Al + Cu: Ako správne spájať hliníkové a medené vodiče

Ako bezpečne spojiť hliníkové a medené vodiče, prečo WAGO 221 nestačí a kedy použiť Al/Cu svorku, Cupal alebo bimetalické oko.

> Nie každá svorka, do ktorej sa Al a Cu zmestia, je svorka, v ktorej Al a Cu smú byť spolu.

Pri elektroinštaláciách sa stále stretávame so situáciou, keď potrebujeme spojiť hliníkový (Al) a medený (Cu) vodič.

Na prvý pohľad to vyzerá jednoducho. Vodiče vložíme do svorky, dotiahneme alebo zacvakneme a spoj je hotový. Lenže pri Al/Cu spoji nestačí, že vodiče mechanicky držia, elektricky vedú, pri meraní máme kontinuitu a pri bežnej prevádzke sa nič viditeľné nedeje.

Dôležité je, či je konkrétny spojovací prvok určený na konkrétnu kombináciu vodičov a či bol namontovaný podľa podmienok výrobcu.

1. Prečo je spoj Al + Cu špecifický?

Hliník a meď majú rozdielne vlastnosti. Rozdielna je napríklad:

• elektrická vodivosť,
• tepelná rozťažnosť,
• mechanické vlastnosti,
• správanie povrchu vodiča,
• tvorba oxidickej vrstvy,
• elektrochemické vlastnosti.

Preto sa pri ich spojení nerieši iba otázka: „Ako ich mechanicky spojím?“

Správna otázka znie: „Ako vytvorím dlhodobo stabilný elektrický a mechanický kontakt medzi dvoma rozdielnymi kovmi?“

A práve na tento problém existujú konkrétne spojovacie prvky a montážne postupy.

2. Prechodový odpor: malý odpor, veľké teplo

Každý elektrický spoj má určitý kontaktný odpor. Pri kvalitnom spoji je veľmi malý. Ak sa však kontaktné podmienky zhoršia, odpor môže narásť.

A potom nastupuje jednoduchá fyzika:

> P = I² × R

Teda výkon, ktorý sa mení na teplo, rastie so štvorcom prúdu a priamo s odporom. Napríklad pri prúde 20 A:

| Kontaktný odpor | Výkon v spoji | |---:|---:| | 1 mΩ | 0,4 W | | 10 mΩ | 4 W | | 50 mΩ | 20 W |

Dvadsať wattov rozptýlených na veľmi malej kontaktnej ploche už rozhodne nie je zanedbateľná hodnota.

vyšší odpor → viac tepla → degradácia kontaktu → ešte vyšší odpor → ešte viac tepla

Pri elektrických spojoch je preto veľmi dôležité nielen to, koľko prúdu obvodom tečie, ale aj ako kvalitne je vytvorený samotný kontakt.

3. Kontinuita nie je dôkaz kvality spoja

Toto je dôležité najmä pri kontrolách a revíziách. Ak zmeriame spoj a prístroj ukáže kontinuitu, vieme, že medzi meracími bodmi existuje elektrické spojenie.

To však ešte neznamená, že spoj:

• má správny kontaktný tlak,
• má dostatočnú kontaktnú plochu,
• je určený na Al vodič,
• je určený na kombináciu Al/Cu,
• bude dlhodobo stabilný,
• je správne dimenzovaný,
• bol namontovaný podľa pokynov výrobcu.

> Kontinuita nie je dôkaz kvality spoja. Je to iba jedna z informácií o jeho aktuálnom stave.

4. Môže svorka zhorieť aj pri malom odbere?

Áno. Ale je dôležité správne vysvetliť prečo.

Ak cez spoj skutočne tečie iba malý prúd, samotné Jouleovo teplo I²R bude pri bežných hodnotách odporu malé. Problém môže vzniknúť vtedy, keď je kontakt poškodený alebo uvoľnený a počas prevádzky sa prerušuje a znovu spája.

