Poniższy artykuł, którego autorem jest Rafał Budniok ukazał się w magazynie Elektrosystemy, w numerze maj (5) / 2016

Łączenie egzotermiczne przewodników o wysokich temperaturach topnienia jest obecnie uważane za jeden z najlepszych sposobów trwałego łączenia, zarówno pod względem elektrycznym, jak i mechanicznym. Znajduje to odzwierciedlenie m.in. w preferencjach polskich dystrybutorów i producentów energii, którzy uznali ten typ łączenia w uziemieniach i siatkach ekwipotencjalnych za najbardziej pożądany. Artykuł prezentuje metodę łączenia egzotermicznego na bazie rozwiązań marek Erico i KLK, z oferty firmy fhuPARTNER.

Połączenie egzotermiczne, inaczej zwane cadweldem, zgrzewaniem ezgotermicznym lub alutermowym, odbywa się w grafitowej formie, gdzie umieszczane są łączone przewodniki. Oprócz przewodników w formie tej umieszcza się ładunek łączący, będący mieszaniną tlenku miedzi, aluminium i substancji pomocniczych.

Proces łączenia egzotermicznego jest rozpoczynany inicjatorem elektronicznym lub pistoletem krzemeniowym. Wskutek reakcji ładunek łączący przechodzi w stan ciekły i zalewa łączone przewodniki w specjalnie zaprojektowanej dla danych przewodników komorze. Budowę formy, w której zachodzi proces, prezentuje rys. 1. Po zakończeniu reakcji plomba łącząca przewodniki składa się z miedzi i substancji pomocniczych, a jako odpad pozostaje tlenek aluminium. Plomba łączy się z przewodnikami na poziomie molekularnym, tworząc jednorodny materiał.

Rys. 1 – Budowa formy do wykonywania połączeń egzotermicznych

Przy wykorzystaniu inicjatora elektronicznego i prefabrykowanych nabojów Cadweld, przeprowadzenie wszystkich czynności i całego procesu trwa tylko kilka minut dla jednego połączenia.

Właściwości elektryczne i mechaniczne

Pod względem elektrycznym – połączenia egzotermiczne są połączeniami molekularnymi (rys. 2), co w przeciwieństwie do połączeń mechanicznych skręcanych bądź zaciskanych, nie powoduje koncentracji natężenia pola elektrycznego w obrębie połączenia. Dodatkowo, właściwa geometria plomby połączenia egzotermicznego gwarantuje, że przekrój poprzeczny jest zawsze większy od przekroju łączonych przewodników. Zapewnia to trwały, bardzo niski opór przejścia prądu przez połączenie, co z kolei skutecznie chroni połączenie przed wzrostem temperatury i przegrzaniem, a w konsekwencji degradacją i dalszym pogarszaniem parametrów elektrycznych. Pod tym kątem połączenia egzotermiczne mogą być porównywane do poprawnie wykonanego połączenia spawanego, jednak mają przewagę także nad tą technologią.

Rys. 2 – Porównanie połączenia egzotermicznego i mechanicznego

Pod względem mechanicznym – forma połączenia (metal oblewa przewodniki i łączy się z nimi molekularnie, bez pęknięć i szczelin) uniemożliwia dostawanie się czynników środowiskowych (wody) pomiędzy łączone przewodniki a połączenie (do punktów pozbawionych ochrony antykorozyjnej). Zapewnia to trwałość połączenia oraz jego niewrażliwość na cykle roczne i inne czynniki środowiskowe. Materiał połączenia jest odporny na korozję i nie narusza, poza ścisłym miejscem połączenia, powłoki zabezpieczającej przewodniki (tj. warstw cynku lub miedzi). Dodatkowo połączenie zachowuje wytrzymałość mechaniczną daleko przewyższającą łączenia spawane, zaciskane czy skręcane.

