Руководство по соединению алюминиевых кабелей: как выполнить надёжное соединение

Алюминиевое соединение кабелей выходит из строя по причинам, по которым медные соединения никогда не выйдут. Алюминий вступает в реакцию с воздухом в течение нескольких минут, образуя оксидный слой, который является изолятором; он медленно ползёт под постоянным давлением болтов; кроме того, в гальванической шкале он находится достаточно далеко от меди, чтобы подвергаться коррозии на любом незащищённом стыке. Каждый метод, надежно работающий с алюминием — компрессионные втулки, механические соединения с регулируемым моментом затяжки, биметаллические переходники — разработан с учётом одного или нескольких из этих трёх фактов. Выберите метод, игнорирующий их, и соединение будет выглядеть исправно в день изготовления, но через год начнёт перегреваться.

В данном руководстве рассказывается о том, чем отличается алюминий, о методах соединения, учитывающих эти особенности, о том, как шаг за шагом изготовить компрессионное соединение алюминиевого кабеля, а также о мерах контроля, позволяющих выявить некачественное соединение до того, как оно станет причиной неисправности.

Почему для соединений из алюминия нужен отдельный метод

Три свойства, приведенные ниже, — это не мелочи. Каждое из них исключает применение метода, который вполне допустим при использовании меди.

Оксидная пленка восстанавливается за считанные минуты

Оксид алюминия отличается твердостью, прочностью и непроводностью. Он начинает образовываться на только что зачищенной поверхности практически сразу и достигает необходимой толщины задолго до того, как рабочая бригада завершит монтаж соединения. Именно по этой причине в соединении алюминиевых элементов нельзя полагаться на простой контакт «металл к металлу»: соприкасающиеся поверхности должны быть либо механически пробиты, как при обжимном соединении, либо защищены ингибитором окисления, который не допускает попадания воздуха на поверхность соединения в течение всего срока службы установки. Именно поэтому алюминиевые проводники обрабатывают металлической щеткой непосредственно перед монтажом и никогда не оставляют их просто лежать.

Алюминий подвергается ползучести под давлением, создаваемым болтовым соединением

Алюминий медленно деформируется под длительной сжимающей нагрузкой — этот эффект обычно называют ползучестью или холодным течением. В болтовом соединении это проявляется в виде постепенной потери зажимной силы: проводник слегка сплющивается, соединение ослабевает, давление контакта падает, а сопротивление контакта возрастает. Термоциклирование ускоряет этот процесс, поскольку алюминий расширяется и сжимается в большей степени, чем медь или сталь, с которыми он соединен болтами. Компрессионные соединения позволяют избежать ползучести за счет необратимой деформации трубки вокруг проводника. В механических соединениях эту проблему необходимо целенаправленно решать с помощью обеспечения достаточной площади зажима, использования пружин или элементов Бельвилля в более совершенных конструкциях, а также проверки момента затяжки в рамках графика технического обслуживания.

Гальваническая коррозия на каждой границе раздела с медью

Когда алюминий соприкасается с медью в условиях влажности, эти два металла образуют гальваническую ячейку, и коррозии подвергается именно алюминий. Эта же проблема рассматривалась в нашем сравнении медные и алюминиевые кабельные наконечники, и это в равной степени относится как к соединениям, так и к клеммным соединениям. Рекомендуемый ответ тот же: ни в коем случае не допускайте прямого контакта двух металлов. Используйте биметаллический переходный соединитель с соединением «медь-алюминий», выполненным методом сварки трением, либо выполните алюминиевое соединение полностью из алюминия, а переход на медь осуществите на клемме оборудования.

Методы соединения алюминиевых проводников

Три семьи выполняют практически все работы по соединению алюминиевых труб в распределительных сетях.

