Barre collettrici in rame e barre collettrici in alluminio sono i due materiali conduttori più comunemente utilizzati nel settore dei sistemi di alimentazione e della distribuzione industriale. A causa delle differenze in termini di costo, disponibilità delle risorse e requisiti tecnici, spesso è necessario collegarli e utilizzarli in applicazioni pratiche. Tuttavia, il collegamento diretto tra sbarre collettrici in rame e in alluminio può comportare gravi rischi per la sicurezza. Questo articolo approfondirà la questione del collegamento diretto tra sbarre collettrici in rame e in alluminio, analizzerà i principi scientifici alla base di tale fenomeno e fornirà soluzioni di collegamento sicure e affidabili per aiutare ingegneri e tecnici a evitare potenziali rischi.
Quando il rame e l'alluminio entrano in contatto diretto, sulla superficie di contatto si forma facilmente un elettrolita sotto l'azione dell'umidità, dell'anidride carbonica e di altre impurità presenti nell'aria, dando così origine a un sistema completo di batteria primaria.
In questa batteria primaria, l’alluminio funge da elettrodo negativo grazie alle sue proprietà chimiche più reattive, mentre il rame funge da elettrodo positivo grazie alle sue proprietà chimiche più stabili. Questa differenza di polarità fa sì che gli atomi di alluminio perdano facilmente elettroni e formino ioni di alluminio, accelerando così l’ossidazione e la corrosione dell’alluminio.
La manifestazione più evidente della corrosione elettrochimica è la formazione di uno strato di sostanza grigio-bianca (ossido di alluminio) sulla superficie di contatto. Questo film di ossido non solo è non conduttivo, ma si ispessisce continuamente nel tempo, determinando un forte aumento della resistenza di contatto. In ambienti umidi o corrosivi, questo processo può accelerare in modo significativo e causare un grave deterioramento delle prestazioni del punto di connessione in breve tempo.
Oltre ai problemi legati alla corrosione elettrochimica, il collegamento diretto tra sbarre collettrici in rame e in alluminio presenta anche la sfida rappresentata dalla discrepanza delle proprietà fisiche. I coefficienti di dilatazione termica del rame e dell’alluminio sono significativamente diversi, con l’alluminio che presenta un coefficiente di dilatazione termica di circa 36% superiore a quello del rame.
Quando la corrente attraversa il punto di connessione, si genera calore a causa dell'effetto di resistenza, provocando la dilatazione del metallo; dopo l'interruzione dell'alimentazione e il raffreddamento, il metallo si restringe nuovamente. Questo ciclo ripetuto di riscaldamento e raffreddamento provoca uno spostamento e la formazione di spazi vuoti tra le superfici di contatto dei due metalli, aumentando ulteriormente la resistenza di contatto.
Il modulo elastico del rame è di circa 110-130 GPa, mentre quello dell’alluminio è di circa 70 GPa. Questa differenza di rigidità determina un comportamento di deformazione disomogeneo dei due materiali in presenza di variazioni di temperatura o di forze esterne. Le barre collettrici in alluminio sono più soggette a deformazione plastica, con conseguente pressione di collegamento insufficiente e punti di contatto allentati.
La durezza del rame è molto superiore a quella dell'alluminio. Quando vengono collegate direttamente, la superficie più morbida della barra collettrice in alluminio viene facilmente intaccata o incisa dal rame, riducendo l'area di contatto effettiva. Dopo un funzionamento prolungato, le barre collettrici in alluminio possono comunque subire un fenomeno di rilassamento delle sollecitazioni, riducendo ulteriormente la stabilità dei punti di collegamento.
Con l'aumentare della resistenza di contatto, quando la corrente attraversa il punto di connessione si genera un notevole riscaldamento per effetto Joule, che provoca un aumento anomalo della temperatura. Quando la temperatura di esercizio supera i 75 °C e persiste per un lungo periodo, il cloruro di polivinile, materiale isolante, si decompone in gas di cloruro di idrogeno, che corrode ulteriormente il conduttore, dando origine a un circolo vizioso.
Il circolo vizioso tra la generazione di calore e la reciproca accelerazione della corrosione è la causa principale del guasto dei punti di connessione tra rame e alluminio. Le alte temperature accelerano il tasso di ossidazione dell’alluminio e l’ispessimento dello strato di ossido aumenta ulteriormente la resistenza di contatto, determinando un continuo aumento della temperatura.