Pri prerušení kontaktu môže vzniknúť elektrický oblúk. Ten vytvára veľmi koncentrované teplo na malej ploche a môže ďalej poškodzovať kontakt aj izoláciu.

zlý kontakt → prerušovanie → elektrický oblúk → lokálne prehriatie → poškodenie kontaktu → ešte horší kontakt → ďalší oblúk → požiar

Fluke tento jav opisuje ako „glowing connection“ a upozorňuje aj na sériové oblúky pri spojoch, ktoré sa opakovane spájajú a prerušujú. Takéto lokálne zahrievanie nemusí byť sprevádzané dostatočne veľkým nadprúdom na vypnutie ochranného prístroja.

Preto môže byť svorka pri kontrole už opálená, sčernetá, roztavená alebo poškodená oblúkom, hoci v čase merania cez ňu tečie iba malý prúd.

!Poškodené časti vodičov a svorky po lokálnom prehriatí

Zhorená svorka teda nemusí znamenať, že cez ňu dlhodobo tiekol obrovský prúd. Môže znamenať, že spoj bol dlhodobo zlý alebo prerušoval kontakt.

5. Prečo nemusí istič vypnúť?

Toto je časté nedorozumenie. Istič chráni obvod pred nadprúdom. Zlý kontakt však nemusí vytvoriť klasický skrat ani dostatočne veľký nadprúd.

Môže vzniknúť lokálne zahrievanie alebo sériový oblúk, pričom prúd celým obvodom zostáva pod hranicou, pri ktorej by istič vypol.

> „Istič nevypol“ ≠ „spoj bol v poriadku“.

6. Tepelná kamera – výborný pomocník, ale nie certifikácia

Termovízia môže veľmi dobre odhaliť:

• prehrievajúcu sa svorku,
• uvoľnený spoj,
• zvýšený kontaktný odpor,
• nerovnomerné zaťaženie,
• problémový prechod.

Ale platí: studená svorka ešte nemusí byť dobrá svorka.

Ak je obvod v čase kontroly prakticky nezaťažený, problém sa nemusí výrazne prejaviť. Termovízia preto ukazuje predovšetkým správanie spoja pri konkrétnom zaťažení a v konkrétnom okamihu. Nie je to dôkaz, že použitá svorka je výrobcom schválená na danú kombináciu vodičov.

7. Hliník a jeho oxidická vrstva

Jedným z typických problémov hliníka je jeho povrch. Na hliníku sa vytvára oxidická vrstva, ktorú treba pri konkrétnych typoch spojov zohľadniť.

Preto výrobcovia spojovacích prvkov môžu predpisovať spôsob odizolovania, mechanické očistenie vodiča, kontaktnú pastu, konkrétny typ svorky, konkrétny typ vodiča a konkrétny montážny postup.

> Kontaktná pasta nie je univerzálna oprava nevhodnej svorky.

8. Kontaktná pasta nie je certifikácia

Toto je jedna z najčastejších chýb pri Al/Cu spojoch. Argument „Veď tam dáme Alu pastu“ nie je dostatočný.

Ak konkrétny výrobca svorky nepovoľuje použitie na daný typ hliníkového vodiča alebo na danú kombináciu Al/Cu, samotná pasta z nej automaticky neurobí vhodnú svorku.

Pasta môže byť súčasťou certifikovaného alebo výrobcom definovaného systému, ale musí sa použiť presne podľa jeho pokynov.

9. WAGO 221 – veľmi častý omyl

WAGO 221 je veľmi rozšírená pružinová svorka. To však neznamená, že je univerzálna pre všetky vodiče.

WAGO vo svojej aktuálnej dokumentácii výslovne uvádza, že séria 221 nie je vhodná na pripájanie hliníkových a medených vodičov. Pre hliníkové vodiče uvádza iné série a podmienky použitia.

Preto argument „Je tam WAGO 221, pridáme Alu pastu a bude to v poriadku“ nie je správny.

> WAGO 221 ≠ riešenie pre Al/Cu.

Toto je veľmi dobrý príklad rozdielu medzi „vodič sa do svorky zmestí“ a „výrobca túto kombináciu vodičov v tejto svorke povoľuje“.

