Kupfer-Sammelschienen und Aluminium-Sammelschienen sind die beiden am häufigsten verwendeten leitfähigen Werkstoffe im Bereich der Energieversorgungssysteme und der industriellen Stromverteilung. Aufgrund von Unterschieden hinsichtlich Kosten, Verfügbarkeit der Ressourcen und technischer Anforderungen müssen sie in der Praxis oft miteinander verbunden und gemeinsam eingesetzt werden. Die direkte Verbindung von Kupfer- und Aluminium-Sammelschienen kann jedoch ernsthafte Sicherheitsrisiken mit sich bringen. Dieser Artikel befasst sich eingehend mit dem Thema der direkten Verbindung zwischen Kupfer- und Aluminium-Sammelschienen, analysiert die dahinterstehenden wissenschaftlichen Prinzipien und stellt sichere und zuverlässige Verbindungslösungen vor, die Ingenieuren und Technikern helfen sollen, potenzielle Risiken zu vermeiden.
Wenn Kupfer und Aluminium in direkten Kontakt kommen, bildet sich an der Kontaktfläche unter Einwirkung von Feuchtigkeit, Kohlendioxid und anderen Verunreinigungen in der Luft leicht ein Elektrolyt, wodurch ein vollständiges Primärbatteriesystem entsteht.
In dieser Primärbatterie fungiert Aluminium aufgrund seiner aktiveren chemischen Eigenschaften als negative Elektrode, während Kupfer aufgrund seiner stabileren chemischen Eigenschaften als positive Elektrode dient. Dieser Polaritätsunterschied führt dazu, dass Aluminiumatome leicht Elektronen abgeben und Aluminiumionen bilden, wodurch die Oxidation und Korrosion von Aluminium beschleunigt wird.
Ein sichtbares Anzeichen für elektrochemische Korrosion ist die Bildung einer Schicht aus einer grau-weißen Substanz (Aluminiumoxid) auf der Kontaktfläche. Dieser Oxidfilm ist nicht nur nicht leitfähig, sondern wird mit der Zeit auch immer dicker, was zu einem starken Anstieg des Kontaktwiderstands führt. In feuchten oder korrosiven Umgebungen kann sich dieser Prozess erheblich beschleunigen und innerhalb kurzer Zeit zu einer erheblichen Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der Verbindungsstelle führen.
Neben Problemen mit elektrochemischer Korrosion stellt die direkte Verbindung von Kupfer- und Aluminium-Sammelschienen zudem eine Herausforderung hinsichtlich der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften dar. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kupfer und Aluminium unterscheiden sich erheblich, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium etwa 36% höher ist als der von Kupfer.
Wenn Strom durch die Verbindungsstelle fließt, entsteht aufgrund des Widerstandseffekts Wärme, die zu einer Ausdehnung des Metalls führt; nach einem Stromausfall und dem Abkühlen zieht es sich wieder zusammen. Dieser sich wiederholende Zyklus aus Erwärmung und Abkühlung führt zu Verschiebungen und Spalten zwischen den Kontaktflächen der beiden Metalle, wodurch sich der Kontaktwiderstand weiter erhöht.
Der Elastizitätsmodul von Kupfer liegt bei etwa 110–130 GPa, während der von Aluminium bei etwa 70 GPa liegt. Dieser Unterschied in der Steifigkeit führt bei Temperaturänderungen oder unter Einwirkung äußerer Kräfte zu einem unterschiedlichen Verformungsverhalten der beiden Werkstoffe. Aluminium-Sammelschienen neigen stärker zur plastischen Verformung, was zu einem unzureichenden Anpressdruck und lockeren Kontaktstellen führt.
Die Härte von Kupfer ist deutlich höher als die von Aluminium. Bei einer direkten Verbindung wird die weichere Oberfläche der Aluminium-Sammelschiene leicht vom Kupfer eingeschnitten oder eingedrückt, wodurch sich die effektive Kontaktfläche verringert. Nach längerem Betrieb kann es bei Aluminium-Sammelschienen zudem zu einer Spannungsrelaxation kommen, was die Stabilität der Verbindungspunkte weiter beeinträchtigt.
Mit steigendem Kontaktwiderstand entsteht beim Durchfließen des Stroms durch die Verbindungsstelle eine starke Joule-Erwärmung, was zu einem ungewöhnlichen Temperaturanstieg führt. Wenn die Betriebstemperatur 75 °C überschreitet und dieser Zustand über einen längeren Zeitraum anhält, zersetzt sich das Isoliermaterial Polyvinylchlorid zu Chlorwasserstoffgas, das den Leiter weiter korrodiert und so einen Teufelskreis auslöst.
Der Teufelskreis aus Wärmeentwicklung und gegenseitiger Korrosionsförderung ist der Hauptgrund für das Versagen von Kupfer-Aluminium-Verbindungsstellen. Hohe Temperaturen beschleunigen die Oxidationsrate von Aluminium, und die Verdickung der Oxidschicht erhöht den Kontaktwiderstand weiter, was zu einem anhaltenden Temperaturanstieg führt.
Ist die Temperatur an der Verbindungsstelle zu hoch, kann dies zu schweren Unfällen führen, wie zum Beispiel zum Schmelzen von Isoliermaterial, zur Rauchentwicklung und sogar zu einem Brand. Statistiken zeigen, dass ein beträchtlicher Anteil der elektrischen Brände durch Überhitzung von Verbindungsstellen verursacht wird.
