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Pourquoi ne peut-on pas raccorder directement un jeu de barres en cuivre à un jeu de barres en aluminium ?
Introduction
Barres omnibus en cuivre et barres omnibus en aluminium sont les deux matériaux conducteurs les plus couramment utilisés dans le domaine des réseaux électriques et de la distribution industrielle. En raison des différences de coût, de disponibilité des ressources et d’exigences techniques, il est souvent nécessaire de les raccorder et de les utiliser conjointement dans des applications concrètes. Cependant, la connexion directe de barres omnibus en cuivre et en aluminium peut présenter de graves risques pour la sécurité. Cet article se penche sur la question de la connexion directe entre les barres omnibus en cuivre et en aluminium, analyse les principes scientifiques qui la sous-tendent et propose des solutions de connexion sûres et fiables afin d’aider les ingénieurs et les techniciens à éviter les risques potentiels.
1. Corrosion électrochimique : effet destructeur lié au fonctionnement des piles primaires
Lorsque le cuivre et l'aluminium entrent en contact direct, la surface de contact forme facilement un électrolyte sous l'action de l'humidité, du dioxyde de carbone et d'autres impuretés présentes dans l'air, créant ainsi un système complet de pile primaire.
Dans cette pile primaire, l'aluminium fait office d'électrode négative en raison de ses propriétés chimiques plus réactives, tandis que le cuivre fait office d'électrode positive en raison de ses propriétés chimiques plus stables. Cette différence de polarité fait que les atomes d'aluminium perdent facilement des électrons et forment des ions d'aluminium, ce qui accélère l'oxydation et la corrosion de l'aluminium.
La manifestation visible de la corrosion électrochimique est la formation d'une couche de substance gris-blanc (oxyde d'aluminium) sur la surface de contact. Ce film d'oxyde est non seulement non conducteur, mais il s'épaissit également de manière continue au fil du temps, ce qui entraîne une forte augmentation de la résistance de contact. Dans des environnements humides ou corrosifs, ce processus peut s'accélérer considérablement et entraîner une grave détérioration des performances du point de connexion en peu de temps.
2. Différences de propriétés physiques : inadéquation entre la dilatation thermique et les propriétés mécaniques
Outre les problèmes de corrosion électrochimique, la connexion directe de barres omnibus en cuivre et en aluminium pose également le problème de l'incompatibilité des propriétés physiques. Les coefficients de dilatation thermique du cuivre et de l'aluminium sont très différents, celui de l'aluminium étant environ 36% plus élevé que celui du cuivre.
Lorsque le courant traverse le point de connexion, de la chaleur est générée en raison de l'effet de résistance, ce qui provoque la dilatation du métal ; après une coupure de courant et le refroidissement, celui-ci se contracte à nouveau. Ce cycle répété d'échauffement et de refroidissement entraîne un déplacement et l'apparition d'espaces entre les surfaces de contact des deux métaux, ce qui augmente encore davantage la résistance de contact.
Le module d'élasticité du cuivre est d'environ 110 à 130 GPa, tandis que celui de l'aluminium est d'environ 70 GPa. Cette différence de rigidité entraîne un comportement différent des deux matériaux face aux variations de température ou aux forces externes. Les barres omnibus en aluminium sont plus sujettes à la déformation plastique, ce qui se traduit par une pression de connexion insuffisante et des points de contact desserrés.
La dureté du cuivre est bien supérieure à celle de l'aluminium. Lorsqu'elles sont mises en contact direct, la surface plus tendre de la barre omnibus en aluminium est facilement entaillée ou enfoncée par le cuivre, ce qui réduit la surface de contact effective. Après un fonctionnement prolongé, les barres omnibus en aluminium peuvent également subir une relaxation des contraintes, ce qui réduit encore davantage la stabilité des points de connexion.
3. Chauffage des points de raccordement : un risque pour la sécurité dans un cercle vicieux
À mesure que la résistance de contact augmente, un important échauffement par effet Joule se produit lorsque le courant traverse le point de connexion, ce qui entraîne une élévation anormale de la température. Lorsque la température de fonctionnement dépasse 75 °C et se maintient pendant une longue période, le chlorure de polyvinyle (PVC) utilisé comme matériau isolant se décompose en gaz chlorhydrique, ce qui corrode davantage le conducteur et entraîne un cercle vicieux.
Le cercle vicieux entre la production de chaleur et l'accélération réciproque de la corrosion est la principale cause de défaillance des points de connexion cuivre-aluminium. Les températures élevées accélèrent le taux d'oxydation de l'aluminium, et l'épaississement de la couche d'oxyde augmente encore davantage la résistance de contact, ce qui entraîne une hausse continue de la température.
