Budniok TechnikaPołączenia egzotermiczne w instalacjach odgromowych
Połączenia egzotermiczne mają szerokie spektrum zastosowania w elektroenergetyce. Używa się ich przede wszystkim w aplikacjach wymagających trwałości i odporności na działanie czynników zewnętrznych.
Artykuł opracowany w 2017 r. na potrzeby portalu fachowyelektryk.pl przez przedstawicieli firm Budniok Technika i Erico nVent:
Marcel Witke, menedżer produktu, BUDNIOK TECHNIKA Sp. z o.o. (dawniej fhuPARTNER) i
Wojciech Zdunek, Regional Sales Manager, Pentair Engineered Electrical & Fastening Solutions, ERICO Europe BV.
Miejsca aplikacji połączeń egzotermicznych to głównie uziomy, wieże telekomunikacyjne, instalacje fotowoltaiczne itp. Można łączyć elementy przewodzące takie jak druty, linki, pręty żebrowane i uziomowe, a także płaskowniki, bednarki, rury oraz powierzchnie płaskie – konstrukcje i blachy.
Zalety połączeń egzotermicznych
Połączenia egzotermiczne mogą być wykonywane na wszystkich rodzajach stali, łącznie ze stalą pokrytą miedzią i jej stopami lub warstwą cynku ogniowego.
Jako najważniejsze cechy połączeń egzotermicznych należy wymienić przede wszystkim brak zjawiska koncentracji natężenia pola elektrycznego w obrębie połączenia, tak jak to ma miejsce w przypadku połączeń zaciskanych lub skręcanych. Tym sposobem połączenie jest chronione przed przegrzaniem, co przekłada się na jego trwałość. Powstałą spoinę cechuje jednorodność, a styk jest zapewniony na całej powierzchni na poziomie molekularnym. Nie ma również zjawiska mieszania cząsteczek, tak jak ma to miejsce np. przy łączeniu spawanym. W sposób egzotermiczny można łączyć przewodniki umieszczone w gruncie – np. w instalacjach odgromowych. Odpowiedni przekrój połączenia zapewnia niewielką wartość rezystancji chroniąc przed wzrostem temperatury i przegrzaniem połączenia. To właśnie tym sposobem zapewnione jest zabezpieczenie przed degradacją i obniżaniem parametrów elektrycznych. Przetopione spoiwo oblewa przewodniki, przez co łączy się z nimi w sposób molekularny. Nie występują więc pęknięcia i miejsca bez ochrony antykorozyjnej. Połączenie jest chronione przed działaniem warunków środowiskowych, a ponadto materiał odpowiedzialny za spajanie nie wpływa negatywnie na przewodniki.
Fot. 1. Forma do połączeń egzotermicznych umieszczona na łączonych przewodach – zainicjowane połączenia egzotermiczne.Przewagą technologii egzotermicznej nad połączeniami spawanymi jest to, że prawidłowo wykonany spaw zapewnia dobre przewodzenie elektryczne ale tylko w początkowym okresie użytkowania. Następnie połączenie ulega degradacji pogarszając sprawność elektryczną. W dużej mierze wynika to trudności w zakresie ochrony antykorozyjnej spawu oraz geometrii połączenia. Woda może bowiem przenikać do przewodników i inicjować korozję.
Oferowane na rynku zestawy egzotermiczne zapewniają zgodność połączeń 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) oraz UL 467 Grounding and Bonding Equipment (Osprzęt uziomowy i połączeniowy).
WAŻNE Oferowane na rynku zestawy egzotermiczne zapewniają zgodność połączeń 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) oraz UL 467 Grounding and Bonding Equipment (Osprzęt uziomowy i połączeniowy).
Na czym polega łączenie egzotermiczne?
Reakcja egzotermiczna jest reakcją chemiczną z dodatnim bilansem wymiany ciepła z otoczeniem. W uproszczeniu można więc powiedzieć, że jest to reakcja, która emituje ciepło. Ciepło powstające podczas reakcji dodatkowo przyspiesza jej przebieg. Łączenie egzotermiczne wykorzystuje grafitową formę, w której umieszcza się łączone przewodniki. Ważny jest odpowiedni kształt komory formy pozwalający na swobodne włożenie zestawu przewodników. Oprócz tego do formy wkłada się ładunek stanowiący mieszaninę obejmującą tlenek miedzi, aluminium oraz substancje pomocnicze. Proces łączenia inicjuje się za pomocą inicjatora elektronicznego lub pistoletu krzemieniowego. W wyniku reakcji ładunek przechodzi w postać ciekłą zalewając przewodniki i łącząc je. Wraz z zakończeniem reakcji chemicznej powstaje plomba łącząca przewodniki. Plomba bazuje na miedzi i substancjach pomocniczych, natomiast odpadem jest tlenek aluminium. Do połączenia plomby z przewodnikami dochodzi na poziomie molekularnym, dzięki czemu powstaje jednorodna powierzchnia. W praktyce czas wykonania takiego połączenia nie przekracza kilku minut.
