Экзотермическая сварка (Cadweld) — постоянные заземляющие соединения

Статья о кабельных наконечниках и обжимных соединениях рассматривает распространённый, механически разборный метод соединения проводников. Эта статья рассматривает альтернативную технику, применяемую специально для заземляющих соединений, где требуется постоянное, неразборное соединение: экзотермическую сварку, на практике часто называемую торговой маркой Cadweld (производитель nVent ERICO), хотя другие производители предлагают сопоставимые системы.

Принцип действия: термитная реакция

Экзотермическая сварка не использует внешний источник тепла, такой как сварочный аппарат, а химическую реакцию между оксидом металла (оксидом меди) и восстанавливающим металлом (алюминием) в виде порошка, помещённого в графитовую форму вокруг соединяемых проводников. При поджиге смеси — обычно с помощью искрового воспламенителя — сама реакция выделяет достаточно тепла, чтобы смесь полностью прореагировала: алюминий восстанавливает оксид меди до расплавленной меди, которая затем затвердевает вокруг и между соединяемыми проводниками, образуя однородное молекулярное соединение — не механическое зажимное соединение, как при обжиме, а действительно расплавленное и повторно затвердевшее медное соединение.

Почему это отличается от обжимного соединения

Обжимное соединение (см. связанную статью) по сути остаётся механическим соединением: кабельный наконечник физически деформируется вокруг проводника, а переходное сопротивление зависит от контактного давления и площади. Экзотермическая сварка же является металлургическим соединением: проводники и добавленная медь сплавляются в точке соединения в единый непрерывный материал, без физической границы раздела между исходным проводником и материалом соединения. Это имеет два практических следствия: соединение имеет более низкое и более стабильное переходное сопротивление, не зависящее от момента затяжки или усилия обжима, и соединение невозможно разобрать без повреждения проводника — подходит для постоянных применений, но не для соединений, которые позже, возможно, придётся разъединить.

Типичные применения

Экзотермическая сварка в основном применяется для:

• Заземляющих электродов и заземляющих сеток: соединения заземляющих проводников со стержневым электродом или с узлами заземляющей сетки в грунте, где соединение остаётся постоянно закопанным и недоступным для обслуживания.
• Строительной стали и арматуры: подключения заземляющего проводника к строительной стали или бетонной арматуре в качестве заземлителя фундамента.
• Заземления экрана кабеля на высоковольтных кабелях: где долгосрочно надёжное соединение с низким сопротивлением критично важно, а периодическая разборка не нужна или нежелательна.

IEEE 837: эталонный стандарт для квалификации

IEEE 837 («Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding») — это международно признанный эталонный стандарт для квалификации конфигурации экзотермического сварного соединения (сочетания диаметров проводников, материалов и формы) для использования в установках заземления. Стандарт подвергает соединение серии испытаний, включая:

• Циклы замораживания-оттаивания, чтобы проверить, что повторные колебания температуры не ослабляют соединение.
• Механическое испытание на разрыв, чтобы подтвердить механическую прочность соединения.
• Испытание импульсами тока, при котором соединение подвергается серии импульсов тока короткого замыкания, репрезентативных для токов повреждения, которые система заземления должна выдерживать на практике, с последующей проверкой того, что переходное сопротивление существенно не увеличилось.

Соединение, прошедшее эту последовательность испытаний, квалифицируется для полной эксплуатационной нагрузки заземляющей сетки подстанции — уровень квалификации, значительно превышающий требования к обычному обжимному соединению.

Внимание: результат экзотермической сварки сильно зависит от правильного выполнения — правильного размера формы и диаметра проводника для конкретной формы, сухой и чистой формы (влага может вызвать разбрызгивание при реакции), и достаточного предварительного прогрева влажных или холодных проводников. Неправильно выполненная экзотермическая сварка может дать пористое, механически слабое соединение, которое тем не менее выглядит визуально приемлемо.

Практическая значимость

При оценке установки заземления с экзотермическими сварными соединениями в подземных или иным образом недоступных точках важно проверить, что соединение демонстрирует сплошную, равномерно затвердевшую медную поверхность без видимых пор или трещин, и что для соответствующих диаметров проводников использована правильная форма и количество материала — визуальная проверка при сдаче особенно важна здесь, поскольку после засыпки траншеи соединение больше не доступно для последующего осмотра или демонтажа.

Частые ошибки

1. Использование влажной или мокрой формы без достаточной предварительной сушки — это может вызвать разбрызгивание расплавленного материала во время реакции и приводит к пористому, более слабому соединению.
2. Применение неправильного размера формы для диаметра проводника — слишком маленькая или слишком большая форма даёт недостаточно материала вокруг проводника и, следовательно, ослабленное соединение.
3. Отсутствие финальной визуальной проверки перед засыпкой подземного соединения — после засыпки соединение больше не доступно для исправления или ремонта.
4. Применение экзотермической сварки в точках, где вероятен будущий демонтаж или изменение — соединение постоянное и не может быть разъединено без повреждения проводника, в отличие от обжимного или болтового соединения.

Связанные материалы

• Кабельные наконечники и обжимные соединения — требования к прессовым соединениям
• Заземляющие электроды и заземлитель фундамента
• Выбор размера заземляющего электрода — стержневой и пластинчатый электрод
• Измерение переходного сопротивления (микроомметр) — соединения