Wybór metali przewodzących do różnych gałęzi przemysłu i zastosowań może stanowić pewnego rodzaju wyzwanie. Na kable i przewody stosowana jest często miedź, ze względu na jej doskonałą przewodność i kowalność. Natomiast jest ona stosunkowo ciężka i droga w porównaniu z aluminium. Przestawienie się na aluminium, które jest lżejsze i znacznie tańsze niż miedź, jest w wielu przypadkach realne. Skuteczne stosowanie aluminium jest kwestią zrozumienia możliwości tego przewodzącego metalu oraz radzenia sobie z wyzwaniami, które są z nim związane.

Porównując giełdową cenę miedzi (ok. 5500 USD za tonę) z ceną aluminium (1713 USD za tonę) – ceny z dnia 28.12.16 r. – można stwierdzić, że obecnie miedź jest nawet ponad trzy razy droższa od aluminium. Tę znaczną różnicę cen tłumaczy większa dostępność surowego aluminium w porównaniu z miedzią. Po tlenie i krzemie, aluminium jest trzecim najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w górnej warstwie skorupy ziemskiej, podczas gdy miedź jest klasyfikowana na liście surowców na 25 miejscu pod względem dostępności. Ocena bieżących cen jest jeszcze bardziej umacniana przez niestabilność rynku surowców.
Jeśli spojrzy się na ceny z ostatnich trzech lat (2013–2016), to ceny miedzi wahały się w zakresie od 4320 USD do 7380 USD za tonę. Od 2010 r. do 2016 r. średnia wartość roczna miedzi utrzymuje się na poziomie 6425 USD za tonę. W przypadku aluminium nie występuje taki zakres wahań cen, co pozwala na lepsze planowanie wykorzystania materiału.

Przewodniość, przekrój, masa

Jeśli aluminium stosuje się jako materiał na przewody, jego mniejsza przewodność wymaga stosowania większego przekroju przewodu, który jest w przybliżeniu o jedną trzecią większy niż w przypadku przewodu miedzianego. Jednakże, w ostatecznym rozrachunku, materiał izolacyjny użyty razem z przewodami odgrywa ważną rolę w parametrach przewodu i przewód aluminiowy może mieć taką samą obciążalność prądową jak przewód miedziany np. H07RN-F. Większy przekrój przewodu aluminiowego mógłby stanowić wadę tylko w zastosowaniach wymagających ciasnego prowadzenia przewodów, jak ma to miejsce w kasetach sterowniczych.
Fakty przemawiające na korzyść aluminium mówią same za siebie, jeśli w grę wchodzi waga. Jako surowiec, aluminium jest w przybliżeniu o 70% lżejsze niż miedź. Może to być przydatne w wielu dziedzinach, w których dąży się do zmniejszenia wagi wszystkich części składowych. Oczywiście, w przypadku kabli elektrycznych, mniejsza waga sprawia, że są one łatwiejsze do zamontowania. Przewody długich przęseł linii wysokonapięciowych wykonane są z aluminium; mniejszy ciężar zmniejsza znacznie siłę rozciągającą przyłożoną do przewodu i słupów. Nawet takie gałęzie przemysłu jak przemysł motoryzacyjny i lotniczy przestawiają się na przewody aluminiowe. Dlatego w samolotach Airbus A380 montuje się już całe wiązki przewodów aluminiowych.
Przewody aluminiowe mogą być do 60% lżejsze, niż przewody miedziane o porównywalnej obciążalności prądowej. Nawet w zastosowaniach, w których wymagane są elastyczne połączenia kablowe, miedź nie musi być już wybierana na pierwszym miejscu. Np. seria giętkich przewodów HELUWIND® WK POWERLINE ALU stanowi zasługująca na rozważenie alternatywę dla miedzianych wyrobów kablowych w instalacjach elektrycznych w elektrowniach wiatrowych.
Kompletny zestaw zastępujący kable miedziane składa się z kabli o budowie z linki z cienkimi drutami wraz ze specjalnie opracowaną technologią połączeń elektrycznych.
Jest to bardzo ważne, ponieważ charakterystyka materiałowa aluminium różni się znacząco od charakterystyki miedzi. Różnice te należy uwzględnić podczas wykonywania kabla i wybierania elementów połączeń.

Utlenianie aluminium w powietrzu

Na powierzchni aluminium, poddanej działaniu tlenu, w krótkim czasie tworzy się twarda i wytrzymała warstwa tlenku. Warstwa ta zabezpiecza materiał znajdujący się pod spodem przed dalszą korozją. To zjawisko sprawia, że aluminium jest bardzo trwałym materiałem. Jednakże ochronna warstwa tlenku na powierzchni materiału jest niepożądana w elektrotechnice. Warstwa tlenku zmniejsza przewodność aluminium i pogarsza parametry elektryczne w miejscu zestyku elementów. Jeżeli utleniony przewód zostanie połączony bez żadnej obróbki wstępnej (usuwającej warstwę tlenku) z drugim przewodem lub innym elementem obwodu elektrycznego, rezystancja zestyku pomiędzy nimi będzie znacznie większa, niżby to wynikało z przewodności samego aluminium. Przy przepływie prądu przez taki zestyk nastąpi wyraźny wzrost temperatury i – w najgorszym przypadku – nawet pożar kabla.
W celu uniknięcia takich problemów warstwę tlenku należy przerwać lub usunąć fizycznie. Można to zrobić poprzez szczotkowanie końców gołego przewodu aluminiowego przed utworzeniem połączenia elektrycznego, jak również poprzez zastosowanie procesu zagniatania. Elementy łącznika przewodów aluminiowych są wyposażone fabrycznie w specjalny smar do styków; zwykle jest to ziarnisty materiał ścierny, taki jak korund. W połączeniu z dużym naciskiem, cząstki korundu mają działanie ścierne, które niszczy nieprzewodzącą warstwę tlenku na aluminium, poprawiając zestyk i połączenie elektryczne. Smar zapobiega także wnikaniu wilgoci i tlenu i powodowaniu nowych ognisk korozji w miejscach styku. Końcówki kablowe lepszej jakości są zwykle wyposażone w plastikowe nakładki, które zapobiegają wysychaniu lub wyciekaniu smaru podczas przechowywania.

