y
wzi¹æ pod uwagê trzy podsta-
wowe czynniki decyduj¹ce o jej
wartoœci:

n

rezystancjê przewodnika,
którym pr¹d dop³ywa do
zestyku, wynikaj¹c¹ z w ³ a œ-
ciwoœci i rodzaju materia³u
przewodz¹cego pr¹d;

n

rezystancjê ewentualnej
zmiany przekroju (przewê¿e-
nia), w którym p³ynie pr¹d
(rys. 2); zwi¹zana jest ona

z mikrostruktur¹ powierzch-
ni stycznoœci, wystêpuj¹c¹
w okreœlonych warunkach
i zmieniaj¹c¹ siê w wyniku
oddzia³ywañ mechanicz-

nych, elektrycznych i che-
micznych;

n

rezystancjê warstw zewnê-
trznych (nalotowych) wystê-
puj¹cych na powierzchni sty-
ku; rezystancjê warstwy na-

lotowej w zestyku punkto-
wym okreœla wzór:

(1)

R

S

r

nal

nal

nal

p

'

= ρ

π

2

2

Rys. 1 Podzia³ zestyków elektrycznych

F

48

www.elektro.info.pl

7/2002

natomiast w przypadku zestyku
wielopunktowego (rys. 3) zale¿-
noœæ (1) mo¿na przedstawiæ
nastêpuj¹co:

(2)

gdzie:

R

n

R

nal

nal

'

'

=

1

ρ

nal

РrezystywnoϾ warstwy

nalotowej;
r

p

– promieñ zastêpczy po-

wierzchni stycznoœci;
n – liczba punktów stycznoœci;
S

nal

РgruboϾ warstwy naloto-

wej.

W przypadku, kiedy zestyki

pracuj¹ w czystym powietrzu,

na ich powierzchni powstaj¹
praktycznie tylko czyste tlenki
metali. Proces utleniania rozpo-
czyna siê ju¿ bezpoœrednio po
wykonaniu powierzchni styku –
czysta warstwa pokrywa siê
wówczas stopniowo coraz grub-
sz¹ warstw¹ tlenkow¹. Proces
dalszego utleniania nastêpuje
ju¿ dalej w temperaturze oto-
czenia zestyku i przebiega wów-
czas nieco wolniej z racji istnie-
j¹cej ju¿ grubszej warstwy tlen-
kowej, oddzielaj¹cej od siebie
czysty metal i tlen.

W zestykach pracuj¹cych

w warunkach szczególnego zag-
ro¿enia, np. ze zwi¹zkami siar-
ki i chloru, zaobserwowaæ mo¿-
na tworzenie siê warstwy siar-
czków i chlorowców na po-
wierzchniach ich styku. Nato-
miast zestyki pracuj¹ce ju¿
w temperaturze ok. 150°C, któ-
re w czasie swojej pracy s¹ za-
nurzone w oleju mineralnym,
wykazuj¹ tendencje do powsta-
wania na ich powierzchni cz¹s-
tek wêgla z oleju. Spowodowa-
ne jest to zjawiskiem tzw. kok-
sowania siê oleju. Rezystancja
zestykowa zmienia siê w funk-
cji czasu – przede wszystkim
w miarê powiêkszania siê gru-
boœci warstw nalotowych nawet

podczas naturalnej eksploatacji,
wykazuje ona naturaln¹ tenden-
cjê wzrostu a¿ do pewnej war-
toœci krytycznej, kiedy to na
skutek powstaj¹cych wysokich
temperatur mo¿e dojœæ do
zniszczenia zestyku.

awaryjna

praca

zestyku

Rysunek 4 przedstawia mo-

del typowego zestyku instalacji
elektrycznej, w którym mo¿na
wyodrêbniæ dwie strefy. Strefa 1
jest stref¹, w której nastêpuje
wydzielanie siê energii cieplnej,
pochodz¹cej od powsta³ej re-
zystancji zestykowej. Natomiast
w strefie 2 nastêpuje odprowa-
dzenie wydzielonej energii w re-
zystancji przewodnika. W wiêk-
szoœci przypadków obszar styku
jest ograniczony stosunkowo
ma³¹ powierzchni¹ – podobnie
jak w strefie 1 zestyk ma rów-
nie¿ ma³¹ objêtoœæ. Dlatego
te¿ prawdopodobieñstwo bez-
poœredniego zetkniêcia siê tych
dwu obszarów z materia³em
palnym jest bardzo ma³e. Mak-
symalna temperatura w tej stre-
fie mo¿e byæ bardzo wysoka