Компрессионные соединения с алюминиевыми соединительными трубками

В компрессионном соединении используется алюминиевая трубка, которую часто называют соединительной или сращивающей трубкой; она надевается на оба конца проводника, а затем сжимается с помощью гидравлического или механического обжимного инструмента. В процессе обжима трубка необратимо деформируется вокруг проводника, пробивая оксидные слои на обеих поверхностях и обеспечивая контакт чистых металлических поверхностей под давлением, достаточным для создания газонепроницаемого соединения, сварного холодным способом. Поскольку соединение является газонепроницаемым, оно устойчиво как к повторному окислению, так и к проникновению влаги — именно поэтому обжимное соединение является стандартным решением для постоянных соединений, включая те, которые будут заглублены в грунт или герметично заключены в капсулу.

GGLDF’s Соединительная трубка из алюминия GL используется для сквозного сращивания алюминиевых проводников в распределительных сетях, а ассортимент включает в себя вариант с масляным уплотнением для установок, в которых соединение необходимо защитить от проникновения влаги вдоль проводника. Оба типа поставляются через кабельная соединительная трубка и клеммная колодка.

Механические соединительные разъемы с регулировкой крутящего момента

Механическое соединение выполняет ту же функцию без использования обжимного инструмента. Концы проводников вставляются в втулку и зажимаются шестигранными болтами, затянутыми с заданным моментом затяжки. За пределами зон зажима втулка не подвергается постоянной деформации, поэтому соединение можно разъединить, осмотреть и затянуть заново.

Что касается именно алюминия, то успех механического метода полностью зависит от строгого соблюдения момента затяжки. Недостаточный момент затяжки приводит к слишком низкому давлению прилегания, в результате чего оксидный слой в точках соприкосновения не сдвигается должным образом, и соединение нагревается. Чрезмерный крутящий момент приводит к сдавливанию витков резьбы и может повредить резьбу втулки. Во многих современных конструкциях используются болты со срывной головкой, которые отрываются при достижении расчётного крутящего момента, что позволяет заменить динамометрический ключ визуальным индикатором; обычный болт с шестигранной головкой, как, например, используемый в GGLDF’s Механический разъем BLMT с крутящим моментом, необходимо затянуть гаечным ключом до значения, указанного производителем.

Биметаллические переходные соединители в местах соединения меди и алюминия

Когда соединение действительно должно обеспечивать переход между разными материалами — например, от алюминиевого воздушного провода к медной шине — этот переход должен осуществляться внутри специально предназначенного для этого соединителя, оснащенного барьером из меди и алюминия, сварным методом трения, а не на болтовом соединении между двумя металлами. Биметаллические соединители обычно имеют сторону из оловянной меди, поскольку оловянное покрытие снижает коррозию и улучшает контакт с сопрягаемой поверхностью.

Компрессионные или механические: как выбрать

Как выполнить компрессионное соединение на алюминии

Приведенная ниже последовательность действий представляет собой общий метод; в случае расхождений между техническими требованиями вашего проекта, рекомендациями производителя соединителей или стандартами энергоснабжающей организации следует руководствоваться более строгими инструкциями.

