Hliník, svorky, spojování vodičů

Na základě našich zkušeností můžeme odpovědně prohlásit, že je celkem rozumným rozhodnutím evropské normalizace, že použití hliníkových vodičů malých průřezů (tj. menších než 16 mm²) vylučuje. Pro mladší elektrotechniky je nutno uvést, že tomu tak nebylo vždy, a dokonce v určitém období (v padesátých a šedesátých letech minulého století) se projevovaly snahy, aby hliník jako elektrovodný materiál převzal plně nadvládu v elektrotechnice. Veřejnosti laické i technické se předkládaly výsledky vědeckých rozborů, potvrzující vynikající vlastnosti hliníku.

Zásadním faktem, proč se uvedené výzkumy prováděly, však bylo, že měď byla embargovaným nedostatkovým materiálem, a proto bylo třeba v elektrotechnice najít a používat co nejvhodnější náhradu. Za tu byl zvolen hliník. Měď bylo povoleno používat v podstatě pouze v těch nejnezbytnějších případech.

Dlužno ovšem podotknout, že naše republika, resp. státy bývalého tábora míru a socialismu označované později jako země RVHP, v tom nebyly samy. Není možno se na věc dívat způsobem, že na jedné straně byly málo vyspělé státy sovětského bloku a na té druhé - lepší straně - státy s inteligentním výzkumem, které okamžitě pochopily, že hliník je cesta do slepé uličky. I v řadě jiných států, i těch, které jsme si zvykli označovat jako vyspělé, se hledaly levnější náhrady mědi a mnohdy se nalezly právě v hliníku.

Užití hliníku v současné době

Ani dnes není hliník z hlediska využití v elektrotechnice zavrženým vodivým materiálem. Je jenom třeba rozumně zvážit jeho uplatnění. Pro užití hliníku jako elektrovodného kovu, materiálu pro vodiče, existují mezinárodní normy IEC. Použití hliníkových vodičů (správněji vodičů a kabelů s hliníkovými jádry) se v mezinárodních normách předpokládá od průřezu 2,5 mm² výše (tak tomu bylo do roku 1998 u nás). V evropských normách, a tím pádem i v naší české normě, jak jsme již uvedli, od průřezu 16 mm².

Přestože se u nás pro koncové obvody malých průřezů již hliník nepoužívá, musíme se a mnohdy se budeme muset ještě řadu let s hliníkovými vodiči a kabely malých průřezů v koncových obvodech potýkat, pokud nás nezasáhne nečekaná konjunktura. Potýkat se znamená vyrovnávat se s nežádoucími vlastnostmi hliníku, aby skutečně ekonomicky dožily tam, kde je to snesitelné.

Rozdíly mezi kovy, především mezi hliníkem a mědí

Nebudeme zde prezentovat tabulku fyzikálních ani fyzikálně-technických vlastností jednotlivých kovů, především hliníku a mědi. Řekneme si jen o nejpodstatnějších vlastnostech.

Měď a hliník mají poměrně srovnatelnou vodivost.

Vodivost hliníku je oproti vodivosti mědi zhruba dvoutřetinová (nejvýše v poměru 38 : 57 S.m/mm²).

Pokud se týká mechanických vlastností - pružnosti a pevnosti - měď je má podstatně lepší.

Pružnost hliníku oproti pružnosti mědi je zhruba šedesátiprocentní (72 GPa : 105-132 GPa).

Hliník má oproti mědi zhruba jen poloviční a v mnoha případech ještě nižší pevnost, udává se mezi 30 a 74 % pevnosti mědi v závislosti na způsobu zpracování hliníku.

Hliník má oproti mědi o 35 % větší teplotní roztažnost.

Hliník je podstatně lehčí než měď, což je výhodné z hlediska manipulace, a je také podstatně levnější než měď.

Hliník je podstatně lehčí než měď (hustota hliníku je 30 % hustoty mědi).

Hliník je podstatně levnější než měď. Měď se 11. prosince 2006 obchodovala za 3,112 US dolarů za 1 libru (tj. za 0,453 592 37 kg, což je 144,76 Kč za 1 kg), pro hliník udávají kabelovny cenu 3,1 eur za 1 kg, což je 86,40 Kč za 1 kg. Přepočítáme- li cenu ještě na objem a na průřez stejné vodivosti (u vodivosti počítáme s průřezem, nikoliv s hmotností), vychází nám, že hliník je při dosažení stejné vodivosti jako u mědi přibližně 3,7krát levnější než měď. To hraje významnou roli i v ceně kabelových výrobků i v úvahách investorů.

