Łączenie aluminium i miedzi — korozja bimetaliczna i dlaczego przekrój nie przelicza się 1:1

Przewodnik o zaciskach kablowych oraz przewodnik o pomiarze rezystancji styku omawiają połączenia zaciskowe i pomiar rezystancji przejścia w ujęciu ogólnym. Ten artykuł dotyczy konkretnego ryzyka, którego nie porusza żaden z nich: co dzieje się, gdy przewód aluminiowy jest połączony bezpośrednio z przewodem lub zaciskiem miedzianym — sytuacja występująca coraz częściej w miarę stosowania kabla aluminiowego o większych przekrojach (linie zasilające, przyłącza dużych odbiorców) jako tańszej alternatywy dla miedzi.

Problem: korozja galwaniczna (bimetaliczna)

Gdy dwa różne metale stykają się w obecności przewodzącej cieczy (wilgoć, kondensacja), powstaje korozja galwaniczna, zwana też bimetaliczną — napędzana różnicą potencjałów elektrodowych obu metali. Aluminium i miedź tworzą jedną z najmniej korzystnych kombinacji w tym szeregu: przy bezpośrednim kontakcie aluminium stopniowo koroduje, przez co z czasem połączenie:

1. Luzuje się — produkt korozji (tlenek aluminium) zajmuje większą objętość niż pierwotny metal, co zmniejsza siłę docisku.
2. Zyskuje wyższą rezystancję przejścia — tlenek aluminium sam w sobie słabo przewodzi prąd, w przeciwieństwie do znajdującego się pod nim rdzenia aluminiowego.
3. Zaczyna się nagrzewać — wyższa rezystancja przejścia przy tym samym prądzie oznacza większe straty mocy (P = I²R) dokładnie w tym miejscu, co dodatkowo przyspiesza korozję: samowzmacniający się proces, który ostatecznie prowadzi do przepalonego zacisku lub poluzowanego połączenia.

Uwaga: proces ten przebiega stopniowo, często przez miesiące lub lata. Połączenie aluminium z miedzią, które przy odbiorze wykazuje doskonałą rezystancję przejścia, przy kolejnej kontroli po kilku latach może już ulec pogorszeniu — dlatego okresowy pomiar rezystancji styku (zob. przewodnik o pomiarze rezystancji styku) jest szczególnie istotny dla tego typu połączenia.

Rozwiązania: jak bezpiecznie połączyć aluminium z miedzią

• Pasta kontaktowa (np. typu „alu-plus") — nałożona w zacisku przed zaciśnięciem przewodu aluminiowego, ta pasta blokuje świeże utlenianie w punkcie styku i utrzymuje połączenie przewodzące.
• Specjalnie certyfikowane zaciski aluminiowe lub bimetaliczne — zaciski zaprojektowane i certyfikowane specjalnie dla aluminium (lub dla przejścia aluminium-miedź), o geometrii i sile docisku dopasowanej do zachowania pełzającego aluminium (aluminium stopniowo odkształca się pod długotrwałym naciskiem, „pełznie", przez co zacisk zaprojektowany dla miedzi z czasem traci siłę docisku).
• Złącza bimetaliczne — fabrycznie wykonane przejście między częścią aluminiową a miedzianą, w którym samo połączenie aluminium-miedź powstało w kontrolowanych, odpornych na korozję warunkach (często metodą zgrzewania wybuchowego lub podobnym procesem), a nie w zwykłym zacisku w terenie.

Dlaczego przekroju nie da się po prostu „przeliczyć"

Aluminium ma niższą przewodność niż miedź (około 61% przewodności miedzi przy tym samym przekroju). Oznacza to, że przewód aluminiowy o tym samym przekroju ma wyraźnie niższy dopuszczalny prąd niż przewód miedziany — jako przybliżoną zasadę, przewód aluminiowy potrzebuje około 1,5 do 1,6 raza większego przekroju niż przewód miedziany, aby osiągnąć taką samą obciążalność prądową. To między innymi dlatego normy na okablowanie zwykle dopuszczają aluminium w instalacjach stałych dopiero od pewnego praktycznego minimalnego przekroju (np. 16 mm² według brytyjskiej normy BS 7671, tabela 52.3): przy mniejszych przekrojach niższa obciążalność prądowa i zjawisko „pełzania" (zob. niżej) nie rekompensują już korzyści kosztowej aluminium. Kabel aluminiowy trzeba więc dobierać w większym przekroju niż zastępowany przez niego kabel miedziany — nigdy poprzez zwykłe zamówienie tego samego przekroju w aluminium przy założeniu, że działa on „tak samo".

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie lub podłączaniu instalacji z aluminiowymi liniami zasilającymi (częste przy przyłączach dużych odbiorców lub w starszych instalacjach komercyjnych) należy zawsze sprawdzić, czy punkty połączenia, w których aluminium przechodzi w miedź (np. w szafce licznikowej, na głównej rozdzielnicy czy przy podłączeniu do istniejącej miedzianej sieci obiektu), wykonano z użyciem pasty kontaktowej, certyfikowanego zacisku bimetalicznego lub złącza bimetalicznego — nigdy zwykłym zaciskiem miedzianym bez dodatkowego środka. Dotyczy to zarówno nowych instalacji, jak i oceny istniejącej instalacji podczas kontroli NEN 3140.

Częste błędy

1. Zaciskanie aluminium bezpośrednio w zwykłym zacisku miedzianym bez pasty kontaktowej lub certyfikacji dla aluminium — z czasem prowadzi to do korozji galwanicznej i nagrzewającego się połączenia.
2. Zachowanie tego samego przekroju przy zastępowaniu miedzi aluminium — ze względu na niższą przewodność aluminium przekrój trzeba zwiększyć, aby zachować tę samą obciążalność prądową.
3. Jednorazowy pomiar dobrej rezystancji przejścia z założeniem, że pozostanie ona taka sama — korozja bimetaliczna to proces stopniowy; właśnie dla tego typu połączenia potrzebne są okresowe pomiary kontrolne.
4. Pomijanie zjawiska pełzania aluminium — zacisk zaprojektowany i dokręcony pod przewód miedziany nie utrzymuje siły docisku na przewodzie aluminiowym, nawet bez wystąpienia korozji.

Powiązane

• Zaciski kablowe — sprężynowy vs śrubowy
• Pomiar rezystancji styku (mikroomomierz)
• Końcówki kablowe i połączenia zaciskane
• Przekrój kabla i obciążalność prądowa