Rys. 3 Rezystancja warstwy nalotowej w zestyku wielopunktowym

Rys. 2 Przep³yw pr¹du w zestyku punktowym: 1 – powierzchnia stycznoœci

przewodz¹ca pr¹d; 2 – warstwa nalotowa; l – d³ugoœæ strefy przewê¿e-

nia; r

p1

– promieñ (zastêpczy) powierzchni stycznoœci

Szczegó³owe informacje na temat promocji dostêpne s¹ w sieci hurtowni TIM S.A.

oraz na stronach internetowych www.tim.pl

Zbieraj punkty regularnie,

a moc nagród Ciê dopadnie!

Nowe fantastyczne nagrody w promocji

Sieæ dystrybucji

Materia³ów Elektrotechnicznych

PARTNER II

PARTNER II

i osi¹ga czêsto temperaturê
topnienia materia³ów styku.

W strefie 2 przewody dopro-

wadzaj¹ce i odprowadzaj¹ce
pr¹d maj¹ znacznie wiêksz¹
objêtoœæ ni¿ objêtoœæ strefy 1,
dodatkowo w pewnej odleg³oœ-
ci od zestyku wystêpuje palna
izolacja, co mo¿e stanowiæ real-
ne zagro¿enie po¿arowe. Me-
chanizm powstawania zagro¿e-
nia po¿arowego przy uszkodze-
niu izolacji od awaryjnie dzia³a-
j¹cego zestyku, mo¿na opisaæ
nastêpuj¹co: w wyniku powsta-
³ego podczas przep³ywu pr¹du
ciep³a, wydzielonego na styku
przewodników, nastêpuj¹ na-
tychmiastowe nagrzania pewnej
lokalnej strefy przewodników
bezpoœrednio przyleg³ej do
punktu styku. Metal w tym pun-
kcie nagrzewa siê, a nastêpnie
topi i paruje. Przy okreœlonej
wielkoœci natê¿enia pr¹du mo-
¿e nast¹piæ wrzenie metalu,
powoduj¹c wyrzut rozgrzanych

S – powierzchnia przekroju
przewodu.

Przy wyprowadzaniu wzoru

przyjêto pewne za³o¿enia
upraszczaj¹ce i za³o¿ono wy-
stêpowanie sta³ej rezystancji
zestykowej. Zagro¿enie po¿aro-
we od zestyku elektrycznego
mo¿e równie¿ nast¹piæ wów-
czas, gdy:

n

pod wp³ywem wysokiej tem-
peratury nast¹pi wytopienie
zestyku i zapali siê ³uk elek-
tryczny – w takim przypadku
zagro¿enie po¿arowe pocho-
dziæ bêdzie nie bezpoœred-
nio od zestyku, a od ³uku
elektrycznego;

n

elementy przewodz¹ce pr¹d
(zw³aszcza w strefie 2)
przekrocz¹ temperaturê za-
palenia materia³ów palnych
stykaj¹cych siê z nimi.
Decyduj¹cym parametrem

przy przekazywaniu mocy ciepl-
nej zestyku jest temperatura,
która równie¿ w g³ównej mie-

gowe oraz zak³adaj¹c, ¿e po-
³owa mocy wydzielonej w stre-
fie 1 jest przekazywana do stre-
fy 2, otrzymuje siê zale¿noœæ,
z której mo¿na wyznaczyæ roz-
k³ad temperatury wzd³u¿ ze-
styku, umo¿liwiaj¹c¹ przybli-
¿on¹ ocenê zagro¿enia po¿aro-
wego:

(3)

gdzie:
t

n

– temperatura ustalona zesty-

ku,
R

zt

– rezystancja zestyku w tem-

peraturze t,
k – wspó³czynnik oddawania
ciep³a,
A – obwód przekroju poprzecz-
nego przewodu,
λ – wspó³czynnik przewodnoœ-
ci cieplnej materia³u przewo-
dz¹cego,

t

t

I R

k

S A

e

n

zt

kA

S

x

=

+

⋅

⋅ ⋅

⋅

⋅

−

⋅

⋅

2

2

λ

λ

jego kropel, a w przypadku alu-
minium krople te pal¹ siê.
Zmniejszaj¹ca siê objêtoœæ,
w rezultacie parowania lub wy-
rzutu, jeszcze bardziej przyspie-
sza procesy nagrzewania siê
strefy kontaktu przewodników.
Stopienie siê przewodników po-
woduje przerwanie obwodu.
W rezultacie tego zjawiska zani-
ka w tym miejscu pole elektro-
magnetyczne, a jego energia
gromadzi siê na koñcach prze-
wodników, zwiêkszaj¹c napiê-
cie. Powstaje wy³adowanie isk-
rowe, w czasie którego energia
pola elektrycznego zmienia siê
w energiê ciepln¹. Przewodnik
nagrzewa siê na du¿ym odcin-
ku, powoduj¹c pirolizê (rozk-
³ad termiczny) izolacji, a przy
dostatecznie d³ugim czasie
trwania zwarcia – jej zapalenie
siê.