10. WAGO 222 a 2273 – príklad výrobcom definovaného riešenia

WAGO naopak uvádza konkrétne série vhodné pre plné hliníkové vodiče pri dodržaní stanovených podmienok. Medzi ne patria napríklad:

• 2273,
• 773,
• 224,
• 222,
• 280,
• 281,
• 780,
• 781,
• a ďalšie konkrétne riešenia podľa dokumentácie výrobcu.

> Oficiálne materiálové špecifikácie WAGO pre hliníkové a medienné aplikácie: WAGO material specifications

Pri týchto aplikáciách WAGO predpisuje použitie Alu-Plus Contact Paste a uvádza aj konkrétny postup prípravy vodiča. Podľa dokumentácie sa má použiť plný hliníkový vodič, odstrániť oxidická vrstva a následne zabrániť opätovnej oxidácii použitím predpísanej pasty.

Nie „mám pastu → môžem použiť ľubovoľnú svorku“, ale „výrobca určil konkrétnu svorku + konkrétny vodič + konkrétny postup + konkrétnu pastu“.

11. A čo prúdová zaťažiteľnosť Al vodiča?

Tu treba byť veľmi opatrný. Nie je správne automaticky povedať „2,5 mm² Al = vždy 10 A“. Ale rovnako nie je správne automaticky preniesť všetky hodnoty platné pre Cu na Al.

Hliník má nižšiu elektrickú vodivosť než meď a konkrétny spojovací prvok môže mať vlastné obmedzenia. WAGO vo svojej dokumentácii uvádza napríklad pre konkrétne Al aplikácie:

| Prierez Al vodiča | Deklarovaná hodnota pre konkrétne riešenie | |---:|---:| | 2,5 mm² Al | 16 A | | 4 mm² Al | 22 A |

Tieto hodnoty treba chápať ako hodnoty pre konkrétne riešenie podľa dokumentácie WAGO, nie ako univerzálnu tabuľku zaťažiteľnosti všetkých Al vodičov.

Pri návrhu obvodu sa vždy posudzuje konkrétny vodič, spôsob uloženia, teplota, zoskupenie, ochranný prístroj a ďalšie podmienky.

12. Veľký pozor na typ vodiča

Nestačí povedať: „Je to Al 4 mm².“ Treba vedieť aj aký vodič to je.

Výrobca môže povoliť napríklad iba plný vodič, konkrétny rozsah prierezov a konkrétnu konštrukciu vodiča. WAGO napríklad pri svojich určených Al aplikáciách výslovne uvádza solid aluminum conductors, teda plné hliníkové vodiče.

> 2,5 mm² Al ≠ automaticky každý vodič 2,5 mm² Al.

Rozlišujeme aj medzi čistým hliníkom a hliníkovými zliatinami. Staré inštalácie zo 60. až 80. rokov používajú prakticky čistý hliník s horšími mechanickými vlastnosťami; moderné káblové vodiče bývajú zo zliatin s odlišným správaním. Výrobca spojovacieho prvku môže povoliť len jednu z týchto variantov.

> A jedno pravidlo platí vždy: hliník sa nespájkuje. Spájkovaný Al spoj nie je pre elektroinštaláciu prípustné riešenie.

13. Cupal – jednoduchý prechod medzi Al a Cu

Pri väčších prierezoch alebo skrutkových spojoch sa používajú aj bimetalické prechodové prvky, napríklad Cupal podložky.

Klauke pri Cupal podložkách uvádza použitie na spojenie Al a Cu v suchom prostredí a konštrukciu z hliníka s jednostranne nanesenou medenou vrstvou.

Al strana → Al Cu strana → Cu

Pri jednostranne Cu-pokovanej Cupal podložke musí byť medená strana orientovaná k medenému prvku a hliníková strana k hliníkovému prvku, ak konkrétne montážne riešenie výrobcu nepredpisuje inak.

Cieľom je vytvoriť definovaný bimetalický prechod a obmedziť problematický priamy kontakt rozdielnych kovov.

