Koperen stroomrails en aluminium stroomrails zijn de twee meest gebruikte geleidende materialen op het gebied van energiesystemen en industriële stroomverdeling. Vanwege verschillen in kosten, beschikbaarheid van grondstoffen en technische vereisten moeten ze in de praktijk vaak met elkaar worden verbonden en samen worden gebruikt. Het rechtstreeks verbinden van koperen en aluminium stroomrails kan echter ernstige veiligheidsrisico’s met zich meebrengen. In dit artikel wordt dieper ingegaan op de kwestie van de rechtstreekse verbinding tussen koperen en aluminium stroomrails, worden de wetenschappelijke principes hierachter geanalyseerd en worden veilige en betrouwbare verbindingsoplossingen geboden om ingenieurs en technici te helpen potentiële risico’s te vermijden.
Wanneer koper en aluminium rechtstreeks met elkaar in contact komen, ontstaat er op het contactoppervlak onder invloed van vocht, kooldioxide en andere onzuiverheden in de lucht al snel een elektrolyt, waardoor een volledig primair batterijsysteem ontstaat.
In deze primaire batterij fungeert aluminium als negatieve elektrode vanwege zijn actievere chemische eigenschappen, terwijl koper als positieve elektrode fungeert vanwege zijn stabielere chemische eigenschappen. Door dit verschil in polariteit verliezen aluminiumatomen gemakkelijk elektronen en vormen ze aluminiumionen, waardoor de oxidatie en corrosie van aluminium worden versneld.
De zichtbare uiting van elektrochemische corrosie is de vorming van een laag grijs-witte substantie (aluminiumoxide) op het contactoppervlak. Deze oxidefilm is niet alleen niet-geleidend, maar wordt in de loop van de tijd ook steeds dikker, wat leidt tot een sterke toename van de contactweerstand. In vochtige of corrosieve omgevingen kan dit proces aanzienlijk versnellen en binnen korte tijd leiden tot een ernstige verslechtering van de prestaties van het verbindingspunt.
Naast problemen met elektrochemische corrosie vormt ook het verschil in fysische eigenschappen een uitdaging bij de directe verbinding van koperen en aluminium stroomrails. De thermische uitzettingscoëfficiënten van koper en aluminium verschillen aanzienlijk; die van aluminium is ongeveer 36% hoger dan die van koper.
Wanneer er stroom door het verbindingspunt vloeit, ontstaat er door de weerstand warmte, waardoor het metaal uitzet; na een stroomstoring en afkoeling krimpt het weer. Deze herhaalde cyclus van opwarmen en afkoelen leidt tot verplaatsing en spleten tussen de contactoppervlakken van de twee metalen, waardoor de contactweerstand verder toeneemt.
De elasticiteitsmodulus van koper bedraagt ongeveer 110-130 GPa, terwijl die van aluminium ongeveer 70 GPa bedraagt. Dit verschil in stijfheid leidt tot een verschillend vervormingsgedrag van de twee materialen bij temperatuurschommelingen of onder invloed van externe krachten. Aluminium stroomrails zijn gevoeliger voor plastische vervorming, wat resulteert in onvoldoende aansluitdruk en losse contactpunten.
Koper is veel harder dan aluminium. Bij een directe verbinding wordt het zachtere oppervlak van de aluminium stroomrail gemakkelijk door het koper ingesneden of ingedrukt, waardoor het effectieve contactoppervlak afneemt. Na langdurig gebruik kunnen aluminium stroomrails bovendien last krijgen van spanningsrelaxatie, waardoor de stabiliteit van de verbindingspunten nog verder afneemt.
Naarmate de contactweerstand toeneemt, ontstaat er een grote hoeveelheid Joule-warmte wanneer de stroom door het verbindingspunt vloeit, wat leidt tot een abnormale temperatuurstijging. Wanneer de bedrijfstemperatuur langerdurend hoger is dan 75 °C, zal het isolatiemateriaal polyvinylchloride ontleden tot waterstofchloridegas, dat de geleider verder aantast en zo een vicieuze cirkel vormt.
De vicieuze cirkel van warmteontwikkeling en wederzijdse bevordering van corrosie is de belangrijkste oorzaak van het falen van verbindingspunten tussen koper en aluminium. Hoge temperaturen versnellen de oxidatiesnelheid van aluminium, en de verdikking van de oxidelaag verhoogt de contactweerstand nog verder, wat leidt tot een voortdurende stijging van de temperatuur.
Wanneer de temperatuur op het aansluitpunt te hoog is, kan dit leiden tot ernstige ongevallen, zoals het smelten van isolatiemateriaal, rookontwikkeling en zelfs brand. Uit statistieken blijkt dat een aanzienlijk deel van de elektrische branden wordt veroorzaakt door oververhitting van aansluitpunten.
