Spawanie egzotermiczne (Cadweld) — trwałe połączenia uziemiające

Artykuł o końcówkach kablowych i połączeniach zaciskanych omawia powszechną, mechanicznie rozłączalną metodę łączenia przewodów. Ten artykuł omawia alternatywną technikę stosowaną specjalnie do połączeń uziemiających, gdzie pożądane jest trwałe, nierozłączalne połączenie: spawanie egzotermiczne, w praktyce często nazywane marką Cadweld (producenta nVent ERICO), choć inni producenci oferują porównywalne systemy.

Zasada działania: reakcja termitowa

Spawanie egzotermiczne nie wykorzystuje zewnętrznego źródła ciepła, takiego jak spawarka, lecz reakcję chemiczną między tlenkiem metalu (tlenkiem miedzi) a metalem redukującym (aluminium) w postaci proszku, umieszczonym w grafitowej formie wokół łączonych przewodów. Po zapłonie mieszaniny — zazwyczaj za pomocą zapalnika iskrowego — sama reakcja wydziela wystarczająco dużo ciepła, aby mieszanina przereagowała w pełni: aluminium redukuje tlenek miedzi do roztopionej miedzi, która następnie krzepnie wokół i między łączonymi przewodami, tworząc jednorodne, molekularne połączenie — nie mechaniczne połączenie zaciskowe, jak przy zaciskaniu, lecz faktycznie stopioną i ponownie skrzepłą miedź.

Dlaczego różni się to od połączenia zaciskanego

Połączenie zaciskane (zob. powiązany artykuł) pozostaje w istocie połączeniem mechanicznym: końcówka kablowa jest fizycznie odkształcana wokół przewodu, a rezystancja przejścia zależy od nacisku i powierzchni styku. Spawanie egzotermiczne natomiast jest połączeniem metalurgicznym: przewody i dodana miedź topią się w punkcie połączenia w jeden ciągły materiał, bez fizycznej powierzchni podziału między pierwotnym przewodem a materiałem połączenia. Ma to dwie praktyczne konsekwencje: połączenie ma niższą i bardziej stabilną rezystancję przejścia, niezależną od momentu dokręcenia czy siły zaciskania, a połączenia nie można rozebrać bez uszkodzenia przewodu — odpowiednie do zastosowań trwałych, a nie do połączeń, które później mogą wymagać rozłączenia.

Typowe zastosowania

Spawanie egzotermiczne stosuje się głównie do:

• Elektrod uziemiających i mat uziemiających: łączenia przewodów uziemiających z elektrodą prętową lub z węzłami maty uziemiającej w gruncie, gdzie połączenie pozostaje trwale zakopane i niedostępne do konserwacji.
• Stali konstrukcyjnej i zbrojenia: podłączania przewodu uziemiającego do stali konstrukcyjnej lub zbrojenia betonu jako uziomu fundamentowego.
• Uziemienia ekranu kabla na kablach wysokiego napięcia: gdzie długoterminowo niezawodne połączenie o niskiej rezystancji jest kluczowe, a okresowy demontaż nie jest potrzebny ani pożądany.

IEEE 837: norma referencyjna do kwalifikacji

IEEE 837 („Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding") to międzynarodowo uznana norma referencyjna do kwalifikacji konfiguracji połączenia spawanego egzotermicznie (kombinacji średnic przewodów, materiałów i formy) do zastosowania w instalacjach uziemiających. Norma poddaje połączenie serii badań, obejmujących:

• Cykle zamrażania-odmrażania, aby sprawdzić, czy powtarzające się zmiany temperatury nie osłabiają połączenia.
• Mechaniczną próbę rozciągania, aby potwierdzić wytrzymałość mechaniczną połączenia.
• Badanie impulsami prądu, w którym połączenie poddaje się serii impulsów prądu zwarciowego reprezentatywnych dla prądów uszkodzeniowych, jakie system uziemiający musi w praktyce przenosić, a następnie weryfikuje się, czy rezystancja przejścia nie wzrosła znacząco.

Połączenie, które przejdzie tę sekwencję, jest zakwalifikowane do pełnego obciążenia eksploatacyjnego siatki uziemiającej stacji elektroenergetycznej — poziom kwalifikacji znacznie przekraczający wymagania dla zwykłego połączenia zaciskanego.

Uwaga: wynik spawania egzotermicznego silnie zależy od poprawnego wykonania — właściwego rozmiaru formy i średnicy przewodu dla konkretnej formy, suchej i czystej formy (wilgoć może spowodować rozpryskiwanie podczas reakcji) oraz odpowiedniego wstępnego podgrzania wilgotnych lub zimnych przewodów. Nieprawidłowo wykonane spawanie egzotermiczne może dać porowate, mechanicznie słabe połączenie, które mimo to wygląda wizualnie akceptowalnie.

Praktyczne znaczenie

Podczas oceny instalacji uziemiającej ze spawanymi egzotermicznie połączeniami w miejscach zakopanych lub w inny sposób niedostępnych, ważne jest sprawdzenie, czy połączenie wykazuje zamkniętą, równomiernie skrzepłą powierzchnię miedzianą bez widocznej porowatości lub pęknięć, oraz czy zastosowano właściwą formę i ilość materiału dla danych średnic przewodów — kontrola wzrokowa przy odbiorze jest tu szczególnie istotna, ponieważ po zasypaniu wykopu połączenie nie jest już dostępne do późniejszej inspekcji ani demontażu.

Częste błędy

1. Użycie wilgotnej lub mokrej formy bez wystarczającego wstępnego osuszenia — może to spowodować rozpryskiwanie roztopionego materiału podczas reakcji i skutkuje porowatym, słabszym połączeniem.
2. Zastosowanie niewłaściwego rozmiaru formy dla średnicy przewodu — zbyt mała lub zbyt duża forma zapewnia niewystarczającą ilość materiału wokół przewodu, a tym samym osłabione połączenie.
3. Brak końcowej kontroli wzrokowej przed zasypaniem połączenia podziemnego — po zasypaniu połączenie nie jest już dostępne do korekty czy naprawy.
4. Stosowanie spawania egzotermicznego w miejscach, gdzie prawdopodobny jest przyszły demontaż lub modyfikacja — połączenie jest trwałe i nie można go rozłączyć bez uszkodzenia przewodu, w przeciwieństwie do połączenia zaciskanego lub śrubowego.

Powiązane materiały

• Końcówki kablowe i połączenia zaciskane — wymagania dla złączy zaciskowych
• Elektrody uziemiające i uziom fundamentowy
• Dobór wymiarów elektrody uziemiającej — elektroda prętowa i płytowa
• Pomiar rezystancji przejścia (mikroomomierz) — połączenia