Miedziane szyny zbiorcze oraz szyny aluminiowe są to dwa najczęściej stosowane materiały przewodzące w dziedzinie systemów energetycznych i dystrybucji przemysłowej. Ze względu na różnice w kosztach, dostępności surowców oraz wymaganiach technicznych często konieczne jest ich łączenie i stosowanie w praktycznych zastosowaniach. Jednak bezpośrednie połączenie szyn miedzianych i aluminiowych może stwarzać poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa. W niniejszym artykule omówimy kwestię bezpośredniego połączenia szyn miedzianych i aluminiowych, przeanalizujemy zasady naukowe leżące u jego podstaw oraz przedstawimy bezpieczne i niezawodne rozwiązania w zakresie połączeń, które pomogą inżynierom i technikom uniknąć potencjalnych zagrożeń.
Gdy miedź i aluminium stykają się bezpośrednio, na powierzchni styku pod wpływem wilgoci, dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń zawartych w powietrzu łatwo powstaje elektrolit, tworząc w ten sposób kompletny układ baterii pierwotnej.
W tym ogniwie pierwotnym aluminium pełni rolę elektrody ujemnej ze względu na swoje bardziej aktywne właściwości chemiczne, natomiast miedź pełni rolę elektrody dodatniej ze względu na swoje bardziej stabilne właściwości chemiczne. Ta różnica biegunowości powoduje, że atomy aluminium łatwo tracą elektrony i tworzą jony glinu, co przyspiesza utlenianie i korozję aluminium.
Intuicyjnym przejawem korozji elektrochemicznej jest tworzenie się warstwy szaro-białej substancji (tlenku glinu) na powierzchni styku. Ta warstwa tlenku jest nie tylko nieprzewodząca, ale z upływem czasu stale pogrubia się, co prowadzi do gwałtownego wzrostu rezystancji styku. W środowiskach wilgotnych lub korozyjnych proces ten może ulec znacznemu przyspieszeniu i spowodować poważne pogorszenie działania punktu połączenia w krótkim czasie.
Oprócz problemów związanych z korozją elektrochemiczną, bezpośrednie połączenie szyn miedzianych i aluminiowych wiąże się również z wyzwaniem wynikającym z rozbieżności właściwości fizycznych. Współczynniki rozszerzalności cieplnej miedzi i aluminium znacznie się różnią, przy czym współczynnik rozszerzalności cieplnej aluminium jest o około 36% wyższy niż miedzi.
Gdy prąd przepływa przez punkt połączenia, w wyniku działania oporu powstaje ciepło, powodujące rozszerzalność metalu; po zaniku zasilania i ostygnięciu metal ponownie się kurczy. Ten powtarzający się cykl nagrzewania i ochładzania powoduje przemieszczenie i powstawanie szczelin między powierzchniami stykowymi obu metali, co dodatkowo zwiększa opór styku.
Moduł sprężystości miedzi wynosi około 110–130 GPa, natomiast aluminium – około 70 GPa. Ta różnica w sztywności powoduje, że oba materiały zachowują się inaczej pod wpływem zmian temperatury lub sił zewnętrznych. Szyny zbiorcze z aluminium są bardziej podatne na odkształcenia plastyczne, co skutkuje niewystarczającym dociskiem połączeń i poluzowaniem punktów styku.
Twardość miedzi jest znacznie wyższa niż twardość aluminium. W przypadku bezpośredniego połączenia bardziej miękka powierzchnia aluminiowej szyny zbiorczej ulega łatwo nacięciu lub wgnieceniu przez miedź, co zmniejsza efektywną powierzchnię styku. Po długotrwałej eksploatacji w aluminiowych szynach zbiorczych może nadal dochodzić do relaksacji naprężeń, co dodatkowo obniża stabilność punktów połączeń.
Wraz ze wzrostem rezystancji styku, gdy prąd przepływa przez punkt połączenia, powstaje znaczna ilość ciepła Joule’owskiego, co powoduje nadmierny wzrost temperatury. Gdy temperatura robocza przekracza 75°C i utrzymuje się przez dłuższy czas, materiał izolacyjny – polichlorek winylu – ulega rozkładowi, uwalniając gazowy chlorowodór, który powoduje dalszą korozję przewodu, tworząc w ten sposób błędne koło.
Błędne koło polegające na wytwarzaniu ciepła i wzajemnym przyspieszaniu korozji jest główną przyczyną uszkodzeń połączeń miedziano-aluminiowych. Wysoka temperatura przyspiesza tempo utleniania aluminium, a pogrubienie warstwy tlenku dodatkowo zwiększa opór styku, co prowadzi do dalszego wzrostu temperatury.
Gdy temperatura w miejscu połączenia jest zbyt wysoka, może to spowodować poważne wypadki, takie jak stopienie się materiału izolacyjnego, wydzielanie dymu, a nawet pożar. Statystyki wskazują, że znaczna część pożarów o charakterze elektrycznym wynika z przegrzania miejsc połączeń.