Dôležitá je aj podmienka prostredia: Cupal podložky sú určené pre suché prostredie. Vo vlhkom alebo vonkajšom prostredí pôsobí vlhkosť ako elektrolyt a galvanická korózia sa výrazne zrýchli — tam treba zvoliť iné, na takéto prostredie určené riešenie.

14. Bimetalické káblové oká

Pri pripájaní Al kábla na Cu prípojnicu alebo Cu svorku je veľmi elegantným riešením bimetalické káblové oko.

Al vodič → Al časť oka → bimetalický prechod → Cu časť oka → Cu prípojnica

Výhodou je, že samotný výrobok je navrhnutý práve na tento účel. Pri výbere treba kontrolovať prierez a typ vodiča, typ oka, materiál, rozmery, montážny postup, lisovací profil alebo uťahovací moment, prípustné napätie a prúd aj podmienky prostredia.

15. Skrutková svorka určená priamo na Al/Cu

Ďalšou možnosťou sú svorky, ktoré sú výrobcom priamo určené na Al/Cu. Príkladom sú svorky Phoenix Contact UBAL.

Výrobca pri rade UBAL uvádza možnosť spoločného pripojenia hliníkových a medených vodičov v jednej svorke. Pre sériu sú deklarované konkrétne rozsahy prierezov a použitie podľa EN/IEC 61238-1.

To je presne princíp, ktorý pri Al/Cu spojení chceme: nie improvizovaný kontakt, ale výrobcom definované riešenie.

16. Norma IEC/EN 61238-1 – pozor na aktuálne vydanie

Pri väčších výkonových spojovacích prvkoch sa stretávame s radom noriem IEC 61238-1.

Pôvodná STN EN 61238-1:2004 je na Slovensku už zrušená. Nahradili ju:

• STN EN IEC 61238-1-1:2020,
• STN EN IEC 61238-1-2:2020,
• STN EN IEC 61238-1-3:2020.

IEC 61238-1-1:2018 sa týka skúšobných metód a požiadaviek pre kompresné a mechanické konektory výkonových káblov do 1 kV a zahŕňa konektory pre Cu aj Al vodiče v definovaných rozsahoch.

Preto by som v odbornom článku dnes nepísal iba „podľa STN EN 61238-1“ bez ďalšieho vysvetlenia. Lepšie je odkazovať na aktuálnu časť radu STN EN IEC 61238-1-x podľa konkrétneho typu spojovacieho prvku.

17. Uťahovací moment nie je detail

Pri skrutkových spojoch často počujeme: „Veď som to poriadne dotiahol.“ To však nie je technická hodnota. Otázka znie: Na aký moment?

Príliš malý uťahovací moment môže znamenať nedostatočný kontaktný tlak. Príliš veľký môže poškodiť vodič, svorku, závit alebo kontaktné plochy.

Preto treba dodržať moment uvedený výrobcom konkrétneho spojovacieho prvku.

> „Dotiahnuté na pocit“ nie je technický montážny parameter.

18. Al/Cu spoj sa počas životnosti mení

Elektrický spoj nie je statický. Počas prevádzky sa zahrieva a ochladzuje. Materiály sa tepelne rozťahujú a zmršťujú.

Ak je spoj správne navrhnutý, výrobca s týmito javmi pri konštrukcii a skúšaní počíta. Ak je však spoj improvizovaný, môže časom dôjsť k reťazcu:

zahrievanie → zmena kontaktných podmienok → degradácia → zvýšenie odporu → ďalšie zahrievanie

A tým sa problém môže postupne zhoršovať.

Špecifickým javom hliníka je krehnutie (creep). Hliník pod dlhodobým kontaktným tlakom pomaly „tečie“ — materiál sa časom deformuje, kontaktný tlak klesá a spoj sa uvoľňuje. Preto majú staré skrutkové svorky na Al vodičoch tendenciu samovoľne sa uvoľňovať a prehrievať. Moderné svorky určené na Al s týmto javom konštrukčne počítajú (pružinové alebo tlakové prvky), improvizované skrutkové spoje nie.

