Contrôles des matériaux pour les blocs de jonction

Dans l'optique de cycles de vie longs des blocs de jonction, le comportement au vieillissement joue également un rôle important. Cet essai permet de garantir la qualité de contact dans le cas d'un vieillissement simulé. Pour simuler une utilisation de plusieurs années, cinq blocs de jonction sont montés à l'horizontale sur un rail et raccordés en série à l'aide de conducteurs de la section nominale. La chute de tension est mesurée au niveau de chaque bloc de jonction relié par un conducteur d'une longueur minimale de 300 mm. Dans la chambre d'essai climatique, la température inférieure est réglée sur +20 °C. La température supérieure, quant à elle, est réglée de manière à ce que la température de service maximale admissible (max. +120 °C) de l'objet testé soit atteinte pendant la phase d'arrêt de 10 minutes. Le courant assigné circule pendant la phase de chauffage et la phase d'arrêt à température maximale. La température de service maximale autorisée de l'échantillon de test est ainsi atteinte (maximum +130 °C). Ensuite, ils sont soumis à la phase de refroidissement. La chute de tension est mesurée après 24 cycles à l'état refroidi (env. +20 °C). Cet essai comprend 192 cycles au total. La chute de tension ne doit pas dépasser 3,2 mV au début de l'essai et 4,8 mV ou 1,5 fois la valeur mesurée après le 24e cycle pendant ou après l'essai. Les blocs de jonction de Phoenix Contact sont conçus pour une durée de vie extrême, même dans des conditions thermiques difficiles. Les plastiques comme les pièces métalliques offrent des réserves de sécurité suffisantes.

Depuis mars 2013, la norme EN 45545-2 a remplacé les normes nationales de sécurité incendie pour les véhicules ferroviaires. L'état actuel EN 45545-:2013+A1:2015 définit les exigences relatives au comportement au feu des matériaux et des composants. Afin de qualifier les plastiques destinés à certaines catégories de conception et d'utilisation de véhicules ferroviaires, la norme s'appuie sur des méthodes d'essais visant à déterminer les niveaux de danger, ce que l'on appelle en anglais « Hazard Levels » (HL). HL 3 correspond ici à l'exigence la plus élevée. Afin de qualifier les plastiques destinés à des applications électrotechniques, on effectue les contrôles suivants :

• Indice de l'oxygène selon DIN EN ISO 4589-2
• Formation de gaz de combustion selon EN ISO 5659-2 (25 kW/m²)
• Toxicité des fumées NF X70-100-2 (600 °C)
• Essai vertical à la flamme selon EN 60695-11-10
  Les polyamides non renforcés de la catégorie ignifuge UL 94 V0 utilisés dans les blocs de jonction de Phoenix Contact répondent aux exigences les plus élevées. Ils satisfont aux exigences de la catégorie ignifuge HL3 selon les tests décrits dans les règlements R22, R23, R24 et R26.

La norme UL 94 décrit les essais d'inflammabilité particulièrement importants pour l'électrotechnique. Le comportement au feu est le point central de ces essais. La classification s'effectue en UL 94 HB (Horizontal Burn) ou UL 94 V (Vertical Burn). La configuration des essais spécifie que les classifications UL-94-V0/1/2 sont supérieures aux classifications UL-94HB.

UL 94 V0/1/2
Après conditionnement, l'échantillon est positionné verticalement et soumis à une flamme pendant 10 secondes à plusieurs reprises. Entre deux flambées, on mesure le temps jusqu'à ce que l'échantillon s'éteigne. Ensuite, les durées de persistance à la flamme et la production de gouttelettes enflammées sont analysées. Le plastique utilisé pour les blocs de jonction de Phoenix Contact satisfait aux critères les plus stricts et bénéficie d'une classification en tant que matériau V0.