Oververhitting van aansluitpunten kan ook het kortsluitbeveiligingsvermogen van het systeem verminderen. Een toename van de contactweerstand zal de kortsluitstroom beperken, waardoor de beveiligingsinrichting niet tijdig in werking treedt, de duur van de storing wordt verlengd en de omvang van het ongeval toeneemt.
Wat betreft de aansluitingen tussen koper en aluminium zijn in de relevante nationale voorschriften de eisen voor veilige aansluitingen duidelijk vastgelegd. De “Code voor de constructie en oplevering van railinstallaties in de elektrotechnische installatietechniek” bevat duidelijke eisen voor aansluitingen tussen verschillende metalen: Koper-koperverbindingen kunnen in een droge ruimte rechtstreeks worden aangesloten, maar moeten in vochtige of corrosieve omgevingen worden vertind; aluminium kan rechtstreeks op aluminium worden aangesloten; koper en aluminium moeten in een droge ruimte met koperen geleiders worden vertind, en in buitenomgevingen of omgevingen met een hoge luchtvochtigheid moeten overgangsplaten voor koper en aluminium worden gebruikt.
In de specificatie wordt benadrukt dat de afwerking van het overlappende oppervlak bij de koper-aluminiumverbinding van cruciaal belang is. Bij gebruik van een koper-aluminium overgangsplaat moet het koperen uiteinde worden vertind om het potentiaalverschil te verminderen en de stabiliteit van de verbinding te verbeteren.
Voor kabelverbindingen wordt aanbevolen om, conform de voorschriften, speciale verbindingsmiddelen te gebruiken, zoals koper-aluminium-verbindingsbuizen of koper-aluminium-aansluitklemmen. Deze speciale middelen zorgen door middel van speciale processen voor een betrouwbare overgang tussen koper en aluminium, waardoor elektrochemische corrosie effectief wordt verminderd.
Overgangsplaten van koper en aluminium (of koper-aluminium-overgangsklemmen) zijn momenteel de veiligste en meest betrouwbare verbindingsoplossing. Bij dit systeem worden speciale processen, zoals flashlassen, gebruikt om koper en aluminium duurzaam met elkaar te verbinden, waardoor er op het raakvlak een metallurgische verbinding ontstaat die lucht en vocht effectief afschermt en elektrochemische corrosie voorkomt.
Het aanbrengen van een tinlaag op het verbindingsgebied van de koperen stroomrail in een droge omgeving is een voordelige en effectieve oplossing. De standaardelektrodepotentiaal van tin (-0,14 V) ligt tussen die van koper en aluminium in, waardoor het contactpotentiaalverschil kan worden verminderd. De tinlaag kan bovendien oxidatie van koperen geleiders voorkomen en de stabiliteit van de verbinding verbeteren.
Het aanbrengen van geleidende pasta (elektrisch composietvet) op het contactoppervlak kan de verbindingskwaliteit effectief verbeteren. Geleidende pasta bestaat uit metaalpoeder en organisch vet. Hoewel de elektrische weerstand ervan niet hoog is, kan het de microholtes in het contactoppervlak opvullen, een tunneleffect vormen en de geleidbaarheid verbeteren. Tegelijkertijd kan het zuurstof en vocht afschermen en corrosie tegengaan.
Voor toepassingen met hoge eisen kan het nieuwe materiaal van de koper-aluminium composiet-busbar worden gebruikt. Dit materiaal is op basis van aluminium en aan de buitenkant voorzien van een koperlaag, waarbij door middel van speciale processen een binding op atomair niveau tot stand wordt gebracht. Zo worden het lichte gewicht en de lage kosten van aluminium gecombineerd met de uitstekende geleidbaarheid van koper.
De belangrijkste reden waarom koperen en aluminium stroomrails niet rechtstreeks met elkaar kunnen worden verbonden, is te wijten aan de aanzienlijke verschillen in elektrochemische corrosie en fysische eigenschappen tussen beide materialen. Een rechtstreekse verbinding kan ernstige ongevallen veroorzaken, zoals oxidatie van de contactpunten, oververhitting en zelfs brand.
De sleutel tot het waarborgen van de veiligheid van koper-aluminiumverbindingen ligt in het toepassen van geschikte overgangsoplossingen, zoals koper-aluminium overgangsplaten, een vertiningsbehandeling of het gebruik van gespecialiseerde verbindingselementen, en in het strikt naleven van de bouwvoorschriften. Alleen door aandacht te besteden aan deze technische details kunnen we een veilige en stabiele werking van het elektriciteitsnet op de lange termijn garanderen.