Pri starých Al inštaláciách preto treba skrutkové spoje pravidelne kontrolovať a dotiahnuť na predpísaný moment — nie „na pocit“ a nie „na maximum“.

19. Galvanická korózia

Ďalším problémom pri spojení rozdielnych kovov môže byť elektrochemická korózia.

Preto existujú bimetalické káblové oká, Cupal prechodové prvky, špeciálne Al/Cu svorky, kontaktné pasty a povrchové úpravy kontaktných častí.

Cieľom je vytvoriť spoj, ktorý je stabilný nielen v okamihu montáže, ale aj počas predpokladanej životnosti.

20. Porovnanie riešení

| Riešenie | Al | Cu | Al/Cu | Poznámka | |---|:---:|:---:|:---:|---| | !Prehľad: WAGO 221 WAGO 221 | NIE | ÁNO | NIE | WAGO ho pre Al/Cu nepovoľuje | | !Prehľad: WAGO 222 WAGO 222 | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Iba podľa podmienok WAGO, plný Al + Alu-Plus | | !Prehľad: WAGO 2273 WAGO 2273 | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Podľa konkrétneho typu a podmienok výrobcu | | !Prehľad: WAGO 224 WAGO 224 | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Podľa dokumentácie výrobcu | | !Prehľad: Phoenix Contact UBAL Phoenix Contact UBAL | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Riešenie priamo určené na Al/Cu | | !Prehľad: Bimetalické káblové oko Bimetalické káblové oko | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Určené na prechod Al/Cu | | !Prehľad: Cupal podložka Cupal podložka | ÁNO | ÁNO | ÁNO | Konkrétne montážne podmienky | | Obyčajná svorka | OVERIŤ | OVERIŤ | OVERIŤ | Al/Cu iba ak to výrobca výslovne povoľuje |

Pri WAGO nejde o univerzálne povolenie pre všetky prierezy a typy vodičov. Treba dodržať konkrétne podmienky výrobcu. WAGO napríklad pri určených Al aplikáciách vyžaduje plný Al vodič a Alu-Plus Contact Paste.

21. Čo odporúčam v praxi?

Malé prierezy v bežnej elektroinštalácii

Použiť konkrétnu svorku, ktorú výrobca výslovne povoľuje na Al vodiče a danú kombináciu, vrátane predpísanej pasty a prípravy vodiča.

Napríklad pri WAGO je možné použiť vybrané série ako 222 alebo 2273 za podmienok výrobcu. WAGO 221 na tento účel nepoužívať.

Väčšie prierezy

Preferoval by som:

• bimetalické káblové oko,
• bimetalický spojovací prvok,
• alebo svorku priamo určenú na Al/Cu.

Tu je veľmi dôležité sledovať prierez, materiál, uťahovací moment, spôsob lisovania, príslušný lisovací profil a výrobcom deklarované použitie.

Prípojnice Al + Cu

Použiť bimetalický prvok, Cupal alebo svorku priamo určenú na Al/Cu. Nie improvizované „poskladanie“ niekoľkých podložiek a kontaktných materiálov.

Overenie po montáži

Montáž netreba považovať za hotovú bez overenia. Odporúčam:

• premerať prechodový odpor kritických spojov mikroohmmetrom, ak je k dispozícii,
• po uvedení do prevádzky vykonať termovíznu kontrolu pod skutočným zaťažením,
• pri skrutkových spojoch skontrolovať uťahovacie momenty momentovým kľúčom.

Takto sa montáž zmení z „verím, že to drží“ na overiteľný technický údaj.

22. Čomu by som sa vyhol

• NIE „Dáme tam obyčajnú svorku a pastu.“ Pasta nie je certifikácia.
• NIE „Veď tam mám WAGO.“ Rozhoduje konkrétna séria, nie značka.
• NIE „WAGO 221 používa každý.“ To nie je argument pre použitie na Al/Cu.
• NIE „Veď som zmeral kontinuitu.“ Kontinuita nepotvrdzuje dlhodobú kvalitu kontaktu.
• NIE „Veď tam ide iba 5 A.“ Nízky prúd neznamená, že nevhodne vytvorený spoj je bezpečný.
• NIE „Dotiahol som to na maximum.“ Správny je predpísaný moment, nie maximálna sila.