Trwałość połączenia egzotermicznego wynosi ponad 40 lat. Warto podkreślić, że czas ten zdecydowanie przekracza trwałość ocynkowanych przewodników stalowych znajdujących się w ziemi oraz okres eksploatacji obiektów i instalacji z łączonymi przewodnikami.
Niektóre technologie wykonywania połączeń egzotermicznych wykorzystują specjalne systemy samouszczelniające zapobiegające wyciekaniu metalu tworzącego zgrzew. W takich rozwiązaniach przewiduje się uniwersalny blok z formą oraz komplet uszczelek z włókniny, dzięki czemu można wykonać wiele różnych połączeń zgrzewanych bez konieczności wymiany formy przy każdym połączeniu.
W niektórych zestawach połączeń egzotermicznych warto również podkreślić uproszczenie montażu dzięki wyeliminowaniu materiału zapalającego. Oprócz tego wykorzystuje się elektroniczne jednostki sterujące pozwalające na obsługę zgrzewania z odległości 1,8 m. Zapewnia to elastyczność zastosowania dzięki możliwości dotarcia do miejsc o utrudnionym dostępie. Proces zgrzewania przebiega podobnie jak w tradycyjnych systemach połączeń egzotermicznych, przy czym nie ma potrzeby zmieniania form.
Zdaniem EKSPERTA – Wojciech Zdunek:
Jakie zalety mają połączenia egzotermiczne w porównaniu z innymi rodzajami połączeń?
W systemach ochrony odgromowej oraz uziemiających mamy do czynienia ze znaczną liczbą połączeń między przewodami, przewodami a uziomami, przewodami oraz konstrukcjami metalicznymi, które są zawsze problematyczne, ponieważ połączenie obniża parametry wyjściowe stosowanych komponentów. Nawet najlepiej wykonany system uziemień bądź, też ochrony odgromowej przy zastosowaniu najlepszych komponentów nie spełni swojej funkcji, a co gorsza może być źródłem zagrożenia dla ludzi. jak i dla obiektów jeśli komponenty systemu ulegną rozłączeniu, ulegną korozji lub, których połączenia będą mieć wysoką rezystancję. Dlatego też wybór rodzaju połączenia ma kluczowe znaczenie wpływające na bezpieczeństwo, trwałość systemu oraz parametry elektryczne. Połączenia co do zasady są najsłabszym ogniwem systemu, często znajdują się w trudno dostępnych miejscach, a także bywają zakopane w gruncie. Inspekcja, jeśli w ogóle taka się odbywa, jest często kłopotliwa, a w wielu przypadkach wymaga zaangażowania sprzętu i siły roboczej. Połączenia z czasem poluzowują się, korozja obniża ich parametry prądowe a rezystancja wzrasta. Rozwiązaniem powyższych problemów jest zastosowanie połączeń egzotermicznych.
Połączenie egzotermiczne jest wiązaniem molekularnym dwóch lub więcej przewodników w wyniku którego z dwóch lub więcej przewodników otrzymujemy jeden. Miejsce połączenia w przypadku zastosowania połączeń egzotermicznych z najsłabszego ogniwa zmienia się w najpewniejszy punkt całego systemu. Ponieważ jest to połączenie na poziomie molekularnym elektrolit, będący źródłem powstawania korozji w przypadku stosowaniu innych typów połączeń nie ma szansy wniknąć pomiędzy struktury obu przewodników co powoduje, że połączenie egzotermiczne będzie służyło co najmniej tak długo jak sam przewodnik.
Metodą egzotermiczną w przypadku instalacji odgromowych czy też uziemiających możemy łączyć ze sobą szeroki zakres materiałów między innymi: stal, stal nierdzewną, stal ocynkowaną, stal pomiedziowaną, miedź, brąz, mosiądz oraz inne stopy miedzi.
Z punktu widzenia inwestora niewątpliwą zaletą połączeń egzotermicznych jest dożywotnia gwarancja jakości połączeń i brak konieczności ich inspekcji oraz bezpieczeństwo.