La charge calorifique se définit comme la quantité d'énergie libérée sur une surface donnée en cas d'incendie. La valeur de la charge calorifique est généralement exprimée en MJ/m². Cette valeur est calculée à partir du pouvoir calorifique d'une substance et du facteur de combustion (DIN 18230-1). Plus le pouvoir calorifique et la teneur d'une substance sont élevés, plus la quantité d'énergie libérée en cas d'incendie est importante. Par conséquent, plus la charge d'incendie possible est élevée. Cela s'applique à tous les composants installés dans l'application considérée. Les pouvoirs calorifiques des polyamides tels que le PA 6.6 sont relativement élevés (à titre de comparaison, le pouvoir calorifique du fioul domestique est d'environ 44 MJ/kg). C'est pourquoi le pouvoir calorifique des blocs de jonction est de plus en plus souvent pris en compte lors de la détermination de la charge calorifique. Les valeurs calorifiques des matières plastiques utilisées chez Phoenix Contact conformément à la norme DIN 51900-2 et à la norme ASTM E 1354 figurent dans le tableau suivant. Pour calculer la charge calorifique des composants individuels, le pouvoir calorifique de chaque polyamide doit être multiplié par le poids de la pièce et le nombre d'articles montés. L'émission de chaleur est documentée dans le calorimètre à cône selon la norme ISO 5660-1 pour les matériaux plastiques.

En cas de surcharge, les pièces métalliques conductrices du bloc de jonction ou des conducteurs raccordés peuvent s'échauffer fortement. Cette chaleur supplémentaire influe sur le boîtier plastique. Pour simuler cette source de danger, sur les composants électriques, un fil incandescent est chauffé à une certaine température (+550 °C, +650 °C, +750 °C, +850 °C ou +960 °C). Le fil est ensuite pressé à angle droit avec une force de 1 N sur le point le plus fin du boîtier de l'échantillon de test, comme le montre l'illustration.
L'essai est considéré comme réussi s'il fournit les résultats suivants :

• lorsqu'aucune flamme ou phénomène d'incandescence n'apparaît ;
• lorsque les flammes ou phénomènes d'incandescence disparaissent dans les 30 secondes suivant le retrait du fil incandescent ;
• lorsque la couche de papier de soie située sous le fil incandescent ne s'enflamme pas suite à la chute de gouttes brûlantes.

Les polyamides utilisés par Phoenix Contact comme matériaux des boîtiers satisfont pleinement aux exigences de l'essai au fil incandescent à +960 °C (niveau de température le plus élevé).

Dans l'essai correspondant, une charge thermique accrue sur le bloc de jonction est simulée sur une plus longue période de temps. À cette fin, le comportement des matières plastiques à des températures toujours plus élevées est examiné du point de vue de la résistance à la traction (flexibilité mécanique). La norme exige au moins trois, mais de préférence quatre, séries de mesures de température différentes sur un spécimen. La résistance à la traction est mesurée avant et après un stockage de 500 h - 5 000 h, selon la spécification, et le résultat est extrapolé à 10 000 h (HCI) et 20 000 h (TI). Cela permet de déterminer la température à laquelle la résistance à la traction a diminué de moitié après les 20 000 heures mentionnées. La norme CEI 60216 spécifie un indice de température fournissant une indication sur la durée de vie en service des plastiques sous charge thermique.
Valeurs TI selon UL 94 V2 : +105 °C
Valeurs TI selon UL 94 V0 : +125 °C

L'humidité dépend de la température et de la pression atmosphérique. Plus l'air est chaud, plus il peut absorber d'humidité. Une humidité de 100 % reflète la saturation maximale de la vapeur d'eau dans l'air à la température correspondante. L'essai décrit ici comprend un ou plusieurs cycles de température avec une humidité élevée (>90 à 100 % à +40 °C ou +55 °C). Les boîtiers du bloc de jonction sont généralement fabriqués en polyamide. Ces plastiques absorbent l'eau de manière proportionnelle et modifient donc également leur élasticité. Les polyamides PA6 et PA66 peuvent absorber des taux d'humidité de plus de 8 % en poids lorsqu'ils sont stockés dans l'eau à environ +80 °C pendant plusieurs jours. L'absorption d'humidité est également associée à une modification des dimensions due au « gonflement ». Dans des conditions climatiques réelles, le polyamide absorbe environ 2 à 4 % d'humidité avec une variation de longueur de 0,6 à 0,8 %. Après avoir subi les cycles d'essai, il faut s'assurer de la bonne fixation, de l'opérabilité et de la fonction des blocs de jonction au moyen d'un essai d'isolement et d'un essai de serrage du conducteur.
Pour le niveau de sévérité de l'essai A, les blocs de jonction sont soumis à deux cycles à +40 °C.
Pour le niveau de sévérité de l'essai B, les blocs de jonction sont soumis à un cycle à +55 °C.