Пошагово

1. Изолировать и подтвердить смерть. Отключите цепь, убедитесь в отсутствии напряжения и наденьте средства индивидуальной защиты в соответствии с установленными процедурами. Ни в коем случае не выполняйте соединение на проводнике, находящемся под напряжением.
2. Аккуратно отрежьте провод. Используйте специальные кусачки для кабеля и сделайте ровный срез. Не используйте ножовку и следите за тем, чтобы ни одна жила не была задета или перерезана.
3. Отрежьте до нужной длины. Длина зачищенного участка должна немного выступать за пределы конца трубки с каждой стороны, чтобы изоляция не застряла внутри соединения. Руководствуйтесь размерами, указанными производителем кабеля или поставщиком разъема, а не ориентируйтесь на приблизительные оценки.
4. Прочистите проводник. Очистите проводник металлической щеткой до блеска, а также очистите внутреннюю поверхность трубки. Не прикасайтесь к очищенному металлу голыми руками.
5. Немедленно нанесите ингибитор окисления. Немедленно нанесите указанный герметик на очищенную щеткой поверхность проводника и внутреннюю поверхность трубки, пока не успел вновь образоваться слой оксида. Если металл потускнеет до начала сборки, очистите его щеткой и нанесите герметик заново.
6. Вставьте оба конца в центр. Заранее отметьте глубину вставки, чтобы оба проводника сошлись в середине трубки. Их необходимо ввести до конца — в месте соединения, где один из проводников не доходит до конца, площадь контакта будет значительно меньше, чем предусмотрено конструкцией.
7. Выберите подходящую матрицу и выполните обжим. Установите матрицу, соответствующую размеру трубки, и выполните полный набор обжима в последовательности, обозначенной на трубке или указанной производителем инструмента. Недостаточное количество обжимов, их недостаточная глубина или смещение относительно центра — наиболее распространённые причины образования соединения, которое проходит визуальный контроль, но при этом перегревается.
8. Осмотрите обжимное соединение. Убедитесь в равномерности деформации вдоль стыка, отсутствии трещин в трубе, отсутствии выпячивания жил за пределы трубы, а также в том, что труба не деформирована и не искривлена. В широко используемом руководстве по приемке допустимый изгиб ограничивается примерно 2% длины трубы, однако уточните это значение в соответствии с техническими условиями вашего проекта.
9. Удалите излишки пасты. Удалите излишки ингибитора с внешней поверхности соединения, а затем восстановите теплоизоляцию и влагоизоляцию с помощью комплекта для соединений или термоусадочной системы, рекомендованных для данной области применения. Компрессионное соединение является газонепроницаемым; система теплоизоляции защищает все, что находится вокруг него.

Проверка соединения после монтажа

Алюминиевый кабельный соединитель следует не просто осмотреть, а измерить. В рабочую инструкцию стоит включить три пункта проверки.

• Контактное сопротивление. Измерьте сопротивление в месте соединения с помощью микроомметра или омметра для измерения низких сопротивлений и сравните полученное значение с показанием для участка того же проводника такой же длины. В качестве общепринятого критерия приемки считается, что сопротивление в месте соединения не должно превышать примерно 1,1-кратного значения сопротивления эквивалентного участка проводника — уточните точный критерий в технических условиях вашего проекта.
• Проверка крутящего момента. При выполнении механических соединений убедитесь, что каждый болт затянут с соблюдением указанного значения, и зафиксируйте эти показатели. Момент затяжки является единственным подтверждением того, что соединение выполнено правильно, а также является проверкой, которую необходимо повторять в ходе технического обслуживания.
• Тепловизионное обследование под нагрузкой. После ввода цепи в эксплуатацию тепловизионное обследование соединения под нагрузкой позволяет определить, выделяется ли тепло из-за сопротивления контакта. Именно эта проверка позволяет выявить ненадёжное соединение, которое прошло электрические испытания в холодную погоду.

Где происходят отказы алюминиевых кабельных соединений

• Оксид остался на месте. Проводник был задет, но это не повлияло на его работу, либо его задели, а затем оставили стоять до начала сборки.
• Неправильная трубка или матрица. Трубка, рассчитанная на другое сечение проводника, или матрица, не соответствующая трубке, приводит к образованию соединения, которое выглядит правильно, но имеет неправильное давление.
• Не вставлено до конца. Один проводник заканчивается чуть не доходя до центра трубки, что уменьшает эффективную длину контакта вдвое.
• Неполное обжимание. Слишком мало обжима, либо обжимы неглубокие, либо расположены не в указанных местах.
• Механические болты, затянутые с недостаточным моментом затяжки. Основной тип отказа механических соединений, а также причина существования конструкций с регулируемым крутящим моментом.
• Прямой контакт меди с алюминием. Соединение двух металлов без биметаллического барьера в условиях, где присутствует влага.
• Миграция влаги вдоль проводника. Попадание воды в алюминиевый проводник с изоляцией и проникновение её в место соединения — проблема, которую решают конструкции с масляным уплотнением и герметичной оболочкой.
• В условиях вибрации повторная затяжка не требуется. Механическое соединение в конструкции, подверженной вибрации или интенсивным термическим циклам, которое больше никогда не проверяется.

