APLICAII ALESUDRII PE SUPRAFEE ZIMATE

Sistemele electroenergetice actuale se disting att prin marea diversitate a modului de concepie iniial, a condiiilor de siguran, a asigurrii calitii impuse i nu n ultimul rnd prin posibilitile tehnice reale de transport i distribuie a energiei electrice cu pierderi ct mai reduse i la parametri corespunztori.

n proiectarea unui sistem electroenergetic apar diverse mbinri demontabile ale cilor de curent ce au marele dezavantaj c nu pot fi strnse, curate sau refacute frmanevre de izolare a lor, manevre ce ncarc alte linii sau mai ru pot fi realizate doar cu oprirea unor consumatori.

Dup cum tim transportul i distribuia energiei electrice se face prin bare confecionate din cupru sau aluminiu. Cupru are dezavantajul c este scump dar oxidul de cupru are rezistivitatea foarte mic, comparabil cu materialul de baz. Aluminiu este mult mai ieftin dect cupru dar are un mare dezavantaj i anume apariia oxidului de aluminiu.

Oxidul de aluminiu are o rezistivitate foarte mare ceea ce conduce la o rezistenelectric de contact foarte mare a legturilor demontabile a liniilor de curent, implicit o nclzire local urmat n cele din urm de distrugerea izolaiei.

Deasemenea trebuie evitat contactul mecanic ntre aluminiu i alte metale, cum ar fi cupru i fierul, pentru c se formeaz cupluri galvanice i coroziunea, formarea stratului de oxid, progreseaz rapid. Acest lucru nu se mai ntmpl n cazul sudrii aluminiului cu aceste metale.

n concluzie ne dorim o cale de curent ieftin, ca material, dar care s aib o rezisten de contact ct mai mic. Soluia ideal ar fi traseul din aluminiu i n zonele de contact sudat cupru.

n continuare v propun trei aplicaii posibile n urmtoarele direcii concrete: sudarea barelor electrice conductoare din aluminiu; armarea barelor electrice conductoare din aluminiu; armarea papucilor conductorilor din aluminiu.

1. Sudarea barelor electrice conductoare din aluminiu

Una din aplicaiile importante ale sudrii la rece n puncte l constitue sudarea barelor din aluminiu (nlocuind barele din cupru) din staiile electrice de transport, distribuie i alimentare a cii ferate trans-siberiene. Astfel, au fost sudate bare din aluminiu, cu seciuni cuprinse ntre 6 x 60 mm i 10 x 100 mm, utilizate pentru conducerea unor cureni de pnla 18.000 A. V propun mbinarea benzilor din aluminiu cu o plcu intermediar din cupru, rezultnd o mbinare cu aspectul din figura 1 i figura 3d.

Fig. 1. Propunere de sudare a platbenzilor din aluminiu.

Pentru comparaie, vom calcula fora de rezisten la traciune i mrimea suprafeei sudate (suprafaa de trecere a curentului n cele dou cazuri).

VVaarriiaannttaa ssuuddaatt nn ppuunnccttee:: ffoorraa ddee rreezziisstteenn:: FF11 == nn..DD.... ssuupprraaffaaaa ddee ccoonnttaacctt:: AA11 == nn..DD 22 // 44

n care: n este numrul de puncte; D diametrul punctului (egal cu cel al poansonului); nlimea zonei de rupere a punctului = s H ; s x b seciunea platbandei (grosimea x limea); H nlimea poansonului; rezistena la rupere a materialului, pentru aluminiu cca 10 daN / mm2Rezultatele calculelor efectuate sunt prezentate n tabelul 1.

Tabelul 1. Caracteristicile mbinrilor sudate n puncte.

A = s x b mm

nbuc

D mm

H mm

F1N / mm2

A1mm2

A1 / A

6 x 60 4 8 4,8 13.560 113 0,318 x 80 5 10 6,4 25.120 392 0,61

10 x 100 5 12 8 37.680 565 0,56

O prim constatare ne arat c soluia adoptat este, cel puin din vedere teoretic, defavorabil circulrii acestori cureni electrici cu intensiti foarte mari deoarece aria zonei cert sudat (fr rezisten electric de contact) este mai mic, la aproximativ 50% din seciunea platbenzilor. Acest lucru se poate observa n tabelul 1, ultima coloan.

VVaarriiaannttaa ssuuddaatt ppee ssuupprraaffeeee zziimmaattee:: ffoorraa ddee rreezziisstteenn:: FF22 == bb22 ..00,,11 ssuupprraaffaaaa ddee ccoonnttaacctt:: AA22 == bb22

Rezistena la traciune a mbinrii a fost considerat foarte sczut, de circa 10% din rezistena materialului de baz. Rezultatele calculelor efectuate sunt prezentate n tabelul 2.