Opieraj¹c siê na bilansie mo-

cy w strefie 2 zestyku i przyjmu-
j¹c odpowiednie warunki brze-

F

TIM

TIM

Oddzia³y TIM S.A.:
Bydgoszcz, tel. [phone]
Gdañsk, tel. [phone]
G³ogów, tel. [phone]
Jelenia Góra, tel. [phone]
Kalisz, tel. [phone]
Katowice, tel. [phone]
K³odzko, tel. [phone]
Konin, tel. [phone]
Kraków, tel. [phone]
Legnica, tel. [phone]
Leszno, tel. [phone]
£ódŸ, tel. [phone]
Nysa, tel. [phone]
Opole, tel. [phone]
Ostrów Wlkp., tel. [phone]
Poznañ, tel. [phone]
Rudy, tel. [phone]
Sieradz, tel. [phone]
Wa³brzych, tel. [phone]
Warszawa, tel. [phone]
Wroc³aw, tel. [phone]
Zielona Góra, tel. [phone]

50

www.elektro.info.pl

7/2002

rze decyduje o zagro¿eniu po-
¿arowym. Temperatura, do ja-
kiej nagrzewaj¹ siê zestyki, za-
le¿na jest od: kszta³tu powierz-
chni zestyku; materia³u, z któ-
rego s¹ wykonane; stanu po-
wierzchni; odleg³oœci od mate-
ria³ów, z którymi bezpoœrednio
s¹siaduj¹ styki; kszta³tu ele-
mentów s¹siaduj¹cych z zesty-
kiem; warunków odbioru ciep³a
(ch³odzenie naturalne lub wy-
muszone, temperatura otocze-
nia itp.).

wnioski

Zestyki elektryczne stanowi¹

element ka¿dego obwodu elek-
trycznego, a od ich prawid³o-
wego stanu zale¿na jest beza-
waryjna praca instalacji i urz¹-
dzeñ. Maj¹ one równie¿ wp³yw
na bezpieczeñstwo po¿arowe,
dlatego przy ich u¿ytkowaniu
nale¿y przestrzegaæ nastêpuj¹-
cych zasad:

n

konieczna jest okresowa kon-
trola stanu powierzchni zes-
tyków,

3. J. Szmitkowski „Metoda

analityczno-eksperymentalna
opracowania zaleceñ
normatywnych dla projektantów
po¿arowo bezpiecznych instala-
cji i urz¹dzeñ elektrycznych
powszechnego u¿ytku”

– Sprawozdanie z realizacji

tematu badawczego
realizowanego w Szkole G³ównej
S³u¿by Po¿arniczej w Warsza-
wie, Warszawa 1996.

z materia³ów, które trudno
ulegaj¹ korozji,

n

w

przypadku zestyków

roz³¹cznych konieczne jest
zapewnienie odpowiedniej
si³y docisku dla powierzchni
styku.

&

literatura

1. J. Maksymiuk, „Aparaty

elektryczne”, WNT, Warszawa

1992,

2. J. Maksymiuk, Z. Pochanke

„Podstawy obliczeñ aparatów

elektroenergetycznych”, WNT,

Warszawa 1976.

n

nie nale¿y umieszczaæ
w pobli¿u zestyków materia-
³ów ³atwopalnych,

n

w przypadku wydzielania siê
w zestyku, w warunkach na-
turalnej pracy, znacznych
iloœci ciep³a, nale¿y zapew-
niæ skuteczne jego odprowa-
dzenie, a w razie koniecz-
noœci zastosowaæ ch³odze-
nie wymuszone,

n

trzeba zapewniæ odpowied-
nie warunki w otoczeniu zes-
tyku bez mo¿liwoœci nara¿e-
nia na dzia³anie substancji
szkodliwych lub powinno siê
wykonaæ elementy zestyku

Rys. 4

Model zestyku elektrycznego:

a) rozp³yw pr¹du

b) rozk³ad temperatury