Proč je tedy hliník někdy nevýhodný pro elektrické instalace

Na první pohled to s horšími vlastnostmi hliníku nevypadá tak špatně, dokonce se může zdát, že hliník je o něco lepší než měď, takže se nemůžeme divit, že v padesátých letech minulého století řada techniků (a to nejen u nás) podlehla iluzi, že hliník je kov budoucnosti.

Nyní se však podívejme, proč to s hliníkem nakonec tak slavné nebylo a proč si na něj nyní v řadě případů stěžujeme. Které jsou ty kritické vlastnosti hliníku oproti mědi? Jsou již uvedeny výše. Je to menší pružnost, menší pevnost a větší teplotní roztažnost hliníku oproti mědi. Žádná z těchto tří horších vlastností by sama o sobě neznamenala velké zhoršení. Možno říci, že kdybychom dokázali zaručit stálé vlastnosti přenosu elektrické energie, to znamená, že elektrický proud by se během předpokládaného života vodičů nebo kabelů příliš neměnil, byl by hliník oproti mědi vzhledem ke své nižší ceně určitě mnohem výhodnější.

Proč tedy u hliníku, někde dříve a jinde později, takový ústup ze slávy? Tajemství spočívá v tom, že hliníkové vodiče a kabely nejsou ve většině případů zatěžovány po celý život pořád stejně. Vodiče a kabely, a to nejen hliníkové, mohou být v pravidelných intervalech - cyklech - střídavě - nejprve v době odběrových špiček plně zatíženy a v dalším intervalu cyklu mohou být značnou dobu bez zatížení. Co se však s hliníkem během pravidelných či nepravidelných cyklů jeho zatěžování děje? To je znázorněno na obr. 1.

Hliník se při zatížení průchodem elektrického proudu zahřeje, roztáhne se o 35 % více než měď. Pokud se jedná o konce hliníkových vodičů ve svorkách, právě samotná svorka brání hliníku v plném roztažení. Proto je hliník při svém zahřátí stlačován v tuhé svorce o 35 % více než měď. To znamená, že při stejném ohřátí působí na hliník v tuhé svorce o 35 % větší tlaková síla než na měděný vodič. Kromě toho tím, že měděný vodič má přibližně o 20 % menší průřez než hliníkový vodič stejné vodivosti, je faktické zvýšení tlakové síly ve svorce na hliník 1,35 × 1,2 ≅ 1,6krát větší než na měděný vodič, u kterého došlo ke stejnému zvýšení protékajícího proudu jako u hliníkového vodiče. Přitom pevnost hliníkového jádra vodiče je přibližně 50 % pevnosti mědi. Na obr. 1 (druhý řádek odshora) je vidět, že hliníkový vodič je ve svorce zdeformován více než vodič měděný. Z toho je na první pohled zřejmé, že pokud by byl hliníkový vodič zakončen v prakticky tuhé svorce, může po jeho ohřátí a ochlazení dojít k nevratným změnám, které jsou průvodním jevem při překročení meze pevnosti (jak je také znázorněno v poslední řádce obrázku).

Takže při ohřátí hliníku dojde k jeho deformaci a hliník se vytvaruje podle svorky, o které je možno předpokládat, že je mnohem tužší než hliníkové jádro vodiče nebo kabelu, které svorka svírá. Pokud by proudové zatížení nadále pokračovalo a vodič by zůstával nadále stejně zahřátý, vcelku by se nic mimořádného nedělo. Tlaková síla v kontaktu mezi vodičem a svorkou by zůstávala stejná, možná by se v důsledku tečení hliníku postupně mírně zmenšovala, a přechodový odpor v kontaktu by se měnil pouze pozvolna v důsledku přirozeného klesání tlaku ve svorce a chemického stárnutí (obvykle oxidací) styčných ploch vodičů. Tento proces může podle prostředí, ve kterém je kontakt umístěn, trvat celá desetiletí. Takové ideální podmínky však v elektrickém rozvodu nebo v elektrických instalacích obvykle neexistují. Ať už se jedná o průmyslový závod, nebo o budovu pro bydlení, maximální zatížení jsou střídána obdobími, kdy je obvod prakticky bez zatížení. To znamená, že hliníkové jádro vodiče ve svorce nezůstává ve svém maximálním, byť deformovaném objemu, ale po vychladnutí vodiče nejen že se sníží tlak ve svorce, ale dokonce se po řadě cyklů proudového zatížení a odlehčení vodič ve svorce uvolní a spoj se stane zcela nestabilním - chvíli vede, chvíli ne. Na obr. 1 (v posledním řádku) je to znázorněno tím, že mezi kovem svorky a hliníkovým jádrem se vytvoří mezera a na hliníkový vodič ve svorce již nepůsobí žádná přítlačná síla. Z tohoto pohledu rozumíme požadavkům dříve platných norem hliníkové vodiče ve svorce po nějaké době opět utáhnout, popřípadě je pravidelně dotahovat.