Tabelul 2. Caracteristicile mbinrilor sudate pe suprafee zimate.

s x b mm

F2N / mm2

F2 / F1 A2mm2

A2 / A1 A2 / A

6 x 60 36.000 2,65 3.600 31,8 108 x 80 64.000 2,54 6.400 16,3 10

10 x 100 100.000 2,65 10.000 17,7 10

Calculele teoretice, aproximative, arat superioritatea cert a mbinrii pe suprafee zimate fa de sudarea la rece n puncte deoarece:

dei rezistena unitar (pe unitate de suprafa) este de circa zece ori mai mic, per global, rezistena total este de circa 2,5 ori mai mare;

chiar dac nu ne punem problema c cineva va traciona bare conductoare aflate sub o tensiune de 6.000 de voli de exemplu, rezistena mrit a acestei variante de sudare ne d certitudinea anduranei mbinrii, a fiabilitii i manevrabilitii superioare n timpul execuiei, montrii sau nlocuirii acesteia;

suprafaa de contact electric este cu mult mai mare dect n cazul precedent, de circa 15 ori aa cum rezult din coloana A2 / A1;

suprafaa de contact electric este de circa zece ori mai mare dect seciunea platbenzilor, deci nu se pune problema trangulrii liniilor de curent i nici problema unor supranclziri locale.

2. Armarea barelor electrice conductoare

Un alt exemplu important n ceea ce privete aplicaiile sudrii pe suprafee zimate l poate constitui armarea aluminiului cu cuprul. Mai concret, este vorba de realizarea trecerilor bimetalice aluminiu-cupru din zonele terminale de conectare a barelor (platbenzilor) conductoare electric, prevenindu-se astfel modificarea n timp - prin oxidare - a rezistenei electrice de contact a conductorilor din aluminiu. Astfel, conductorul din aluminiu va prezenta o rezisten de contact sczut i se va comporta n exploatare ca un conductor din cupru, fr s se nclzeasc i fr s se realizeze accelerarea procesului de oxidare.

Clasic armarea (acoperirea) a capetelor de prindere a barelor din aluminiu cu grosimea de 3...10 mm, teoretic, se realizeaz cu benzi din cupru avnd grosimea de 0,12...0,3 mm, sudate prin presiune folosind poansoane rotunde.

a) b)

Fig. 2. Armarea zonelor de cuplare a platbenzilor din aluminiu :a armare unilateral; b armare bilateral.

Propun sudarea local, n zona uruburilor de strngere, a unor aibe zimate din cupru. Sudarea poate fi fcut unilateral, numai pe partea de contact a benzilor (fig. 2a), sau bilateral (fig. 2b). Sudarea se poate face dup executarea gurii, nainte de gurire sau simultan, cu acelai dispozitiv de sudare.

n cazul varintei propuse sunt evidente urmtoarele aspecte: suprafa de contact electric mai mare; suprafa total de sudat ceva mai mare dar obinut cu eforturi unitare mai mici; posibilitatea folosirii unor dispozitive simple, acionate manual, care s realizeze

sudri de poziie n condiii de antier; nu conteaz rezistena la traciune a mbinrilor sudate pe suprafee zimate

deoarece aceast mbinare este comprimat n timpul exploatrii; menionez c totui aceast rezisten a fost suficient pentru a mpiedica desfacerea componentelor n timpul tierii prin achiere.

Pentru a verifica comportarea n timp a diferite moduri de cuplare am executat probele din figura 3, n care:

a) mbinare clasic cu urub-piuli la aluminiu+aluminiu;b) mbinare clasic cu urub-piuli la aluminiu+cupru;c) mbinare urub-piuli a barelor armate bilateral cu aibe din cupru;d) mbinare sudat cu element intermediar din cupru.

Fig. 3. Variante de cuplare a barelor electrice din aluminiu.

Tabelul 3. Valoarea rezistenelor de contact la diferite momente.Tipul cuplrii Rezistena de contact , la data

22.09.04 23.10.04 23.01.05 22.01.06 22.02.07a) Al+Al cu urub 110 173 208 222 324b) Al+Cu cu urub 50 93 128 167 199c) Al+Al armate 6 6 6 6 6d) Al+Cu+Al sudate 4 4 4 4 4

Fig. 4. Variaia n timp a rezistenelor de contact.

uruburile au fost strnse, cu cheia dinamometric, la aceeai for de 3 daN.La aceste mbinri s-a msurat, la diferite intervale de timp, rezistena de contact

obinndu-se rezultatele din tabelul 3 i prezentate grafic n figura 4. Pentru a m convinge de corectitudinea rezultatelor, msurtorile au fost efectuate cu dou micro-ohmetre diferite obinndu-se aceleai valori.