L'essai à la chaleur sèche suivant est utilisé pour évaluer l'aptitude d'un composant à fonctionner, à être stocké ou transporté à haute température.

Une distinction est faite entre les échantillons de test émettant de la chaleur et ceux n'en émettant pas. Les blocs de jonction appartiennent à cette dernière catégorie et sont donc soumis au scénario d'essai Bb (avec changement graduel de température). Les intensités sont définies par la température et la durée de la contrainte. Dans le cas des blocs de jonction, l'étanchéité et le bon fonctionnement doivent être assurés ultérieurement par un essai d'isolement et un contrôle de la fixation du conducteur.

L'intensité pour les blocs de jonction de Phoenix Contact est de +85 °C et 168 h.

Le rôle clé des parties métalliques des connexions électriques est particulièrement évident dans les environnements agressifs. Des zones de contact exemptes de corrosion sont indispensables pour obtenir des connexions performantes et à basse impédance. Cette méthode décrit un essai de résistance à la corrosion en climat saturé dans une atmosphère chargée d'anhydride sulfureux. Il se forme alors des liaisons acides < pH 7 qui attaquent les surfaces métalliques. Deux litres d'eau distillée et un litre de gaz SO2 sont placés dans la chambre d'essai. À une température d'essai de +40 °C, de l'acide sulfureux (H2SO3) se forme en cours d'essai. Au bout de huit heures, les échantillons de test sont séchés pendant 16 heures avec la porte ouverte. Pour déterminer plus précisément l'influence de cet essai de corrosion sur la position de contact, on procède à la fin de l'essai à un contrôle visuel des échantillons de test ainsi qu'à des mesures de la résistance de contact. Les blocs de jonction de Phoenix Contact garantissent des connexions de grande qualité, étanches aux gaz et qui ne peuvent pas être altérées par des substances agressives.

En particulier dans la construction navale et pour les applications offshore, les composants techniques doivent fonctionner en permanence dans une atmosphère corrosive. La teneur en sel de l'air, associée à une forte humidité, impose des exigences élevées pour les pièces métalliques utilisées. Sur la base de la norme mentionnée ci-dessus, il est possible de simuler la charge dans un climat maritime. La résistance des pièces métalliques et de la protection anti-corrosion est testée dans une atmosphère corrosive par le biais d'un brouillard salin. Dans ce test, les échantillons de test sont amenés dans la chambre d'essai et vaporisés, de manière finement dosée, d'une solution de chlorure de sodium à 5 % (NaCl : pH de 6,5 - 7,2) à une température de +35 °C pendant 96 heures. Afin de mieux évaluer l'influence sur les points de contact, un test électrique est effectué à la fin de l'essai en plus de l'inspection visuelle des échantillons de test. Les blocs de jonction de Phoenix Contact, quelle que soit la technologie de raccordement, réalisent des connexions étanches au gaz. C'est pourquoi les points de contact sont protégés contre la corrosion, même dans des conditions climatiques extrêmes.

L'humidité et la poussière favorisent le cheminement du courant de fuite sur la surface en plastique. Le cheminement du courant de fuite correspond à la formation de connexions conductrices entre des potentiels voisins. La relation de dépendance des potentiels par rapport à leur différence de tension sous des influences électrolytiques est prise en considération. La valeur CTI d'un plastique indique dans quelle mesure ce cheminement de lignes de fuite peut être entravé. Deux électrodes de circuit imprimé sont disposées sur un échantillon test de 20 mm x 20 mm x 3 mm à une distance de 4 mm. Une tension d'essai conforme à la prescription de la norme est appliquée sur les deux électrodes. Ensuite, un dispositif contenant une solution d'électrolyte verse une goutte sur les électrodes toutes les 30 secondes. Le test évalue la valeur maximale de la tension sans un flux de courant >0,5 A. Les plastiques utilisés par Phoenix Contact ont une valeur CTI de 600, ce qui les classe dans la catégorie supérieure de tension d'essai.