Pro informaci uvedeme srovnání v chování měděného a hliníkového vodiče v tuhé svorce (tj. ve svorce, jejíž rozměry se při zvětšování tlaku v kontaktu způsobeném oteplením vodičů prakticky nijak nemění). Předpokládáme, že podle zatížení se zvýší teplota vodičů o 50, 100 a 140 °C. Jedná se o zvýšení teploty oproti normální teplotě okolí 20 °C na maximální teploty, které je možno pro běžné vodiče a kabely brát - 70 °C při normálním provozu, 120 °C při přetížení a 160 °C při zkratu.

Z výpočtu vychází, že není zaručeno, že nebude překročena mez pevnosti pro hliník používaný v silových vodičích a kabelech ani tehdy, uvažuje-li se jenom maximální provozní teplota. Je samozřejmé, že tlak nebude ve svorce rozložen rovnoměrně po celém obvodu vodiče, ale bude ve zvýšené míře působit na vrchní a spodní stranu vodičů, které jsou se svorkou v kontaktu.

Pro srovnání: mez pružnosti se u mědi (měděného vodiče) překročí teprve při maximálních teplotách odpovídajících zkratovým proudům. Kromě toho je třeba počítat s jednou významnou vlastností mědi. Měď se působícím tlakem zhutňuje a zpevňuje. Zcela nepatrná deformace již měď značně zpevní. Mez pevnosti takto zpevněné mědi může stoupnout až na 330-340 MPa, takže bude vyhovovat i pro ty nejvyšší teploty, které se ve svorkách mohou vyskytnout ve výjimečných stavech zkratu.

Z těchto důvodů není možné jednoduše do svorek, které jsou určeny pro měděné vodiče, připojovat vodiče s hliníkovými jádry, a pokud se to provede a chceme, aby takto provedený rozvod chvíli (rozumí se roky) vydržel, je nutno podstatně snížit proudové zatížení hliníkových vodičů (oproti jejich dovolené zatížitelnosti) a svorky alespoň upravit tak, aby nepoškozovaly vodiče (odstranění břitů, špiček připojovacích šroubů apod.). I přes tato opatření je vhodné spoje čas od času kontrolovat a dotahovat.

Horší mechanické vlastnosti hliníku hrají podstatnou roli zejména u malých průřezů vodičů.

Předtím, než si o tom něco řekneme, ještě uvedeme, jak to je s mechanickým (nikoliv tedy termickým) spojováním vodičů.

Mechanické vodivé spojování vodičů mezi sebou

Jistě si většina z nás řekne - nic jednoduššího. Jestliže k sobě přiložíme dva kusy vodičů, mezi kterými je napětí, bude spojem protékat elektrický proud. Spoj přitom bude tím lepší, čím větší silou k sobě oba kusy vodičů přitlačíme. Pokud se nám spoj zdá nedostatečný, trochu více přitlačíme. Ale protože uvedenou otázkou se nezabývají jenom obyčejní elektrotechnici, pro které je její řešení tak jednoduché, že vlastně není co řešit, ale vědci, kteří ve všem hledají problém, otázka spoje dvou kovů (vodičů) se jeví trochu složitější. Hledají se podrobnější odpovědi ne na jednu, ale na více otázek. Je to vždy tak, že s tlakem mezi povrchy spojovaných vodičů se zlepšuje vodivost spoje? Je to u všech kovů stejné?

Odpovědi na tyto otázky, když se k nim dopracujeme, nejsou již tak úplně vědecky nepraktické, jak bychom od vědců očekávali. A co odpověď na otázku, jak to, že spoj, který nám úspěšně zaručoval spojení po řadu let, nám teď najednou odešel, tj. stal se vlastně v obvodu izolační bariérou? To už vůbec není nepraktická otázka a věřím, že řada z vás mírně řečeno zapochybuje, zda se na to vůbec dá odpovědět.

Tady se nebudeme dopodrobna zabývat odpověďmi na tyto otázky. Pokud by bylo třeba zjistit více o různých vlivech na kvalitu kontaktu dvou navzájem těsně přiléhajících kovových ploch, jako je tomu jednak ve svorkách šroubových i bezšroubových, jednak v kontaktech spínacích elektrických přístrojů, bylo by vhodné prostudovat zprávu IEC 60943. Zde si uvedeme pouze několik podstatných závěrů, které z uvedené zprávy vyplývají.