Msurtorile iniiale au confirmat supoziiile teoretice i anume: Rezistena de contact cea mai mare o are mbinarea mecanic Al+Al datorit

oxidului de aluminiu de pe suprafee; Rezistena de contact pentru Al+Cu este aproximativ la jumtate datorit rezistenei

neglijabile a oxidului de cupru; Rezistena minim de contact se obine n cazul probei sudate;

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25 30

Timpul, luni

Rez

iste

nta

de

conta

ct,

mW

a)

b)

c)

d)

Probele armate au o valoare puin mai mare a rezistenei de contact dect a celor sudate datorit contactului mecanic Cu-Cu.

Referitor la evoluia n timp a rezistenei electrice de contact, au rezultat urmtoarele aspecte importante:

Probele sudate pe suprafee zimate au rezistena electric de contact cu o valoare redus, constant n timp;

Probele asamblate mecanic prezint o rezisten cresctoare datorit oxidrii (corodrii) clasice cu vitez descresctoare;

n cazul cuplului Al+Cu creterea relativ a rezistenei de contact este mai important dect n cazul Al+Al datorit coroziunii accelerate ca urmare a formrii unui cuplu galvanic, aspect semnalat n literatura de specialitate.

3. Armarea papucilor conductorilor din aluminiu

Armarea papucilor din aluminiu, de mari dimensiuni, poate reprezenta o alt aplicaie util. n staiile electrice de conexiuni, distribuie i control se practic legarea conductorilor de conectare a aparatelor la bare folosind papuci i cabluri din aluminiu. Datorit oxidrii n timp a contactelor se ajunge la nclzirea conductorilor pn la deteriorarea izolaiei. Pentru evitarea nclzirii recomand armarea bilateral ca n figura 5 unde sunt prezentai papuci cu seciunea pentru cablu de 240 mm2 i gaur de trecere pentru urub M12 i M16.

Fig. 5. Armarea papucilor din aluminiu.

Pentru a verifica justeea propunerii, am utilizat efectiv papucii propui n staii electrice de distribuie. n figura 6 a i b se poate observa folosirea unor astfel de papuci menionez, fr curarea prealabil a zonei de contact pe una din fazele de alimentare a unui cosumator real, primul din stnga (cablul galben). n partea superioar cablurile sunt conectate la un separator cu contacte tip baionet (cu placa de prindere din cupru) iar n partea inferioar conectarea se face la siguranele fuzibile (cu placa de prindere din oel).

Contactele din mijloc au fost curate cu peria de srm iar cele din dreapta au fost lasate aa cum erau. Toate uruburile au fost strnse cu cheia dinamometric.

a)

b)

c)

Fig. 6. Verificarea n exploatare a papucilor armai din aluminiu.

Pentru a ne convinge de ncrcarea egal pe cele trei cabluri au fost msurai curenii de trecere cu ajutorul unui clete amperimetric DIGICLAMP ca n figura 6c (pe cadran se poate citi curentul de 236,1 A).

Verificarea ncrcrii egale a fazelor este important n cazul unor dispute ntre sectorul electric i cel mecanic. Sunt situaii n care se intervine n mod inutil la pompe hidraulice de mare capacitate sau alte angrenaje acuzate c produc supranclzirea motoarelor electrice de antrenare cnd, de fapt, cauza o constituia alimentarea defectuoas, intermitent, pe una din faze ca urmare a unui contact electric imperfect.

Dup 24 de ore de funcionare, temperatura din zona de contact a acestor trei cabluri a fost msurat cu o camer termografic ThermaCAM tip PM 675 PAL, din figura 7, produs de FLIR Systems AB Sweden.

Fig. 7. Camera termografic PM 675 PAL.

Interpretarea nregistrrilor conform analizei termografic prezentate n figurile 8 i 9 au artat:

temperatura mediului ambiant din staie 30 0C, destul de ridicat ca urmare a nclzirii a numeroase contacte inperfecte;

temperatura papucilor armai 32,3 0C i 33, 0C; temperatura papucilor clasici 5070 0C; nclzirea exagerat, pan la 175 0C, a cablului al treilea ce necesit verificarea

acestuia i curarea urgent a contactelor; nclzirea mai intens a contactelor inferioare fa de cele superioare.Eficiena armrii este evident dac comparm supranclzirea, fa de mediul

ambiant, cu numai 3 0C fa de 3040 0C n cazul legturilor clasice existente. Analiza variaiei lineare a temperaturii n lungul papucilor, cu ajutorul programului de

calculator Agema report 5-4, arat ca surs termic important uruburile din oel folosite la prinderea papucilor. n partea superioar (figura 8) primele dou uruburi ajung la aceeai temperatur, 54 0C, iar al treilea la o temperatur mai mare, 67 0C. nclzirea diferit, mai intens, a papucilor clasici poate fi explicat prin nclzirea produs de rezistena de contact a acestora.