Lorsque la température au niveau d'un point de raccordement est trop élevée, cela peut entraîner des accidents graves, tels que la fusion des matériaux isolants, la formation de fumée, voire un incendie. Les statistiques montrent qu'une part considérable des incendies d'origine électrique est due à la surchauffe des points de raccordement.
La surchauffe des points de connexion peut également réduire la capacité de protection du système contre les courts-circuits. Une augmentation de la résistance de contact limitera le courant de court-circuit, ce qui empêchera le dispositif de protection de se déclencher à temps, prolongeant ainsi la durée du défaut et aggravant l'ampleur de l'accident.
4. Normes et standards : exigences de sécurité du secteur
En ce qui concerne les raccordements cuivre-aluminium, les réglementations nationales applicables ont clairement défini les exigences relatives à la sécurité de ces raccordements. Le “ Code de construction et de réception des dispositifs de barres omnibus dans les installations électriques ” énonce des exigences précises pour les raccordements entre différents métaux : Les raccordements cuivre-cuivre peuvent être réalisés directement dans un local sec, mais doivent être étamés dans des environnements humides ou corrosifs ; l’aluminium peut être raccordé directement à l’aluminium ; le cuivre et l’aluminium doivent être étamés avec des conducteurs en cuivre dans un local sec, et des plaques de transition cuivre-aluminium doivent être utilisées à l’extérieur ou dans des environnements à forte humidité.
La spécification souligne que le traitement de la surface de chevauchement au niveau de la jonction cuivre-aluminium est essentiel. En cas d'utilisation d'une plaque de transition cuivre-aluminium, l'extrémité en cuivre doit être étamée afin de réduire la différence de potentiel et d'améliorer la stabilité de la connexion.
Pour les raccordements de câbles, il est recommandé d'utiliser des dispositifs de raccordement spécialisés, tels que des tubes de raccordement cuivre-aluminium ou des cosses cuivre-aluminium, conformément à la réglementation. Ces dispositifs spécialisés assurent une transition fiable entre le cuivre et l'aluminium grâce à des procédés spécifiques, ce qui permet de réduire efficacement la corrosion électrochimique.
5. Solution de connexion sécurisée : une solution professionnelle et fiable
Les plaques de transition cuivre-aluminium (ou bornes de transition cuivre-aluminium) constituent actuellement la solution de raccordement la plus sûre et la plus fiable. Ce dispositif utilise des procédés spéciaux, tels que le soudage par étincelage, pour assembler de manière permanente le cuivre et l'aluminium, formant ainsi une liaison métallurgique au niveau de l'interface, ce qui permet d'isoler efficacement l'air et l'humidité et d'empêcher la corrosion électrochimique.
Le revêtement à l'étain de la zone de raccordement des barres omnibus en cuivre dans un environnement sec constitue une solution économique et efficace. Le potentiel d'électrode standard de l'étain (-0,14 V) se situe entre celui du cuivre et celui de l'aluminium, ce qui permet de réduire la différence de potentiel de contact. Le revêtement à l'étain permet également d'empêcher l'oxydation des conducteurs en cuivre et d'améliorer la stabilité des connexions.
L'application d'une pâte conductrice (graisse composite électrique) sur la surface de contact permet d'améliorer efficacement les performances de connexion. La pâte conductrice est composée de poudre métallique et de graisse organique. Bien que sa résistivité électrique ne soit pas élevée, elle permet de combler les micro-vides de la surface de contact, de créer un effet tunnel et d'améliorer la conductivité. Par ailleurs, elle permet d'isoler l'oxygène et l'humidité et d'empêcher la corrosion.
Pour les applications haut de gamme, il est possible d'utiliser le nouveau matériau que constitue la barre omnibus composite cuivre-aluminium. Ce matériau est à base d'aluminium et recouvert d'une couche externe de cuivre ; grâce à des procédés spéciaux, il permet d'obtenir une liaison au niveau atomique, alliant ainsi la légèreté et le faible coût de l'aluminium à l'excellente conductivité du cuivre.
Conclusion
La principale raison pour laquelle les barres omnibus en cuivre et celles en aluminium ne peuvent pas être raccordées directement tient aux différences importantes qui existent entre elles en matière de corrosion électrochimique et de propriétés physiques. Un raccordement direct peut entraîner des accidents graves, tels que l'oxydation des points de contact, un échauffement, voire un incendie.
La clé pour garantir la sécurité des raccordements cuivre-aluminium réside dans l'adoption de solutions de transition appropriées, telles que les plaques de transition cuivre-aluminium, le revêtement à l'étain ou l'utilisation de dispositifs de raccordement spécialisés, ainsi que dans le respect strict des spécifications de construction. Ce n'est qu'en prêtant attention à ces détails techniques que nous pourrons garantir un fonctionnement sûr et stable à long terme du réseau électrique.
