Połączenia egzotermiczne mają szerokie spektrum zastosowania w elektroenergetyce. Używa się ich przede wszystkim w aplikacjach wymagających trwałości i odporności na działanie czynników zewnętrznych.

Miejsca aplikacji połączeń egzotermicznych to głównie uziomy, wieże telekomunikacyjne, instalacje fotowoltaiczne itp. Można łączyć elementy przewodzące takie jak druty, linki, pręty żebrowane i uziomowe, a także płaskowniki, bednarki, rury oraz powierzchnie płaskie – konstrukcje i blachy.

Zalety połączeń egzotermicznych

Połączenia egzotermiczne mogą być wykonywane na wszystkich rodzajach stali, łącznie ze stalą pokrytą miedzią i jej stopami lub warstwą cynku ogniowego.
Jako najważniejsze cechy połączeń egzotermicznych należy wymienić przede wszystkim brak zjawiska koncentracji natężenia pola elektrycznego w obrębie połączenia, tak jak to ma miejsce w przypadku połączeń zaciskanych lub skręcanych. Tym sposobem połączenie jest chronione przed przegrzaniem, co przekłada się na jego trwałość. Powstałą spoinę cechuje jednorodność, a styk jest zapewniony na całej powierzchni na poziomie molekularnym. Nie ma również zjawiska mieszania cząsteczek, tak jak ma to miejsce np. przy łączeniu spawanym. W sposób egzotermiczny można łączyć przewodniki umieszczone w gruncie – np. w instalacjach odgromowych. Odpowiedni przekrój połączenia zapewnia niewielką wartość rezystancji chroniąc przed wzrostem temperatury i przegrzaniem połączenia. To właśnie tym sposobem zapewnione jest zabezpieczenie przed degradacją i obniżaniem parametrów elektrycznych. Przetopione spoiwo oblewa przewodniki, przez co łączy się z nimi w sposób molekularny. Nie występują więc pęknięcia i miejsca bez ochrony antykorozyjnej. Połączenie jest chronione przed działaniem warunków środowiskowych, a ponadto materiał odpowiedzialny za spajanie nie wpływa negatywnie na przewodniki.

Przewagą technologii egzotermicznej nad połączeniami spawanymi jest to, że prawidłowo wykonany spaw zapewnia dobre przewodzenie elektryczne ale tylko w początkowym okresie użytkowania. Następnie połączenie ulega degradacji pogarszając sprawność elektryczną. W dużej mierze wynika to trudności w zakresie ochrony antykorozyjnej spawu oraz geometrii połączenia. Woda może bowiem przenikać do przewodników i inicjować korozję.
Oferowane na rynku zestawy egzotermiczne zapewniają zgodność połączeń z normami PN-EN 62561-1:2012 Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC) – Część 1: Wymagania dotyczące elementów połączeniowych, IEEE 837 Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding (Kwalifikacja trwałych połączeń dla uziemień podstacji) oraz UL 467 Grounding and Bonding Equipment (Osprzęt uziomowy i połączeniowy).

Na czym polega łączenie egzotermiczne?

Reakcja egzotermiczna jest reakcją chemiczną z dodatnim bilansem wymiany ciepła z otoczeniem. W uproszczeniu można więc powiedzieć, że jest to reakcja, która emituje ciepło. Ciepło powstające podczas reakcji dodatkowo przyspiesza jej przebieg. Łączenie egzotermiczne wykorzystuje grafitową formę, w której umieszcza się łączone przewodniki. Ważny jest odpowiedni kształt komory formy pozwalający na swobodne włożenie zestawu przewodników. Oprócz tego do formy wkłada się ładunek stanowiący mieszaninę obejmującą tlenek miedzi, aluminium oraz substancje pomocnicze. Proces łączenia inicjuje się za pomocą inicjatora elektronicznego lub pistoletu krzemieniowego. W wyniku reakcji ładunek przechodzi w postać ciekłą zalewając przewodniki i łącząc je. Wraz z zakończeniem reakcji chemicznej powstaje plomba łącząca przewodniki. Plomba bazuje na miedzi i substancjach pomocniczych, natomiast odpadem jest tlenek aluminium. Do połączenia plomby z przewodnikami dochodzi na poziomie molekularnym, dzięki czemu powstaje jednorodna powierzchnia. W praktyce czas wykonania takiego połączenia nie przekracza kilku minut.

Trwałość połączenia egzotermicznego wynosi ponad 40 lat. Warto podkreślić, że czas ten zdecydowanie przekracza trwałość ocynkowanych przewodników stalowych znajdujących się w ziemi oraz okres eksploatacji obiektów i instalacji z łączonymi przewodnikami.
Niektóre technologie wykonywania połączeń egzotermicznych wykorzystują specjalne systemy samouszczelniające zapobiegające wyciekaniu metalu tworzącego zgrzew. W takich rozwiązaniach przewiduje się uniwersalny blok z formą oraz komplet uszczelek z włókniny, dzięki czemu można wykonać wiele różnych połączeń zgrzewanych bez konieczności wymiany formy przy każdym połączeniu.
W niektórych zestawach połączeń egzotermicznych warto również podkreślić uproszczenie montażu dzięki wyeliminowaniu materiału zapalającego. Oprócz tego wykorzystuje się elektroniczne jednostki sterujące pozwalające na obsługę zgrzewania z odległości 1,8 m. Zapewnia to elastyczność zastosowania dzięki możliwości dotarcia do miejsc o utrudnionym dostępie. Proces zgrzewania przebiega podobnie jak w tradycyjnych systemach połączeń egzotermicznych, przy czym nie ma potrzeby zmieniania form.