Le comportement au feu en cas de contact direct avec une source d'ignition est un critère important lors de l'utilisation des blocs de jonction. Une source d'ignition peut, par exemple, être un arc électrique sur une ligne de fuite. Les blocs de jonction ne doivent pas favoriser ou accélérer le feu et les plastiques doivent être auto-extinguibles. Cet essai permet de simuler le comportement d'une pièce vis-à-vis d'une source d'ignition externe agissant directement sur elle. Cette méthode d'essai consiste à appliquer une flamme nue, alimentée avec du butane, à un angle de 45 ° pendant 10 secondes sur une arête ou sur la surface de l'échantillon de test (voir figure). Le comportement de l'échantillon de test sans source d'ignition est
observé. L'essai est validé lorsque les flammes ou phénomènes d'incandescence disparaissent dans les 30 secondes suivant le retrait du fil incandescent et lorsque la couche de papier de soie située sous l'échantillon de test ne s'enflamme pas suite à la chute de gouttes brûlantes. Tous les blocs de jonction de Phoenix Contact sont soumis, en raison des plastiques utilisés et de leur conception, à l'essai au brûleur-aiguille.

Pour évaluer l'inflammabilité superficielle et la propagation de la flamme du plastique, l'indice « Flame-Spread-Index » est déterminé selon la norme ASTM E 162. À cette fin, un échantillon est irradié par une source de chaleur et, en outre, enflammé par une flamme nue. Pendant la durée de l'essai, on détermine la durée nécessaire pour que le front de flamme atteigne deux points de mesure éloignés l'un de l'autre. L'indice « Flame-Spread-Index » est le résultat du produit de cette durée de propagation des flammes avec un coefficient de propagation thermique calculé. Par ailleurs, la production de gouttelettes enflammées de plastique est observée et évaluée pendant l'essai. En Amérique, l'indice « Flame-Spread-Index » maximal peut être de 35. Les blocs de jonction de Phoenix Contact atteignent une valeur de 5 et ne génèrent pas de gouttelettes enflammées. Ainsi, les blocs de jonction se situent bien en-dessous des valeurs maximales admissibles de la norme « Federal Railroad Administration (FRA) » du Ministère Américain des transports.

La norme EN ISO 5659-2 décrit une méthode d'évaluation du développement de la fumée d'un matériau en cas d'incendie sous l'effet d'une chaleur radiante supplémentaire. L'essai porte sur un total de six spécimens, testés individuellement dans une chambre d'essai hermétiquement fermée. Les spécimens doivent être carrés (75 mm x 75 mm), avec une surface plane et une épaisseur maximale de 25 mm. Ils sont enveloppés dans une feuille d'aluminium de manière à ce qu'une surface de contrainte de 65 mm x 65 mm reste libre uniquement sur la face supérieure. Pour les essais, le spécimen est fixé horizontalement dans un dispositif et exposé sur sa surface à une irradiation de 25 kW/m² pendant 10 minutes. L'essai est réalisé sur trois échantillons sans lampe témoin et sur trois avec lampe témoin. L'épaisseur optique spécifique est mesurée par photométrie. Tout d'abord, les changements de valeur du faisceau lumineux groupé frappant un photocapteur sont mesurés en mV. (Pleine lumière = 100 %, obscurité = 0 %).
Les valeurs déterminées sont converties à l'aide de la formule suivante et indiquées comme épaisseur optique :
Dsmax = 132 * log 10/100 Tmin