Przegrzanie punktów połączeń może również osłabić zdolność systemu do zabezpieczenia przed zwarciem. Wzrost rezystancji styku ograniczy prąd zwarciowy, co spowoduje, że urządzenie zabezpieczające nie zadziała w odpowiednim czasie, przedłużając czas trwania usterki i zwiększając zasięg awarii.
Jeśli chodzi o kwestię połączeń miedziano-aluminiowych, odpowiednie przepisy krajowe jasno określają wymagania dotyczące bezpiecznych połączeń. “Przepisy dotyczące budowy i odbioru urządzeń szyn zbiorczych w inżynierii instalacji elektrycznych” zawierają jasne wymagania dotyczące połączeń różnych metali: Połączenia miedziano-miedziane można wykonywać bezpośrednio w suchym pomieszczeniu, jednak w środowiskach wilgotnych lub korozyjnych należy je ocynować; aluminium można łączyć bezpośrednio z aluminium; połączenia miedzi z aluminium w suchym pomieszczeniu należy ocynować za pomocą przewodów miedzianych, a w środowiskach zewnętrznych lub o wysokiej wilgotności należy stosować płytki przejściowe miedziano-aluminiowe.
W specyfikacji podkreślono, że kluczowe znaczenie ma sposób obróbki powierzchni styku w miejscu połączenia miedzi z aluminium. W przypadku stosowania płytki przejściowej miedziano-aluminiowej końcówkę miedzianą należy ocynować, aby zmniejszyć różnicę potencjałów i poprawić stabilność połączenia.
W przypadku połączeń kablowych zaleca się stosowanie specjalistycznych elementów łączących, takich jak rurki łączące miedziano-aluminiowe lub końcówki miedziano-aluminiowe, zgodnie z przepisami. Elementy te zapewniają niezawodne połączenie między miedzią a aluminium dzięki zastosowaniu specjalnych procesów, skutecznie ograniczając korozję elektrochemiczną.
Płytki przejściowe miedziano-aluminiowe (lub zaciski przejściowe miedziano-aluminiowe) stanowią obecnie najbezpieczniejsze i najbardziej niezawodne rozwiązanie w zakresie połączeń. Urządzenie to wykorzystuje specjalne procesy, takie jak zgrzewanie błyskowe, w celu trwałego połączenia miedzi i aluminium, tworząc w miejscu styku wiązanie metalurgiczne, które skutecznie izoluje powietrze i wilgoć oraz zapobiega korozji elektrochemicznej.
Pokrycie cynym obszaru połączeń szyn miedzianych w suchym środowisku stanowi ekonomiczne i skuteczne rozwiązanie. Standardowy potencjał elektrodowy cyny (-0,14 V) plasuje się pomiędzy potencjałem miedzi a aluminium, co pozwala zmniejszyć różnicę potencjałów stykowych. Powłoka cynowa może również zapobiegać utlenianiu się przewodów miedzianych i poprawiać stabilność połączeń.
Nałożenie pasty przewodzącej (elektrycznego smaru kompozytowego) na powierzchnię styku może skutecznie poprawić jakość połączenia. Pasta przewodząca składa się z proszku metalowego i smaru organicznego. Chociaż jej oporność elektryczna nie jest wysoka, może ona wypełnić mikropustki na powierzchni styku, wywołać efekt tunelowy i poprawić przewodność. Jednocześnie izoluje od tlenu i wilgoci oraz zapobiega korozji.
W zastosowaniach wymagających wysokich standardów można wykorzystać nowy materiał – kompozytową szynę zbiorczą z miedzi i aluminium. Materiał ten opiera się na aluminium i jest pokryty warstwą miedzi na zewnątrz; dzięki specjalnym procesom uzyskuje się w nim wiązanie na poziomie atomowym, łącząc lekkość i niski koszt aluminium z doskonałą przewodnością miedzi.
Głównym powodem, dla którego szyn miedzianych i aluminiowych nie można łączyć bezpośrednio, są znaczne różnice między nimi pod względem korozji elektrochemicznej i właściwości fizycznych. Bezpośrednie połączenie może spowodować poważne wypadki, takie jak utlenianie się punktów styku, nagrzewanie się, a nawet pożar.
Kluczem do zapewnienia bezpieczeństwa połączeń miedziano-aluminiowych jest zastosowanie odpowiednich rozwiązań przejściowych, takich jak płytki przejściowe miedziano-aluminiowe, powlekanie cyną lub stosowanie specjalistycznych elementów łączących, a także ścisłe przestrzeganie specyfikacji budowlanych. Tylko zwracając uwagę na te szczegóły techniczne, możemy zapewnić długotrwałe, bezpieczne i stabilne działanie systemu elektroenergetycznego.