Łączenie elementów uziomów

W odniesieniu do instalacji odgromowych połączenie egzotermiczne bardzo często jest wykorzystywane w uziomach fundamentowych, bowiem gwarantuje galwaniczną ciągłość pomiędzy sekcjami zbrojenia umieszczonymi w stopach fundamentowych. Można łączyć również marki będące stałymi punktami uziemienia.
Oprócz tego połączenia egzotermiczne coraz częściej stosuje się przy wykonywaniu siatek ekwipotencjalnych łącznie z wbudowanymi w żelbet oraz do łączenia rozbudowanych systemów uziemień.

Wykonanie połączenia egzotermicznego

Na etapie wykonywania typowego połączenia egzotermicznego w pierwszej kolejności przewodniki powinny być oczyszczone z substancji niemetalicznych i wszelkich śladów korozji. Jeżeli korozja na przewodniku jest znaczna to do oczyszczania można wykorzystać szlifierkę kątową. W przypadku mniejszej korozji powinna wystarczyć szczotka druciana.

W następnej kolejności sprawdza się czy forma jest czysta. Kluczową rolę odgrywa również drożność otworu spustowego. Wraz z pierwszym użyciem formy należy ją dokładnie osuszyć najlepiej za pomocą płomienia gazowego. Z kolei podczas jej pracy w trybie ciągłym, nie rzadziej niż co drugi strzał w ciągu 30 min, forma nie musi być ogrzewana. Wynika to stąd, że grafit cechuje się dobrymi właściwościami w zakresie magazynowania ciepła i znoszenia udaru cieplnego.
Następny etap wykonywania połączenia obejmuje wprowadzenie suchych i czystych przewodników do formy. Można użyć przy tym szeregu narzędzi dodatkowych w postaci uchwytów bednarek po to aby wyprofilować określony kształt elementów łączonych. Należy pamiętać, że na jakość połączenia wpływa również stabilne ustawienie formy i wyeliminowanie naprężeń przewodników.
W przypadku technologii łączenia bez zasobnika umieszcza się metalowy dysk w komorze zasypowej formy, po czym materiał zgrzewający wsypywany jest do komory. Materiał inicjujący wydrapuje się z dna pojemniczka. W takiej technologii łączenia wkłada się zintegrowany zasobnik do komory zasypowej i podpina inicjator elektroniczny. Nie można zapomnieć o zamknięciu formy. Na końcu forma jest otwierana i czyszczona oraz sprawdza się poprawność wykonania zgrzewu.
Trzy minuty to minimalny czas jaki jest potrzebny do wykonania pojedynczego zgrzewu. Należy pamiętać, aby nie umieszczać mokrych przewodników w formie lub nie korzystać z zimnej formy. Takie formy mogą zawierać wilgoć i powodować wyprysk ciekłego metalu. Oprócz tego pęcherzyki pary wodnej niejednokrotnie przedostają się do komory roztopionego spoiwa. A to – jak wiadomo – powoduje zwiększenie objętości metalu, który wpływa do komory przewodników. W efekcie może dojść do zatkania otworu spustowego i wydłużenia czasu wykonywania połączenia.

Wykonując połączenie trzeba pamiętać o podstawowych zasadach związanych z bezpieczeństwem pracy. Stąd też osoby, które mogą znaleźć się w pobliżu miejsca pracy powinny zachować szczególną ostrożność. Nie można zapomnieć o środkach ochrony osobistej w postaci okularów ochronnych. Należy odsunąć się na bezpieczną odległość od formy, którą wyznacza długość kabla inicjatora. Po zakończeniu procesu zgrzewania trzeba odczekać przynajmniej 30 s.

Podsumowanie

Technologia połączeń egzotermicznych doskonale sprawdza się przy łączeniu miedzi ze stalą, miedzi z miedzią, a także miedzi ze stalą ocynkowaną. Połączenie ma postać cząsteczkową przy wysokim poziomie odporności na korozję, co jest szczególnie istotne w instalacjach odgromowych, ochronie katodowej, połączeniach sygnalizacyjnych, trakcji kolejowej itp.
Proces wykonywania połączenia wykorzystuje formę grafitową oraz ładunek ze specjalnym proszkiem. To właśnie we wnętrzu formy umieszcza się elementy łączone i specjalny proszek. Po zainicjowaniu reakcji dochodzi do stopienia proszku i jego przejścia w stan ciekły, natomiast po zastygnięciu dochodzi do trwałego połączenia elementów. Jako zalety połączeń egzotermicznych wymienia się trwałość, odporność na działanie czynników atmosferycznych, dużą obciążalność prądową oraz odporność na wysokie udary prądowe. Połączenie jest beziskrowe i cechuje się stabilną rezystancją przejścia, wysokim poziomem wytrzymałości mechanicznej i krótkim czasem wykonywania. Do wykonywania połączenia nie potrzeba skomplikowanego osprzętu i specjalistycznych uprawnień.

---