Légende : 1. système de mesure optique 2. régulateur de pression 3. trajet de la lumière 4. ouverture d'entrée d'air supérieure (zone supérieure) et ouverture de sortie d'air inférieure, reliée au ventilateur d'évacuation (en bas) 5. chambre 6. dispositif de chauffage à cône 7. fenêtre 8. brûleur à flamme pilote 9. spécimen dans le porte-spécimen 10. dispositif de pesage 11. porte verrouillable 12. fenêtre optique 13. source de lumière

La norme DIN EN ISO 4589-2 décrit un test permettant d'évaluer le comportement au feu des matières plastiques sur la base d'un indice d'oxygène (IO). Pour les plastiques, tels que ceux utilisés dans l'industrie électrique, un format de feuille d'une longueur de 70 à 150 mm, d'une largeur de 6,5 mm (±0,5 mm) et d'une épaisseur de 3 mm (±0,25 mm) doit être utilisé pour les essais. Cette plaque est montée verticalement dans un cylindre de verre, entourée d'un mélange oxygène-azote et éclairée sur le bord supérieur par une flamme de gaz propane. Ensuite, le comportement de la combustion est analysé pour différentes teneurs en oxygène du gaz environnant. L'allumage consiste en une flamme de 30 secondes maximum suivie d'une pause de 5 secondes. La flamme est répétée par étapes de 5 secondes jusqu'à ce que le spécimen brûle en surface. L'objectif est d'obtenir un temps de combustion de 180 secondes après avoir retiré la flamme de propane. Pas plus de 50 mm, mesurés à partir du bord allumé, ne doivent avoir coulé ou fondu pendant la combustion. Des interruptions de feu ≤1 s sont autorisées. Si la flamme s'éteint avant que les 180 s se soient écoulées, la mesure est évaluée comme « O » et la teneur en oxygène est augmentée pour le cycle suivant. Si la flamme a duré les 180 s, la mesure est évaluée comme « X » et la teneur en oxygène est réduite pour le cycle suivant. Sur plusieurs spécimens, une précision du seuil d'oxygène (auquel l'échantillon brûle encore) de ≤1 % par rapport aux cycles « O » est déterminée. Ce résultat est ensuite utilisé pour calculer l'indice d'oxygène OI.

1. Cheminée
2. Trappe de cheminée
3. Porte-échantillon de test
4. Blindage en treillis métallique
5. Diffuseur et chambre de mélange
6. Appareil de mesure de la température quelconque
7. Tube
8. Échantillon d'essai
9. Mélange oxygène-azote
10. Source d'inflammation

La norme EN 60695-11-10 est utilisée pour évaluer le comportement au feu. Le matériau est enflammé avec un brûleur-aiguille standardisé de 50 W. Pour ce faire, un échantillon de test rectangulaire en forme de tige doit être créé au préalable. Cet échantillon de test doit avoir une dimension de 125 mm x 13 mm et une épaisseur de 0,1 à 12 mm au choix. Dans la méthode d'essai « A », trois échantillons sont nécessaires. Pendant l'essai, chaque tige est fixée horizontalement et la vitesse de combustion linéaire est mesurée à titre d'évaluation. À cette fin, deux marques ont été préalablement appliquées à 25 mm et 100 mm chacune. Selon le degré de brûlure, la classification est « HB // HB 40 // HB 75 // ou, si la marque de 100 mm est dépassée, avec

v= L/t * 60 s/min

v = vitesse du feu
L = longueur mesure de dommage
t = temps

Dans la méthode d'essai « B », cinq échantillons sont nécessaires, chaque tige étant suspendue verticalement à une extrémité et l'extrémité libre étant soumises pendant 10 s à une flamme de contrôle. Un support en coton se trouve sous l'échantillon de test. Le temps de postcombustion t1 est alors déterminé. Immédiatement après, une seconde flamme est appliquée pendant 10 s supplémentaires avec mesure du temps de postcombustion t2 et du temps de rémanence t3. Aucune goutte brûlante ne doit tomber et enflammer le support. Les valeurs mesurées sont calculées pour l'évaluation comme suit :

tf = (t1,1 +t2,1)(t1,2 +t2,2)(t1,3 +t2,3)(t1,4 +t2,4)(t1,5 +t2,5)