Екзотермічне зварювання (Cadweld) — постійні заземлювальні з'єднання

Стаття про кабельні наконечники та обтискні з'єднання розглядає поширений, механічно розбірний метод з'єднання провідників. Ця стаття розглядає альтернативну техніку, що застосовується спеціально для заземлювальних з'єднань, де потрібне постійне, нерозбірне з'єднання: екзотермічне зварювання, на практиці часто зване торговою маркою Cadweld (виробник nVent ERICO), хоча інші виробники пропонують зіставні системи.

Принцип дії: термітна реакція

Екзотермічне зварювання не використовує зовнішнє джерело тепла, таке як зварювальний апарат, а хімічну реакцію між оксидом металу (оксидом міді) та відновлювальним металом (алюмінієм) у вигляді порошку, поміщеного в графітову форму навколо провідників, що з'єднуються. При запалюванні суміші — зазвичай за допомогою іскрового запалювача — сама реакція виділяє достатньо тепла, щоб суміш повністю прореагувала: алюміній відновлює оксид міді до розплавленої міді, яка потім твердне навколо та між провідниками, що з'єднуються, утворюючи однорідне молекулярне з'єднання — не механічне затискне з'єднання, як при обтисканні, а справді розплавлене й повторно затверділе мідне з'єднання.

Чому це відрізняється від обтискного з'єднання

Обтискне з'єднання (див. пов'язану статтю) по суті залишається механічним з'єднанням: кабельний наконечник фізично деформується навколо провідника, а перехідний опір залежить від контактного тиску та площі. Екзотермічне зварювання ж є металургійним з'єднанням: провідники та додана мідь сплавляються в точці з'єднання в єдиний безперервний матеріал, без фізичної межі розділу між вихідним провідником та матеріалом з'єднання. Це має два практичні наслідки: з'єднання має нижчий і стабільніший перехідний опір, що не залежить від моменту затягування чи зусилля обтискання, і з'єднання неможливо розібрати без пошкодження провідника — підходить для постійних застосувань, але не для з'єднань, які пізніше, можливо, доведеться роз'єднати.

Типові застосування

Екзотермічне зварювання в основному застосовується для:

• Заземлювальних електродів і заземлювальних сіток: з'єднання заземлювальних провідників зі стрижневим електродом або з вузлами заземлювальної сітки в ґрунті, де з'єднання залишається постійно закопаним і недоступним для обслуговування.
• Будівельної сталі та арматури: підключення заземлювального провідника до будівельної сталі чи бетонної арматури як заземлювача фундаменту.
• Заземлення екрана кабелю на високовольтних кабелях: де довгостроково надійне з'єднання з низьким опором є критично важливим, а періодичний демонтаж не потрібний або небажаний.

IEEE 837: еталонний стандарт для кваліфікації

IEEE 837 («Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding») — це міжнародно визнаний еталонний стандарт для кваліфікації конфігурації екзотермічного зварного з'єднання (поєднання діаметрів провідників, матеріалів і форми) для використання в установках заземлення. Стандарт піддає з'єднання серії випробувань, зокрема:

• Циклам заморожування-відтавання, щоб перевірити, що повторні коливання температури не послаблюють з'єднання.
• Механічному випробуванню на розрив, щоб підтвердити механічну міцність з'єднання.
• Випробуванню імпульсами струму, при якому з'єднання піддається серії імпульсів струму короткого замикання, репрезентативних для струмів пошкодження, які система заземлення повинна витримувати на практиці, з подальшою перевіркою того, що перехідний опір суттєво не збільшився.

З'єднання, що пройшло цю послідовність випробувань, кваліфікується для повного експлуатаційного навантаження заземлювальної сітки підстанції — рівень кваліфікації, значно вищий за вимоги до звичайного обтискного з'єднання.

Увага: результат екзотермічного зварювання сильно залежить від правильного виконання — правильного розміру форми та діаметра провідника для конкретної форми, сухої й чистої форми (волога може викликати розбризкування під час реакції), та достатнього попереднього прогріву вологих чи холодних провідників. Неправильно виконане екзотермічне зварювання може дати пористе, механічно слабке з'єднання, яке тим не менш виглядає візуально прийнятно.

Практична значущість

Під час оцінки установки заземлення з екзотермічними зварними з'єднаннями в підземних чи інакше недоступних точках важливо перевірити, що з'єднання демонструє суцільну, рівномірно затверділу мідну поверхню без видимих пор чи тріщин, і що для відповідних діаметрів провідників використано правильну форму та кількість матеріалу — візуальна перевірка при здачі особливо важлива тут, оскільки після засипання траншеї з'єднання більше не доступне для подальшого огляду чи демонтажу.

Часті помилки

1. Використання вологої чи мокрої форми без достатнього попереднього висушування — це може викликати розбризкування розплавленого матеріалу під час реакції і призводить до пористого, слабшого з'єднання.
2. Застосування неправильного розміру форми для діаметра провідника — надто мала чи надто велика форма дає недостатньо матеріалу навколо провідника і, отже, послаблене з'єднання.
3. Відсутність фінальної візуальної перевірки перед засипанням підземного з'єднання — після засипання з'єднання більше не доступне для виправлення чи ремонту.
4. Застосування екзотермічного зварювання в точках, де ймовірний майбутній демонтаж чи зміна — з'єднання постійне і не може бути роз'єднане без пошкодження провідника, на відміну від обтискного чи болтового з'єднання.

Пов'язані матеріали

• Кабельні наконечники та обтискні з'єднання — вимоги до пресових з'єднань
• Заземлювальні електроди та заземлювач фундаменту
• Вибір розміру заземлювального електрода — стрижневий та пластинчастий електрод
• Вимірювання перехідного опору (мікроомметр) — з'єднання