Почему нельзя использовать для соединения медных контактов метизы (болты, гайки, шайбы) из углеродистой стали

В народе бытует мнение, что в соединениях проводников с высоким током можно использовать метизы из углеродистой стали. Забыв, что необходимо обеспечение стабильности сжимающего усилия в контактном соединении. А главное, чтобы линейное расширение стяжного болта или шпильки при нагреве от холодного состояния до рабочей температуры, соответствующей установившемуся режиму протекания рабочего тока, несущественно отличалось от увеличения размера толщины стягиваемого пакета в том же режиме.

В процессе электромонтажа токонесущие детали стягиваются в холодном состоянии некоторым усилием , соответствующим растягивающему напряжению  и относительному удлинению  стяжных болтов или шпилек.

При разогреве контактного соединения до установившегося теплового состояния в режиме рабочего тока контактный пакет достигает рабочей температуры , а стяжной

болт или шпилька — до температуры  (в общем случае  не равно ).

С учетом коэффициентов линейного расширения контактного пакета  и стяжного болта  имеет место различие линейного расширения стяжного болта и контактного пакета, вследствие чего стяжной болт будет иметь относительное удлинение  и соответственно изменится напряжение в стяжных болтах и усилие стяжки.

Приведенный ниже элементарный расчет показывает существенное влияние различного термического расширения стяжных болтов или шпилек и стягиваемого пакета на усилие сжатия, определяющее переходное сопро­тивление контактного сопротивления.

Исходные данные для расчета приведены ниже:

1. Материал токонесущих деталей контактного пакета — медь и сплав на медной .основе (например, медные шины, башмак в виде медной доски, кабельные наконечники в виде литья из бронзы или латуни) с усредненным коэффициентом линейного расширения в области рабочих температур пакета 1/град.

2. Материал стяжных болтов — малоуглеродистая сталь с коэффициентом линейного расширения в области рабочих температур болтов  1/град.

3. Температура нагрева контактного пакета при протекании номинального тока .

4. Температура нагрева стяжных болтов при протекании номинального тока  (болты из магнитной стали подвергаются  значительному дополнительному нагреву за счет вихревых токов).

5. Напряжерастяжения стяжных болтов в холодном состоянии при .

Расчет

Относительное увеличение толщины контактного пакета после нагрева до 70°С.

Относительное удлинение стяжного болта после нагрева до 120°С :

Разность относительных расширений  стяжного болта и контактного пакета в результате нагрева:

Учитывая, что при стяжке пакета напряжение растяжение в болтах достигло значения , определяем по формуле закона Гука упругую деформацию болта, возникшую в результате этого напряжения:

Сопоставление величин показывает, что в результате термического расширения стяжной болт получил удлинение на 29% больше упругой деформации, которую этот болт имел от предварительной затяжки в холодном состоянии. Это означает, что в данных конкретных условиях при разности рабочих температур стяжного болта и пакета 50°С контактное соединение с болтами из углеродистой стали полностью теряет усилие сжатия, а контакт оказывается неработоспособным.