Połączenie egzotermiczne a spawane

W porównaniu do połączenia egzotermicznego, prawidłowo zaprojektowany i wykonany spaw jest równie efektywny w zakresie przewodzenia elektrycznego, lecz jedynie w początkowym okresie eksploatacji. Ze względów mechanicznych zauważalna jest znacznie szybsza degradacja połączenia spawanego, która wpływa na spadek sprawności elektrycznej połączenia. Wiąże się to z dużą trudnością we właściwym zabezpieczeniu antykrozyjnym spawu, a także geometrią takiego połączenia, która pozwala wodzie dostawać się pomiędzy przewodniki i materiał spawu, który sam podlega korozji.

Trwałość

Pod względem trwałości, producenci połączeń egzotermicznych tacy jak Erico (obecnie Pentair) czy KLK oceniają żywotność połączeń bez utraty właściwości na większą niż 40 lat. Jest to okres znacznie przekraczający żywotność przewodników stalowych cynkowanych ułożonych w ziemi i, w wielu przypadkach, przekraczający okres eksploatacji samych obiektów czy instalacji, w których połączenia są użyte. Skuteczność połączenia potwierdza zgodność metody z normami polskimi i międzynarodowymi (informacja w ramce).

Rys. 3 – Przykładowe układy połączeń egzotermicznych

Zgodność z normami:

  • – PN-EN 62561-1:2012 Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC) – Część 1: Wymagania dotyczące elementów połączeniowych;
  • – IEEE 837 Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding [Kwalifikacja trwałych połączeń dla uziemień podstacji];
  • – UL 467 Grounding and Bonding Equipment [Osprzęt uziomowy i połączeniowy].

Zastosowania

Rozwiązania egzotermiczne bardzo dobrze sprawdzają się w uziomach fundamentowych, zapewniając galwaniczną ciągłość pomiędzy sekcjami zbrojenia w stopach fundamentowych, czy w podłączeniach marek – stałych punktów uziemienia. Ponadto jest to rozwiązanie dedykowane do budowy siatek ekwipotencjalnych, w tym wbudowywanych w konstrukcje żelbetonowe, jak i dla rozległych systemów uziemień. Szeroka gama uchwytów, ramek montażowych i innych akcesoriów w połączeniu z dedykowanymi formami pozwala na stosowanie połączeń egzotermicznych nawet dla przewodników takich jak rury (w tym pod ciśnieniem, rozwiązania dla ochrony katodowej), belki konstrukcyjne, powierzchnie płaskie czy szyny kolejowe (w instalacjach sieci powrotnej). Przykładowe układy połączeń prezentuje rys. 3.

Połączenia egzotermiczne są także stosowane do łączenia różnych metali lub metali w różnych powłokach antykorozyjnych, bez ryzyka powstania ogniwa galwanicznego. W praktyce najczęściej oznacza to wygodny i praktyczny sposób łączenia bednarek stalowych ocynkowanych z przewodnikami miedzianymi. Metale, które mogą być łączone, zestawiono w ramce. Każdy metal z listy może być łączony z tym samym lub dowolnym innym z zestawienia.

Połączenia egzotermiczne upraszczają dokumentację i formalności, są także łatwe w projektowaniu i wykonawstwie.
Rys. 3. Przykładowe układy połączeń egzotermicznych

Rys. 4 – Zestaw do wykonywania połączeń egzotermicznych

Aspekty montażowe

Sam proces technologiczny łączenia jest stosunkowo prosty, wymaga podstawowych zdolności manualnych i umiejętności racjonalnego myślenia. Wraz z formą każdorazowo dostarczana jest instrukcja obrazkowa wykonania połączenia. Proces może być prowadzony przez personel przygotowany w toku szkolenia zapewnianego przez producenta połączeń. Szkolenie obejmuje nie tylko zagadnienia teoretyczne, ale również aspekty praktyczne, kwestie unikania błędów czy bezpieczeństwo pracy. Inicjatory elektroniczne pozwalają inicjować proces zdalnie, co ma istotne znacznie w przypadku wykonywania połączeń w miejscach ciasnych (np. wewnątrz zbrojeń czy szalunków) lub o słabej wentylacji (brak konieczności stosowania dodatkowych odciągów spalin). Zdalne inicjowanie wpływa także na zwiększenie bezpieczeństwa i komfortu pracy instalatorów, w porównaniu do tradycyjnych metod.

