Prawidłowy dobór i zaciśnięcie końcówek kablowych na żyłach miedzianych i aluminiowych

fot. Zaprasowywanie końcówki kablowej HMA

Rozwijający i zmieniający się bardzo dynamicznie rynek przewodów i kabli jest stymulatorem rozwoju dla producentów końcówek kablowych. Zakład Aparatury Elektrycznej ERGOM, jako jeden z liderów tego rynku w Polsce, wprowadza do oferty nowe typ końcówek miedzianych i aluminiowych do przewodów i kabli z żyłami okrągłymi wielodrutowymi typu RMC/RMV klasy 2 oraz do przewodów i kabli z żyłami miedzianymi lub aluminiowymi klasy 5. W celu zagwarantowania odpowiedniej jakości zaciśnięcia wraz z nowymi typami końcówek oferowane są również specjalnie zaprojektowane matryce zaciskające, w których zachowane są właściwe proporcje pomiędzy odkształceniem końcówki i żyły roboczej a dopuszczalną ilością wolnej przestrzeni między poszczególnymi drutami w żyle.

Budowa żyły roboczej przewodu/kabla

W celu ułatwienia właściwego doboru końcówki do żyły przewodu wprowadzono w normach następujące oznaczenia kształtu i budowy żył, które znajdują się na izolacji zaraz po oznaczeniu liczby żył i ich przekroju; są to:

• RE – żyła okrągła jednodrutowa,
• RM – żyła okrągła wielodrutowa,
• RMC/RMV – żyła okrągła wielodrutowa zagęszczona/kompaktowa
• SE – żyła sektorowa jednodrutowa,
• SM – żyła sektorowa wielodrutowa.

Ponadto norma PN-EN 60228:2007 „Żyły przewodów i kabli” definiuje dla powyższych konstrukcji odpowiednie klasy giętkości dla żył miedzianych (klasa 1, 2, 5 i 6) oraz żył aluminiowych (klasa 1 i 2). Norma ta nie definiuje klasy 5 dla żył aluminiowych, które coraz częściej występują na rynku i w wielu aplikacjach zastępują przewody i kable z żyłami miedzianymi – Tabela 1. 

Tabela 1

Właściwy dobór końcówki kablowej

Obecnie produkowane nowe przewody i kable miedziane oraz aluminiowe z żyłą RMC/RMV klasy 2 mogą mieć średnicę żyły roboczej nawet o 15-20% mniejszą niż ich odpowiedniki (RM klasy 2) stosowane w przeszłości. Dzięki nowej konstrukcji producenci są w stanie wyprodukować przewody i kable mniejsze oraz lżejsze przy zachowaniu takich samych parametrów elektrycznych i mechanicznych. Zmniejszenie średnicy żyły roboczej stało się przyczyną poważnego problemu, ponieważ produkowane dotychczas końcówki rurowe zostały zaprojektowane z myślą o żyle okrągłej wielodrutowej typu RM klasy 2. Oznacza to, że stosowane dotychczas końcówki są za duże i nie mogą być poprawnie zaciśnięte na przewodzie przy użyciu dotychczas stosowanych narzędzi i matryc zaciskających – Tabela 2.

Tabela 2

Stosując d­­o przewodów i kabli o budowie żyły roboczej RMC/RMV standardowo produkowaną dotychczas końcówkę (dedykowaną do przewodów o profilu RM) i dedykowaną do niej wielkość gniazda matrycy zaciskającej, można nie osiągnąć wymaganego odkształcenia, a co za tym idzie parametrów mechaniczno-elektrycznych połączenia, opisanych w wymaganiach normy PN-EN 61238-1. Pozostawienie wewnątrz zaciśniętej końcówki zbyt dużo wolnej przestrzeni pomiędzy żyłami przekłada się bezpośrednio na obciążalność prądową oraz wytrzymałość mechaniczną połączenia w czasie. Zbyt słabo zaciśnięta końcówka wpływa negatywnie na jakość połączenia, również zbyt mocna deformacja części rurowej końcówki i samej żyły przewodu będzie miała niekorzystny wpływ na parametry mechaniczno-elektryczne połączenia – Tabela 3. Zastosowanie matrycy o złym profilu zaciśnięcia może spowodować występowanie w miejscu odkształcenia naprężeń mechanicznych i termicznych, co w efekcie doprowadzi do uzyskania połączenia o złej jakości. 