23. Čo je správne riešenie?

Pri Al/Cu spoji by mal byť známy celý reťazec:

1. konkrétny vodič, 2. konkrétny prierez, 3. konkrétna svorka alebo spojovací prvok, 4. povolená kombinácia Al/Cu, 5. správna príprava vodiča, 6. predpísaná pasta, ak je potrebná, 7. správny uťahovací alebo lisovací postup, 8. správny prevádzkový rozsah.

Ak jeden z týchto článkov nepoznám, už nemám úplne pod kontrolou výsledný spoj.

24. Pohľad revízneho technika

Pri kontrole by som nerozhodoval iba podľa otázky „Je tam napätie?“, „Máme kontinuitu?“ ani „Nehreje sa to?“

Dôležité je aj: „Je tento spoj technicky odôvodniteľný?“

Ak výrobca konkrétnej svorky deklaruje použitie na danú kombináciu vodičov, je to veľmi silný argument. Ak výrobca takúto kombináciu nepovoľuje alebo sa vhodnosť nedá preukázať, samotná kontinuita ani aktuálna absencia prehrievania nie sú dostatočným dôvodom na tvrdenie, že spoj je dlhodobo správny.

Pri revízii treba posudzovať konkrétnu inštaláciu, použitý výrobok, jeho dokumentáciu, montáž a príslušné požiadavky na daný obvod.

25. Ak je spoj už poškodený

Ak nájdeme opálenú svorku, roztavený plast, sčernetý alebo vyžíhaný vodič, stopy po elektrickom oblúku či poškodenú kontaktnú plochu, nestačí iba „dotiahnuť svorku“.

Treba hľadať príčinu. Mohol vzniknúť zvýšený kontaktný odpor, nedostatočný kontaktný tlak, oxidácia, opakované prerušovanie kontaktu a elektrický oblúk alebo ich kombinácia.

> Aktuálny odber nemusí hovoriť o tom, čo sa so spojom dialo v minulosti.

26. Rýchly test pre elektrikára

Keď vidíš spoj Al + Cu, polož si týchto päť otázok:

1. Je táto svorka určená na Al? 2. Je určená aj na kombináciu Al/Cu? 3. Aký typ a prierez vodiča povoľuje? 4. Čo výrobca predpisuje pri montáži? 5. Viem toto použitie preukázať dokumentáciou výrobcu?

Ak na niektorú z týchto otázok odpoveď znie „Neviem“, je čas otvoriť katalóg alebo technický list.

Nie internetovú diskusiu. Nie „kolega to tak robí“. Nie „už to tak funguje dvadsať rokov“.

Dokumentáciu výrobcu.

27. Jedna dôležitá vec na záver

Spojenie hliníka a medi nie je zakázané. Je úplne bežné, že pri rekonštrukcii starej Al elektroinštalácie potrebujeme prejsť na Cu.

Problém teda nie je Al + Cu.

Problém je Al + Cu + nevhodný spojovací prvok + nesprávny postup.

A práve preto existujú bimetalické káblové oká, Cupal prvky, špeciálne svorky a výrobcom definované postupy.

Záver

Pri spájaní Al a Cu neplatí: „Keď sa to dá spojiť, je to vhodné na spojenie.“

Platí: „Musí byť preukázané, že konkrétny spojovací prvok je určený na konkrétnu kombináciu vodičov a musí byť použitý podľa jeho podmienok.“

> Nie každá svorka, do ktorej sa Al a Cu zmestia, je svorka, v ktorej Al a Cu smú byť spolu. > Kontaktná pasta nie je certifikácia. > Kontinuita nie je dôkaz kvality spoja.

Ak neviem preukázať, že je konkrétny spoj na danú kombináciu vodičov určený, nehľadám argument, prečo ho ponechať. Hľadám dokumentáciu, ktorá jeho použitie potvrdí.