Из пункта А в пункт Б

Свыше 2,5 млн км линий электропередач окутывают паутиной огромную территорию России. Каждую минуту по проводам проносятся заряженные частицы, принося в различные точки страны энергию жизни, а жизнь, как говорил Аристотель, требует движения.
Всем известно, что для передачи электроэнергии от источника до потребителя используют провода и кабели, изготовленные из меди или из алюминиевых сплавов. Совершенно очевидно, что такая огромная страна, как Россия, для прокладки линий электропередачи использует алюминиевые провода и кабели. О чем тут говорить? Алюминий дешевле - этим все объясняется. И, тем не менее, по своим электротехническим свойствам медь превосходит алюминий. Поэтому в местах потребления - в бытовых и производственных зданиях, сооружениях, как бы нам ни хотелось использовать алюминиевые провода, специалисты требуют применять медные провода и кабели, токоведущие шины. Об этом также строго говорит «азбука» энергетики ПУЭ (Правила устройства электроустановок). Вот Вам и камень преткновения.

 

Электрохимическое соло

Надежда – это сон наяву, как говорил тот же Аристотель. Так и в нашем случае: пытаясь сделать контактное соединение «алюминий - медь», мы погружаемся в сладкий сон, надеясь, что все будет хорошо и что дешевый алюминиевый наконечник составит прекрасную пару благородному медному проводнику. Не тут-то было. Не пройдет и мгновения, как этот дуэт превратится в трио, и главное соло достанется разрушительной электрохимической коррозии.

Контакт (латин. contactus – прикосновение) – это место прикосновения электрических проводников. И от того, насколько хорош контакт, зависит степень потерь энергии при переходе через контактное соединение. В чем же суть проблемы соединения «алюминий - медь»? Почему возникает коррозия?

Немного химии

Стоит контактному соединению «алюминий – медь» попасть во влажную среду, что неизбежно в атмосферных условиях российского климата, моментально запускается процесс электрохимической коррозии алюминия. Почему алюминия, а не меди? Рассмотрим вопрос с точки зрения химии.

При электрическом контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящимися в электролите, образуется гальванический элемент. Поведение металлов зависит от значения их электродного потенциала. Металл, имеющий отрицательный электродный потенциал, отдает положительно заряженные ионы в раствор, и растворяется. Избыточные электроны перетекают в металл с высоким электродным потенциалом. В нашем случае электродный потенциал алюминия (Al³⁺ + 3e=Al (E=-1,66В)) меньше, чем у меди (Cu²⁺ + 2e=Cu (E=+0,34B)), поэтому алюминий обладает большей способностью отдавать электроны. Проще говоря, алюминий – это анод, медь – катод, а влажная среда – это электролит. Идеальные условия для разрушения алюминия.
Таким образом, сырой контакт алюминия и меди приводит к тому, что ионы алюминия, переходя во влажную среду, будут осаждаться в месте контакта в виде гидроксида алюминия Al(OH)₃, а свободные электроны будут переходить на медь, способствуя непрерывному разрушению алюминия. Это приводит к повышению сопротивления контактного соединения и потерям электроэнергии.

Сварка трением – не панацея, но тем не менее...

Казалось бы, разрушение неизбежно. Во влажной среде коррозию не остановить. Но процессом можно управлять, и достаточно успешно. Главное - это снизить скорость его протекания, исключив (насколько это возможно) попадание электролита между металлами.

Существуют многие способы защиты от коррозии, но в нашем случае широко практикуются два – это сварка трением и газодинамическое напыление.

Сварка трением – это разновидность сварки давлением. Метод позволяет изготовить сварное алюмомедное изделие (алюмомедый наконечник, гильза или шайба). Как формируется сварной шов алюминия и меди?

Закрепляется медный пруток, а быстро вращающийся алюминиевый пруток с усилием поджимают к торцу медного прутка. Под действием сил трения в зоне контакта происходит нагрев слоев меди и алюминия до пластического состояния, которые при остановке вращающегося прутка свариваются. В результате в зоне контакта образуется сварной шов на межмолекулярном уровне.

Нельзя не упомянуть метод контактной сварки, который также подходит для изготовления алюмомедных наконечников. Однако на практике оказалось, что медная лопатка, приваренная контактной сваркой, довольно часто отваливалась. Происходило это за счет недостаточной подготовки контактных поверхностей перед сваркой. В данном случае человеческий фактор сильно влиял на формирование таких недостатков, как неравномерность пятна контакта свариваемых поверхностей, очагов возникновения коррозии изнутри и др.

Газодинамическое напыление подразумевает нанесение медной подложки на контактную часть алюминиевого наконечника. Нагретый сжатый воздух подается в сверхзвуковое сопло. В сопле формируется сверхзвуковой воздушный поток, в который подается смесь из порошка меди и керамического порошка (для уплотнения слоев и снижения пористости покрытия). Частицы металла, набравшие в струе газа огромную скорость, при ударе об алюминиевую подложку размягчаются и привариваются к ней. В результате, на поверхности алюминия образуется тонкий слой меди.

Напомним, что данные методы не позволяют исключить коррозию, а лишь позволяют ею управлять, значительно замедлить ход процесса.
Всегда есть плюсы и минусы, исходя из которых выбирается тот или иной способ решения проблемы. Конечно, зачастую главным фактором является стоимость изделия, и тогда газодинамическое напыление выходит на первый план, так как в этом случае значительно сокращается количество используемой меди. Но есть критерий, который по своей важности легко отодвигает стоимость на второй план. Это надежность.

Толщина слоя медного покрытия составляет не более 20 мкм, и этот слой может быть легко поврежден при хранении, монтаже, транспортировке или в других случаях. При этом пористость медного покрытия увеличивает вероятность попадания влаги (электролита) в зону контакта алюминия и меди, отсюда более быстрое по сравнению со сварным алюмомедным изделием начало и развитие коррозии. В данном случае такие преимущества как дешевизна изделия, механическая прочность цельной алюминиевой лопатки оказывают второстепенное влияние на снижение потерь электроэнергии в контактном соединении.

При применении алюмомедных наконечников, изготовленных методом сварки трением, контактное соединение формируется между медной частью лопатки и медной шиной. Контакт алюминия и меди существует только в сварном шве. Конечно, прочность сварного шва алюмомедного наконечника может быть ослаблена из-за процесса коррозии по периметру шва, но этот процесс настолько медленный, что практически не влияет на срок службы наконечника, что говорит о надежности работы такого контактного соединения и минимальной потере электроэнергии в нем.

Занимаясь изучением проблемы контакта алюминия и меди, специалисты «Электротехнического завода КВТ» пришли к выводу, что метод сварки трением наилучшим образом обеспечивает защиту контактного соединения от электрохимической коррозии. Проще говоря, таким методом мы создаем надежный барьер в виде сварного шва, защищающий контакт «алюминий - медь» от попадания в среду электролита. Вероятность возникновения сырого контакта алюминия и меди сводится к минимуму.

Результаты испытаний, опыт эксплуатации и статистика диктуют необходимость применения алюмомедных наконечников и гильз в условиях российского климата.