Optymalny styk, dzięki zagniatakom C8 do końcówek

Do przewodów o budowie cienkodrutowej firma Helukabel zaleca stosowanie zagniataków C8, wykonanych i dopuszczonych do użytku zgodnie z normą IEC 61238-1 kl. A, ze względu na zwiększoną powierzchnię utleniania przewodu. Specjalnie ukształtowane elementy robocze narzędzia C8 wciskają się bardzo głęboko w wiązkę drutów, jednakowo rozdzierając poszczególne druty i w ten sposób umożliwiając optymalny zestyk na wszystkich drutach.
Stosowanie zagniataków C8 (które zostały opracowane w ramach serii POWERLINE Aluminum) pozwala na uzyskanie najlepszych możliwych parametrów elektrycznych (małej rezystancji zestyku) i mechanicznych sił wyrywających.

Wpływ potencjału w szeregu elektrochemicznym metali na połączenia elektryczne

Jeśli chodzi o części składowe połączenia elektrycznego, należy także rozważyć reakcje korozji aluminium zachodzące w obecności innych metali – głównie miedzi.
Przy zetknięciu się aluminium z kilkoma metalami szlachetnymi (metale o wyższym potencjale elektrycznym), takimi jak miedź, żelazo lub mosiądz, może zajść reakcja elektrochemiczna poprzez utworzenie się ogniwa stykowego (kontaktowego). Reakcję tę inicjują ciecze przewodzące – w większości przypadków skraplająca się zawarta w powietrzu para wodna (kondensacja, tym intensywniejsza im bardziej wilgotne środowisko) wraz z rozpuszczającym się w niej zanieczyszczeniami chemicznymi różnego pochodzenia. W procesie tym, istotną rolę odgrywają różnice potencjałów istniejące w szeregu elektrochemicznym. Elektroda miedziowa (anoda), elektrolit (woda, która w warunkach naturalnych nie ma nigdy odczynu obojętnego) i elektroda aluminiowa (katoda) tworzą ogniwo stykowe (kontaktowe). Napięcie na tych elementach jest zamykane poprzez zestyk pomiędzy miedzią i aluminium. Powstający prąd powoduje proces erozji aluminium, co jest widoczne w postaci promienistego punktu utleniania (ujawniającego zanieczyszczenie drobnymi cząstkami miedzi); jednakże elektroda miedziana nie ulega w tym przypadku systematycznemu uszkadzaniu.
Natomiast proces rozkładu negatywnie oddziaływuje na połączenie elektryczne w długim okresie, zwiększając rezystancję zestyku, co jak wspomniano wyżej prowadzi do wzrostu temperatury, a nawet do pożaru. Z tego względu do łączenia przewodów z aluminium do miedzianych urządzeń peryferyjnych zalecane jest stosowanie aluminiowo-miedzianej (Al/Cu) końcówki kablowej. Łączniki bimetalowe, takie jak końcówki kablowe Al/Cu, łączniki prasowane oraz kołki i śruby łączące są produkowane z wykorzystaniem procesu zgrzewania tarciowego, które daje szczelne niedopuszczające powietrza połączenie. Dodatkowo łączniki są hermetyzowane, żeby zapobiec przenikaniu cieczy do połączenia i niepożądanemu pełzaniu. Stosowanie łączników i połączeń Al/Cu jest najrozsądniejszym sposobem przeciwdziałania skutkom utleniania aluminium. Innym środkiem zabezpieczenia przed wilgocią jest zastosowanie uzupełniającej izolacji na obszarze styku. W zależności od dziedziny zastosowania, obciążenia mechanicznego i warunków środowiskowych mogą być stosowane koszulki zimnokurczliwe, kurczliwe zwijane lub termokurczliwe. Najlepsze wyniki pod względem zabezpieczenia daje stosowanie koszulek kurczliwych z klejem od wewnątrz. Jednocześnie połączenia elektryczne powinny być starannie kontrolowane podczas regularnej konserwacji planowej.

Zmniejszenie wytrzymałości połączenia z powodu pełzania

Na koniec należy zwrócić uwagę na proces pełzania aluminium. Aluminium jest metalem miększym niż miedź i ma tendencję do rozszerzania się lub rozciągania się w czasie, zwłaszcza, jeśli zostanie poddane podwyższonemu ciśnieniu i podwyższonej temperaturze. Klasyczne połączenia zaciskane narażone na pełzanie tracą wytrzymałość i nie można już na nich polegać, że zapewnią właściwą zdolność połączeniową. Zagniatak C8 firmy HELUKABEL zapewnia stopień wypełnienia równy 95%, którego nie można uzyskać w konwencjonalnych połączeniach zagniatanych. Opisany proces rozszerzania/rozciągania się jest kompensowany wyróżniającymi się wartościami sił wyrywających. Jednocześnie zaleca się przeprowadzanie regularnej konserwacji i kontroli wszystkich punktów zaciskowych zgodnie z ich poziomami obciążeń.

---