Jak wspomniano na wstępie, cały proces przebiega bardzo szybko – czas przygotowania i realizacji połączenia to około 5 minut, a czas przygotowawczy przed procesem to około kilkunastu minut. Metoda egzotermiczna należy zatem do najbardziej efektywnych pod względem oszczędności czasu. Cały ekwipunek dla pary instalatorów mieści się w jednej walizce, nie wymaga źródła stałego zasilania, jest łatwy w kontroli, utrzymaniu i trwały. Przykładowe wyposażenie do połączeń Cadweld prezentuje rys. 4.

Rys. 5 – Połączenie egzotermiczne pręta miedzianego z linką stalową

Pod względem kontroli jakości, połączenia egzotermiczne pozwalają na łatwą i skuteczną ocenę trwałości zaraz po wykonaniu. Ocena odbywa się wizualnie i mechanicznie, przy wykorzystaniu prostej instrukcji, i może być przeprowadzona przez samych instalatorów. Przy czym metoda procesu egzotermicznego w połączeniu z nietrudną do osiągnięcia sprawnością wykonawstwa zapewnia niemal 100-procentową skuteczność w wykonywaniu połączeń, co przekłada się na szybkość realizacji prac, zmniejszenie kosztów wykonawstwa i trwałość instalacji w długim okresie.

Właściwości połączeń egzotermicznych

Zastosowania:

Łączone metale (każdy z każdym):

Łączone przewodniki:

  • uziemienia fundamentowe (sztuczne i naturalne),
  • siatki ekwipotencjalne,
  • systemy uziemień,
  • gazownictwo – ochrona katodowa rurociągów,
  • kolejnictwo – sieci powrotne.
  • miedź,
  • miedź cynowana,
  • brąz,
  • mosiądz,
  • stal miedziowana,
  • stal cynkowana,
  • stal czarna (bez powłok antykorozyjnych),
  • stal nierdzewna.
  • linki,
  • druty,
  • pręty uziomowe,
  • pręty żebrowane,
  • płaskowniki,
  • bednarki,
  • powierzchnie płaskie (blachy, konstrukcje),
  • rury.

Podsumowanie

Połączenia egzotermiczne zapewniają bardzo dobre właściwości elektryczne i mechaniczne w całym okresie życia instalacji. Nadają się do łączenia wszelkich rodzajów metali i przewodników. Są rozwiązaniem bezserwisowym, niewymagającym konserwacji czy innych form kontroli. Dla wykonawcy jest to metoda szybka, pewna, łatwa w nauce i ocenie jakości rezultatu. Kosztowo technologia egzotermiczna jest konkurencyjna wobec połączeń zaciskanych i prawidłowo wykonanych połączeń spawanych.

W Polsce metoda zgrzewania egzotermicznego została wykorzystana m.in. podczas budowy Gazoportu w Świnoujściu, bloków 5 i 6 Elektrowni Opole, jak również przy rozbudowie Elektrowni Kozienice, Elektrowni Jaworzno czy w budowie wielu podstacji energetycznych i farm wiatrowych. Obecnie rozwiązanie staje się coraz popularniejsze w budownictwie przemysłowym i rozwiązaniach kubaturowych, gdzie inwestorzy i wykonawcy świadomi kosztów eksploatacyjnych w całym cyklu życia budynków poszukują rozwiązań trwałych i o wysokiej jakości.

Rys. 6 – Połączenie egzotermiczne w siatce ekwipotencjalnej z prętów miedzianych Ø18 mm