Eine Überhitzung der Anschlussstellen kann zudem die Kurzschlussschutzfähigkeit des Systems beeinträchtigen. Ein Anstieg des Kontaktwiderstands begrenzt den Kurzschlussstrom, was dazu führt, dass die Schutzeinrichtung nicht rechtzeitig anspricht, wodurch sich die Dauer des Fehlers verlängert und das Ausmaß des Unfalls vergrößert wird.
Was die Frage der Kupfer-Aluminium-Verbindungen betrifft, so sind die Anforderungen an sichere Verbindungen in den einschlägigen nationalen Vorschriften klar definiert. Die “Vorschriften für den Bau und die Abnahme von Sammelschienenanlagen in der Elektroinstallationstechnik” enthalten klare Vorgaben für Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen: Kupfer-Kupfer-Verbindungen können in trockenen Räumen direkt verbunden werden, müssen jedoch in feuchten oder korrosiven Umgebungen verzinnt werden; Aluminium kann direkt mit Aluminium verbunden werden; Kupfer und Aluminium sollten in trockenen Räumen mit Kupferleitern verzinnt werden, und in Außenbereichen oder Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit sollten Übergangsplatten aus Kupfer und Aluminium verwendet werden.
In der Spezifikation wird betont, dass die Behandlung der überlappenden Fläche an der Kupfer-Aluminium-Verbindung von entscheidender Bedeutung ist. Bei Verwendung einer Kupfer-Aluminium-Übergangsplatte sollte das Kupferende verzinnt werden, um die Potentialdifferenz zu verringern und die Verbindungsstabilität zu verbessern.
Für Kabelverbindungen wird empfohlen, spezielle Verbindungselemente wie Kupfer-Aluminium-Verbindungsrohre oder Kupfer-Aluminium-Klemmen gemäß den geltenden Vorschriften zu verwenden. Diese speziellen Elemente gewährleisten durch spezielle Verfahren einen zuverlässigen Übergang zwischen Kupfer und Aluminium und reduzieren so wirksam die elektrochemische Korrosion.
Kupfer-Aluminium-Übergangsplatten (oder Kupfer-Aluminium-Übergangsklemmen) sind derzeit die sicherste und zuverlässigste Verbindungslösung. Bei dieser Vorrichtung werden spezielle Verfahren wie das Blitzschweißen eingesetzt, um Kupfer und Aluminium dauerhaft miteinander zu verbinden. Dadurch entsteht an der Grenzfläche eine metallurgische Verbindung, die Luft und Feuchtigkeit wirksam abschirmt und elektrochemische Korrosion verhindert.
Die Verzinnung des Anschlussbereichs der Kupferschiene in einer trockenen Umgebung ist eine wirtschaftliche und effektive Lösung. Das Standardelektrodenpotential von Zinn (-0,14 V) liegt zwischen dem von Kupfer und Aluminium, wodurch die Kontaktpotentialdifferenz verringert werden kann. Die Zinnbeschichtung kann zudem die Oxidation von Kupferleitern verhindern und die Verbindungsstabilität verbessern.
Das Auftragen von leitfähiger Paste (elektrisches Verbundfett) auf die Kontaktfläche kann die Verbindungsleistung wirksam verbessern. Leitfähige Paste besteht aus Metallpulver und organischem Fett. Obwohl ihr elektrischer spezifischer Widerstand nicht hoch ist, kann sie die Mikrohohlräume der Kontaktfläche ausfüllen, einen Tunneleffekt erzeugen und die Leitfähigkeit verbessern. Gleichzeitig kann sie Sauerstoff und Feuchtigkeit fernhalten und Korrosion verhindern.
Für Anwendungen mit hohen Anforderungen kann das neue Material aus Kupfer-Aluminium-Verbund-Sammelschienen verwendet werden. Es basiert auf Aluminium und ist an der Außenseite mit Kupfer beschichtet, wobei durch spezielle Verfahren eine Verbindung auf atomarer Ebene erreicht wird, die die Leichtigkeit und die niedrigen Kosten von Aluminium mit der hervorragenden Leitfähigkeit von Kupfer verbindet.
Der Hauptgrund, warum Kupferstromschienen und Aluminiumstromschienen nicht direkt miteinander verbunden werden können, liegt in den erheblichen Unterschieden hinsichtlich der elektrochemischen Korrosion und der physikalischen Eigenschaften zwischen beiden Materialien. Eine direkte Verbindung kann zu schweren Unfällen wie Oxidation an den Kontaktstellen, Überhitzung und sogar Bränden führen.
Der Schlüssel zur Gewährleistung der Sicherheit von Kupfer-Aluminium-Verbindungen liegt in der Anwendung geeigneter Übergangslösungen, wie beispielsweise Kupfer-Aluminium-Übergangsplatten, einer Verzinnung oder der Verwendung spezieller Verbindungsvorrichtungen, sowie in der strikten Einhaltung der Ausführungsvorschriften. Nur wenn wir diese technischen Details beachten, können wir den langfristigen sicheren und stabilen Betrieb des Stromnetzes gewährleisten.