Elektrický kontakt mezi dvěma kovovými těsně přiléhajícími plochami je tím lepší (odpor je přibližně tím menší), čím větší je celková tlaková síla na kontaktní plochu. Přitom v podstatě nezáleží na velikosti celkové kontaktní plochy. Vysvětluje se to tím, že přechod elektrického proudu mezi styčnými plochami není rozložen rovnoměrně po celkové kontaktní ploše, ale probíhá pouze v několika místech, ve kterých se plochy skutečně stýkají, to znamená v účinné kontaktní ploše. Tato účinná kontaktní plocha je pouze nepatrný zlomek celkové kontaktní plochy. Možno říci, že ke kontaktu dochází pouze na několika místech - několika ploškách - celkové kontaktní plochy. Zvýšením celkové tlakové síly se tyto plošky zvětšují, a tím se snižuje celkový přechodový odpor. Přitom přibližně platí, že čím větší je celková kontaktní plocha, tím více je na ní kontaktních plošek, ovšem na druhou stranu tím menší síla působí na jednotlivé kontaktní plošky a tím jsou tyto kontaktní plošky menší. Proto nezáleží ani tak na velikosti celkové kontaktní plochy, jako spíše na kontaktním tlaku.

Celková vodivost (převrácená hodnota odporu) kontaktu je součtem vodivosti v jednotlivých dotykových ploškách. Odpor příslušící každé jednotlivé plošce je součtem odporu v kontaktním materiálu v blízkosti dotykové plošky a odporu samotného přechodu mezi dvěma kovy stýkajícími se v kontaktní plošce.

Co Edison netušil

Netušil, že jeho jednoznačné vítězství nad plynárenskými společnostmi v soutěži o osvětlování New Yorku se mu vůbec nemělo podařit.

Podle klasických zákonů fyziky nemělo praktické využití elektrické energie ani spatřit světlo světa - a když, tak podstatně omezeněji, než tomu je. Jakýkoliv přenos elektrické energie je totiž spojen s přenosem elektrického náboje, v naprosté většině elektronů, kdy se nevyhneme přechodu z jednoho vodiče na druhý. A právě tady je ta svízel. Pokud se nejedná o spoj svařovaný nebo alespoň pájený, ale jenom mechanický, elektrony by mezi dvěma kovy neměly za normálních okolností vůbec přecházet. V samotném kovu (ve vodiči) se elektrony valenční (vnější) vrstvy atomů kovu mohou pohybovat téměř zcela volně. Ovšem hraniční, takřka vždy zoxidovaná vrstva kovového vodiče představuje potenciální bariéru, kterou by žádný z elektronů v kovu neměl za normálních okolností překonat. Hraniční vrstva atomů pro ně představuje kopec, na který by mohly vystoupat a tak jej překonat, pouze kdyby měly pořádnou rychlost. Podobně jako bez vlastního pohonu může do kopce určité výšky vyjet rychle jedoucí vozidlo. Takovou rychlost, aby izolační, byť tenkou bariéru překonaly, elektrony za běžných okolností (při běžných nízkých napětích, teplotách a ne příliš velkých proudech) nemají. Faktem však je, že elektrony skrz tuto bariéru pronikají, pokud je za ní jiný kov, tedy vodič. Elektron danou bariéru kupodivu překoná a za ní může pokračovat ve svém pohybu stejně pohodlně jako v kovu, ze kterého přešel. Mechanismem přechodu se nebudeme zabývat. Jeho podstata tkví v kvantové, tedy nikoliv v klasické mechanice. Kvantová mechanika vysvětluje klasicky nepředstavitelné jevy spojené se světem elementárních částic, kterými elektrony jsou. Aby se stala srozumitelnější, zavedla i takové vědecké termíny, které mohou být blízké pochopení. Elektrony procházejí nesmírně tenkou izolační bariérou styku dvou kovů, jakoby procházely tunelem, tedy díky tzv. tunelovému efektu.

Samotný přechod proudu touto vrstvou, tedy tunelem, představuje elektrický odpor, který je přímo úměrný tloušťce zoxidované vrstvy a nepřímo úměrný skutečné plošce kontaktního styku. Ta je tím větší, čím větší je síla přitlačující kovy ve styku k sobě.

Čím větší je síla přitlačující kovy k sobě a čím větší jsou kontaktní plošky, ve kterých se kovy dotýkají, tím menší je hustota proudu v blízkosti těchto plošek a tím menší je elektrický odpor vodičů v blízkosti jejich celkové kontaktní plochy.

Takže lapidární závěr z tohoto rozboru je, že skutečně - čím více šroub ve svorce utáhneme, tím lepší je vodivost spoje ve svorce a tím menší je jeho elektrický odpor.

Obr. 1 Deformace hliníkového vodiče (pravý sloupec)
v důsledku jeho zahřátí procházejícím elektrickým proudem

(Pokračování bude následovat)