Tabela 3

Odpowiednią jakość połączenia gwarantującą optymalne parametry mechaniczno-elektryczne można osiągnąć poprzez stosowanie końcówek zaprojektowanych do danego typu i przekroju żyły roboczej przewodu lub zastosowanie matrycy, w której zachowane są właściwe proporcje pomiędzy odkształceniem końcówki i żyły roboczej a dopuszczalną ilością wolnej przestrzeni pomiędzy poszczególnymi drutami w żyle. Przy obciążeniu końcówki prądem zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 61238-1 największe przyrosty temperatury wystąpią na końcówce standardowej zaciśniętej na żyle RMC za pomocą matrycy standardowej a najmniejsze na końcówce dedykowanej do żyły RMC i zaciśniętej dedykowaną matrycą. Końcówka standardowa zaciśnięta na żyle RMC za pomocą specjalnie zaprojektowanej matrycy charakteryzuje się przyrostem temperatury na poziomie końcówki dedykowanej do żyły RMC – Tabela 4. Kryterium oceny jakości połączenia w przypadku nagrzewania końcówek prądem o określonym natężeniu jest to, aby przyrost temperatury końcówki nie był większy niż przyrost temperatury odcinka referencyjnego, którym jest odcinek żyły.

Tabela 4

Znacznie więcej uwagi przy doborze końcówek i narzędzi zaciskających wymagają przewody i kable z  żyłami aluminiowymi skręcanymi klasy 5. Ze względu na specyfikę materiału, z którego wykonana jest żyła przewodu lub kabla należy stosować końcówki bimetaliczne AL.-Cu w celu wyeliminowania efektu korozji elektrochemicznej przy bezpośrednim łączeniu, np. końcówki aluminiowej do miedzianej szyny zbiorczej lub odwrotnie. Dodatkowo w celu ograniczenia do minimum powstawania tlenków aluminium na żyle roboczej, które są doskonałymi dielektrykami,  należy tak wykonać zaciśnięcie aby, najlepiej całkowicie, wyeliminować puste przestrzenie pomiędzy drutami żyły roboczej w zaciśniętej końcówce– Tabela 5.

Tabela 5

Właściwie dobrana do danego typu żyły końcówka i matryca zaciskająca zagwarantują najwyższą jakość połączenia zarówno pod względem wytrzymałości mechanicznej jak również pod względem niskiej rezystancji połączenia i niskich przyrostów temperatury przy obciążeniu prądem znamionowym. Na przykład dla końcówki miedziano-aluminiowej typu KCA zaciśniętej na żyle aluminiowej skręcanej 5 klasy o przekroju 240mm² i obciążeniu prądem znamionowym 550A AC temperatura odcinka referencyjnego w stanie ustalonym wyniosła 89°C a temperatura końcówki mierzona na połączeniu miedzi i aluminium 70,7°C.

Innym przykładem rozwiązania problemu podłączania żył aluminiowych do zacisków miedzianych w aparatach są końcówki tulejkowe miedziano-aluminiowe typu HMA. Końcówki typu HMA spełniają wszystkie funkcje zwykłych końcówek tulejkowych zgodnych z normą DIN 46228/1 - utrzymują druty z których zbudowana jest żyłą robocza zmniejszając ryzyko zwarć, zabezpieczają przed przecinaniem drutów żyły, zwiększają odporność połączenia na drgania i wstrząsy, poprawiają pewność zamocowania żyły w zacisku. Podstawową zaletą końcówek HMA jest jednak zabezpieczenie połączenia przed korozją galwaniczną na styku aluminiowej żyły z miedzianym zaciskiem aparatu. Zapewnia to specjalna budowa końcówek HMA - zewnętrzna warstwa Cu i wewnętrzna warstwa Al są ze sobą zespolone i całkowicie separują żyłę od zacisku. Po zaciśnięciu końcówki przy użyciu dedykowanej praski PZP 25/10-25T, uzyskuje się wyjątkowo dobre sprasowanie żyły zabezpieczające ją przed poluzowaniem i utrudniające dostęp powietrza, dzięki czemu unika się utleniania żyły – Tabela 6.

Tabela 6

Podsumowanie

Ciągły rozwój techniki wytwarzania żył miedzianych i aluminiowych stosowanych do budowy przewodów i kabli zmierzający w kierunku ograniczenia zużycia materiałów przy zachowaniu ich parametrów elektrycznych oraz mechanicznych wymusza również zmiany w projektowaniu i wykonywaniu końcówek i łączników. Przykładem takiej zmiany jest nowa linia końcówek i łączników miedzianych zaprojektowanych do żył zagęszczonych RMC/RMV klasy 2 oraz końcówki tulejkowe miedziano-aluminiowe typy HMA zaprojektowane do żył aluminiowych skręcanych klasy 5.  Opracowane przez naszych inżynierów specjalne matryce zaciskające, zapewniają uzyskanie połączenia o wymaganej jakości w sposób pewny, szybki i efektywny.

Zastosowanie właściwej końcówki oraz matrycy zaciskającej zaprojektowanej do danej budowy żyły roboczej  gwarantuje, że połączenie będzie spełniało wymagania zdefiniowane w normie PN-EN 61238-1 2004 zarówno pod względem mechanicznym jak i elektrycznym.

Jeżeli zastosowana końcówka, matryca zaciskająca oraz żyła, na której końcówka jest zaciskana nie będą ze sobą kompatybilne, wówczas z czasem pogarszające się parametry mechaniczno-elektryczne połączenia mogą doprowadzić do jego uszkodzenia, jak na zdjęciu poniżej.