Zaletami dla instalatora jest brak potrzeby dostępu do źródła prądu w czasie wykonywania połączeń oraz kompaktowość akcesoriów. Wszystkie komponenty niezbędne do wykonania połączenia są lekkie i mieszczą się w zwykłej torbie instalatorskiej. Co więcej – reakcja egzotermiczna jest reakcją samoistną, tak więc po umieszczeniu przewodników w formie grafitowej nie ma miejsca na błąd ludzki. Wystarczy tylko wcisnąć i przytrzymać przycisk zapłonu, a reakcja egzotermiczna „dzieje się” sama. Inspekcja jakości odbywa się za pomocą oględzin wizualnych. Co też nie mało istotne, instalator nie jest narażony na wdychanie znacznej ilości oparów cynku, jak to się dzieje w przypadku spawania łukiem elektrycznym przewodników ocynkowanych.
Samo połączenie egzotermiczne ma przewodność wyższą niż przewodnik, który łączy, co oznacza, że w przypadku pojawienia się prądów zakłóceniowych najpierw stopi się sam przewodnik a dopiero potem łącznik. W internecie na serwisie youtube dostępne są filmy z testów topnienia przewodów lub też uziomów w przypadku zastosowania połączenia egzotermicznego. W wyszukiwarce wystarczy wpisać: ERICO CADWELD.
Przeprowadzono testy porównawcze różnych typów połączeń zgodnie z normą IEEE 837 dotyczącą wyboru trwałych połączeń w systemach uziemiających. W testach różne typy połączeń: gzotermiczne, mechaniczne śrubowe, czy też zaciskane lub zaprasowywane poddawano całym sekwencjom badań. Badania obejmowały poddawanie wpływowi siły rozciągającej (badana jest wytrzymałość mechaniczna złącza), poddawanie testowi siły elektromagnetycznej, wpływowi korozji kwasowej oraz alkaicznej, topnieniu i zamrażaniu a na końcu wpływowi prądu zakłóceniowego. Wyniki testów są jednoznaczne: tylko połączenia egzotermiczne spełniają wymagania normy.
Łączenie elementów uziomów
W odniesieniu do instalacji odgromowych połączenie egzotermiczne bardzo często jest wykorzystywane w uziomach fundamentowych, bowiem gwarantuje galwaniczną ciągłość pomiędzy sekcjami zbrojenia umieszczonymi w stopach fundamentowych. Można łączyć również marki będące stałymi punktami uziemienia.
Oprócz tego połączenia egzotermiczne coraz częściej stosuje się przy wykonywaniu siatek ekwipotencjalnych łącznie z wbudowanymi w żelbet oraz do łączenia rozbudowanych systemów uziemień.
Zdaniem EKSPERTA – Marcel Witke:
Dlaczego warto stosować inicjatory elektroniczne?
Wykonując jakąkolwiek czynność bądź pracę związaną z wykonywaniem połączeń egzotermicznych należy zadbać o bezpieczeństwo swoje i innych osób. Zachowując wszelkie środki ostrożności oraz korzystając z ochrony zbiorowej jak i indywidualnej m.in. rękawic, okularów oraz fartucha ochronnego. Dzięki temu, możemy uchronić się przed oparzeniami wynikającymi z bardzo wysokiej temperatury powstałej w wyniku procesu spajania egzotermicznego.
Do wykonania połączenia egzotermicznego potrzebne są między innymi: grafitowa forma, materiał zgrzewający oraz źródło zapłonu np. pistolet krzemieniowy lub inicjator elektroniczny oraz lampa lutownicza. Materiał zgrzewający występuje w postaci sypkiej (tzw. klasyczny) albo gotowych kapsułek (CADWELD PLUS).
Podstawowa różnica, to sposób zainicjowania reakcji chemicznej. Zapłon w systemie klasycznym następuje poprzez iskrę bądź płomień przy użyciu pistoletu krzemieniowego albo lampy lutowniczej. Natomiast w systemie CADWELD PLUS przez inicjator elektroniczny, który wpina się do tasiemki zamocowanej w gotowej kapsułce. Inna różnica to odległość pomiędzy wykonawcą, a grafitową formą (co ma znaczenie, ze względu na występującą temperaturę procesu w granicach 2000°C). W systemie klasycznym odstęp ten wynosi 2–30 cm, a w przypadku CADWELD PLUS 2–5 m. Bezpieczny, większy dystans zapewnia uniknięcie ewentualnych oparzeń, na skutek płomieni wydobywających się ze szczelin pokrywy albo odprysków ciekłego metalu. Dodatkowo, większa odległość przeprowadzania procesu to unikanie wdychania spalin, które generowane są przez reakcję egzotermiczną. Inną zaletą stosowania inicjatorów elektronicznych to oszczędność czasu. System CADWELD PLUS, sprowadza się do wykonania połączenia w 4 krokach. Natomiast w systemie klasycznym, to dwukrotnie więcej czynności dodatkowych takich jak: ustawianie aluminiowego dysku przesypywanie materiału do tygla formy, formowanie usypanej górki materiału klasycznego oraz usypywanie lontu z materiału zgrzewającego po górze pokrywy.