Часто задаваемые вопросы

Почему нельзя просто скрутить два алюминиевых проводника?

Надежность скрученных соединений зависит от чистого контакта «металл-металл», а алюминий не обеспечивает его. Оксидная пленка мгновенно восстанавливается и продолжает расти, сопротивление контакта возрастает, а соединение нагревается. Кроме того, скрученные алюминиевые соединения механически не прочные и ослабляются при термоциклировании. Используйте компрессионную втулку или механический муфтовый соединитель.

В чём заключается разница между соединительной трубкой и кабельным наконечником?

Соединительная трубка образует линейное соединение между двумя концами проводника — соединение располагается посередине отрезка кабеля. Кабельный наконечник заделывает один конец проводника на оборудовании, поэтому соединение осуществляется с помощью болтового зажима. Оба элемента подпадают под действие одного и того же семейства стандартов, но решают разные задачи; сам процесс обжима описан в нашем Руководство по обжимке кабельных наконечников.

Можно ли повторно использовать компрессионное соединение?

Нет. Обжим приводит к необратимой деформации трубы, поэтому соединение придётся вырезать и сделать заново. Если предполагается, что установку придётся вновь вскрывать — для тестирования, изменения конфигурации или временного подключения — вместо этого используйте механический муфтовый соединитель с регулировкой момента затяжки.

Механическое соединение так же надежно, как компрессионное?

При правильном затягивании современное механическое соединение обеспечивает стабильное соединение с низким сопротивлением на алюминии, а также позволяет проверять и повторно затягивать соединение в процессе эксплуатации, чего нельзя сделать в случае обжимного соединения. Обжимное соединение сохраняет свои преимущества в постоянных, высокоточных и герметичных установках, поскольку соединение получается «холодносварным» и газонепроницаемым. Правильный выбор обычно зависит от того, потребуется ли когда-либо разъединять соединение.

Какой стандарт применяется к соединениям алюминиевых кабелей?

Разъемы данного типа обычно определяются в соответствии со стандартом IEC 61238-1 для компрессионных и механических разъемов, применяемых в силовых кабелях, а также в соответствии со стандартом ANSI C119.4 для разъемов, используемых при соединении алюминиевых с алюминиевыми или алюминиевых с медными проводниками. В технических условиях проекта часто добавляются требования местных энергоснабжающих организаций. При покупке важно, чтобы в протоколе испытаний были указаны именно тот разъем и та комбинация проводников, которые вы фактически устанавливаете, а не просто семейство продуктов.

Требуют ли алюминиевые соединения технического обслуживания?

В сжатых соединениях этого не происходит. В механических соединениях — происходит: принято повторно проверять момент затяжки болтов через определённый промежуток времени, а в случаях, когда соединение подвергается вибрации или значительным перепадам температуры, — и вовсе чаще, поскольку как термоциклирование, так и ползучесть со временем приводят к ослаблению зажимного усилия.

Выбор алюминиевых соединений и фитингов

Алюминиевое кабельное соединение — одно из немногих мест в электромонтажных работах, где небольшая ошибка в технических характеристиках приводит к появлению «горячего» соединения, а не к очевидной неисправности, поэтому полезный разговор с поставщиком должен касаться данных о проводниках, а не цены за единицу. Сообщите материал, сечение и класс проводника, тип соединения, которое вы планируете использовать, условия эксплуатации соединения, а также укажите, потребуется ли когда-либо вскрывать соединение.

Компания GGLDF производит алюминиевые соединительные трубки, биметаллические переходные муфты и механические клеммы с затяжкой для распределительных сетей, а также медные трубки и клеммы, используемые в медной части тех же проектов. Сообщите нашей команде, что именно вы собираетесь соединять и где, и мы подберем подходящую муфту и необходимый для этого инструмент — свяжитесь с нашим отделом технической поддержки и продаж.