Quando la temperatura nel punto di collegamento è troppo elevata, ciò può causare gravi incidenti quali la fusione del materiale isolante, la formazione di fumo e persino un incendio. Le statistiche dimostrano che una percentuale considerevole degli incendi di origine elettrica è causata dal surriscaldamento dei punti di collegamento.
Il surriscaldamento dei punti di connessione può inoltre ridurre la capacità di protezione del sistema contro i cortocircuiti. Un aumento della resistenza di contatto limiterà la corrente di cortocircuito, impedendo al dispositivo di protezione di intervenire tempestivamente, prolungando così la durata del guasto e ampliando la portata dell'incidente.
Per quanto riguarda la questione dei collegamenti tra rame e alluminio, le normative nazionali in materia hanno definito chiaramente i requisiti per garantire la sicurezza dei collegamenti. Il “Codice per la costruzione e il collaudo dei dispositivi a sbarre collettrici nell’ingegneria degli impianti elettrici” fornisce requisiti chiari per i collegamenti tra metalli diversi: I collegamenti rame-rame possono essere effettuati direttamente in ambienti asciutti, ma devono essere stagnati in ambienti umidi o corrosivi; l’alluminio può essere collegato direttamente all’alluminio; il rame e l’alluminio devono essere stagnati con conduttori in rame in ambienti asciutti, mentre in ambienti esterni o ad alta umidità devono essere utilizzate piastre di transizione rame-alluminio.
La specifica sottolinea che il trattamento della superficie di sovrapposizione in corrispondenza del collegamento tra rame e alluminio è fondamentale. Quando si utilizza una piastra di transizione rame-alluminio, l'estremità in rame deve essere stagnata per ridurre la differenza di potenziale e migliorare la stabilità del collegamento.
Per i collegamenti via cavo, si raccomanda di utilizzare dispositivi di collegamento specifici, quali tubi di collegamento in rame-alluminio o terminali in rame-alluminio, in conformità alle normative vigenti. Questi dispositivi specializzati garantiscono un collegamento affidabile tra rame e alluminio grazie a processi specifici, riducendo efficacemente la corrosione elettrochimica.
Le piastre di transizione in rame-alluminio (o terminali di transizione in rame-alluminio) rappresentano attualmente la soluzione di collegamento più sicura e affidabile. Questo dispositivo utilizza processi speciali, come la saldatura a flash, per unire in modo permanente il rame e l’alluminio, formando un legame metallurgico all’interfaccia, isolando efficacemente l’aria e l’umidità e prevenendo la corrosione elettrochimica.
Il rivestimento in stagno dell'area di collegamento delle sbarre collettrici in rame in un ambiente asciutto rappresenta una soluzione economica ed efficace. Il potenziale elettrochimico standard dello stagno (-0,14 V) si colloca tra quello del rame e quello dell'alluminio, il che consente di ridurre la differenza di potenziale di contatto. Il rivestimento in stagno può inoltre impedire l'ossidazione dei conduttori in rame e migliorare la stabilità del collegamento.
L'applicazione di una pasta conduttiva (grasso composito elettrico) sulla superficie di contatto può migliorare efficacemente le prestazioni del collegamento. La pasta conduttiva è composta da polvere metallica e grasso organico. Sebbene la sua resistività elettrica non sia elevata, è in grado di riempire i microvuoti della superficie di contatto, creare un effetto tunnel e migliorare la conduttività. Allo stesso tempo, è in grado di isolare l’ossigeno e l’umidità e di inibire la corrosione.
Per applicazioni di alto livello è possibile utilizzare il nuovo materiale costituito da una barra collettrice composita in rame-alluminio. È realizzato a base di alluminio e rivestito di rame nello strato esterno; grazie a processi speciali si ottiene un legame a livello atomico, che combina la leggerezza e il basso costo dell’alluminio con l’eccellente conduttività del rame.
Il motivo principale per cui le sbarre collettrici in rame e quelle in alluminio non possono essere collegate direttamente è dovuto alle notevoli differenze tra loro in termini di corrosione elettrochimica e proprietà fisiche. Il collegamento diretto può causare gravi incidenti quali l'ossidazione dei punti di contatto, il surriscaldamento e persino incendi.
La chiave per garantire la sicurezza dei collegamenti tra rame e alluminio risiede nell'adozione di soluzioni di transizione adeguate, quali piastre di transizione rame-alluminio, il trattamento di stagnatura o l'utilizzo di dispositivi di collegamento specializzati, nonché nel rigoroso rispetto delle specifiche di costruzione. Solo prestando attenzione a questi dettagli tecnici è possibile garantire il funzionamento sicuro e stabile a lungo termine del sistema elettrico.