Jeśli jest taka możliwość to warto korzystać z inicjatorów elektronicznych, ze względu na znaczną poprawę bezpieczeństwa oraz łatwość użytkowania, a gotowe ładunki, to wygoda i szybkość realizacji prac.
Wykonanie połączenia egzotermicznego
Na etapie wykonywania typowego połączenia egzotermicznego w pierwszej kolejności przewodniki powinny być oczyszczone z substancji niemetalicznych i wszelkich śladów korozji. Jeżeli korozja na przewodniku jest znaczna to do oczyszczania można wykorzystać szlifierkę kątową. W przypadku mniejszej korozji powinna wystarczyć szczotka druciana.
Fot. 3. Przykładowe połączenia egzotermiczneW następnej kolejności sprawdza się czy forma jest czysta. Kluczową rolę odgrywa również drożność otworu spustowego. Wraz z pierwszym użyciem formy należy ją dokładnie osuszyć najlepiej za pomocą płomienia gazowego. Z kolei podczas jej pracy w trybie ciągłym, nie rzadziej niż co drugi strzał w ciągu 30 min, forma nie musi być ogrzewana. Wynika to stąd, że grafit cechuje się dobrymi właściwościami w zakresie magazynowania ciepła i znoszenia udaru cieplnego.
Następny etap wykonywania połączenia obejmuje wprowadzenie suchych i czystych przewodników do formy. Można użyć przy tym szeregu narzędzi dodatkowych w postaci uchwytów bednarek po to aby wyprofilować określony kształt elementów łączonych. Należy pamiętać, że na jakość połączenia wpływa również stabilne ustawienie formy i wyeliminowanie naprężeń przewodników.
W przypadku technologii łączenia bez zasobnika umieszcza się metalowy dysk w komorze zasypowej formy, po czym materiał zgrzewający wsypywany jest do komory. Materiał inicjujący wydrapuje się z dna pojemniczka. W takiej technologii łączenia wkłada się zintegrowany zasobnik do komory zasypowej i podpina inicjator elektroniczny. Nie można zapomnieć o zamknięciu formy. Na końcu forma jest otwierana i czyszczona oraz sprawdza się poprawność wykonania zgrzewu.
Trzy minuty to minimalny czas jaki jest potrzebny do wykonania pojedynczego zgrzewu. Należy pamiętać, aby nie umieszczać mokrych przewodników w formie lub nie korzystać z zimnej formy. Takie formy mogą zawierać wilgoć i powodować wyprysk ciekłego metalu. Oprócz tego pęcherzyki pary wodnej niejednokrotnie przedostają się do komory roztopionego spoiwa. A to – jak wiadomo – powoduje zwiększenie objętości metalu, który wpływa do komory przewodników. W efekcie może dojść do zatkania otworu spustowego i wydłużenia czasu wykonywania połączenia.
Podsumowanie
Technologia połączeń egzotermicznych doskonale sprawdza się przy łączeniu miedzi ze stalą, miedzi z miedzią, a także miedzi ze stalą ocynkowaną. Połączenie ma postać cząsteczkową przy wysokim poziomie odporności na korozję, co jest szczególnie istotne w instalacjach odgromowych, ochronie katodowej, połączeniach sygnalizacyjnych, trakcji kolejowej itp.
Proces wykonywania połączenia wykorzystuje formę grafitową oraz ładunek ze specjalnym proszkiem. To właśnie we wnętrzu formy umieszcza się elementy łączone i specjalny proszek. Po zainicjowaniu reakcji dochodzi do stopienia proszku i jego przejścia w stan ciekły, natomiast po zastygnięciu dochodzi do trwałego połączenia elementów. Jako zalety połączeń egzotermicznych wymienia się trwałość, odporność na działanie czynników atmosferycznych, dużą obciążalność prądową oraz odporność na wysokie udary prądowe. Połączenie jest beziskrowe i cechuje się stabilną rezystancją przejścia, wysokim poziomem wytrzymałości mechanicznej i krótkim czasem wykonywania. Do wykonywania połączenia nie potrzeba skomplikowanego osprzętu i specjalistycznych uprawnień.
PAMIĘTAJ Technologia połączeń egzotermicznych doskonale sprawdza się przy łączeniu miedzi ze stalą, miedzi z miedzią, a także miedzi ze stalą ocynkowaną. Połączenie ma postać cząsteczkową przy wysokim poziomie odporności na korozję, co jest szczególnie istotne w instalacjach odgromowych, ochronie katodowej, połączeniach sygnalizacyjnych, trakcji kolejowej itp.
">Powrót