Contactele din partea inferioar (fig. 9) se nclzesc mai mult datorit zonelor de contact tip baionet cu siguranele fuzibile. Se poate observa pe linia 04 c suportul celei de a treia sigurane fuzibile ajunge la 175 0C.

28,5C

68,3C

30

40

50

60

LI02

LI03LI01

30

40

50

60

70

li01li02li03li04

Line Min Max Cursorli01 33,4C 54,1C -li02 45,9C 54,3C -li03 58,8C 67,6C -li04 - - -

C IR01

Fig. 8. Analiza termografic a contactelor superioare.

25,9C

173,2C

50

100

150LI01

LI02LI03

LI04

50

100

150li01li02li03li04

Line Min Max Cursorli01 32,3C 54,2C -li02 59,5C 75,3C -li03 87,6C 144,5C -li04 122,3C 176,7C -

C IR01

Fig. 9. Analiza termografic a contactelor inferioare.

CONCLUZII

Produsele noastre se adreseaza tuturor celor care produc, transporta, distribuie si folosesc energia electrica, indiferent daca acestia sunt utilizatori casnici sau industriali.

S-a creat o noua conexiune bazat pe o noua tehnologie de sudare , pentru cablurile i barele din aluminiu viitoare sau deja existente, avnd n vedere toate tipurile de tensiuni i avnd n vedere particularitile sale deosebite de construcie revoluioneazntreg sectorul energetic naional si mondial prin economiile deosebite, exprimate in bani sau putere electrica economisit.

Prototipurile realizate si testate pn n prezent, au fost premiate cu medalia de aur la Salonul International de Inventica de la Iai din 4 6 iunie 2009.

Proiectul, avnd la baza aplicaiile brevetului, ncepnd cu data de 01.07.2010 a primitfinaare prin programul european, POS CCE 2.3.1 (cofinantare 90%), si s-a ncheiat la31.09.2011.

Transportul si distribuia energiei electrice se face prin bare si cabluri confectionate din cupru sau aluminiu. Cupru, ca material este cel mai indicat dar are dezavantajul ca este scump si in perspectiva destul de costisitor de procurat , pretul acestuia crescand an de an la bursele de profil mondiale. In plus, specific tarii noatre, apare tentatia furtului de cabluri din cupru cu toate repercusiunile grave asupra sigurantei si securitatii cetatenilor. (vezi SNCFR, opriri de productie in societatile cu foc continuu...).

Liniile de alimentare cu energie electrica din aluminiu, au avantajul costului scazut (cca 3 ori mai ieftin) fata de cele din cupru.

Conexiunile folosite in prezent in retelele de cabluri din aluminiu prezinta dezavantaje de exploatare dintre care amintim:

- aparitia in conexiuni a oxidului de aluminiu care are o rezistivitate foarte mare ceea ce conduce la o rezistenta electrica de contact foarte mare a legaturilor demontabile a liniilor de curent, implicit o ncalzire locala urmata n cele din urma de distrugerea izolatiei;

- la contactul mecanic intre aluminiu si alte metale, cum ar fi cuprul si fierul, se formeaza cupluri galvanice ce duc la coroziune rapida a conexiunii;

- costurile de intretinere sunt tot mai mari ca urmare a celor doua dezavantaje de mai sus (apare necesitatea efectuarii de revizii la fiecare sase luni de zile )

Aceste lucruri nu se mai intampla n cazul sudarii aluminiului cu aceste metale. Procedeul de sudura conduce la realizarea unor conexiuni pentru liniile de alimentare cu energie electrica din aluminiu comparabile ca performante cu cele din cupru dar mult mai ieftine decat acestea (cca 3 ori mai ieftin).

Practic intr-o conexiune a unui cablu de aluminiu in acest moment se folosesc un papuc de aluminiu si doua saibe din cupal (produs foarte scump, ca urmare a tehnologiei deosebite) iar solutia noastra consta din acelasi papuc de aluminiu care are in zona de contact sudate doua saibe de cupru. Pretul unei conexiuni cu cupal este in medie de 65 de lei (cca. 15 euro) iar pretul aceeiasi conexiuni cu saibe de cupru sudate este de 50 lei (cca. 12 euro).

Avantajele solutiei propuse:- economia de curent electric la nivel national va fi de minim 0.5% din puterea

vehiculata, mai precis cca 400 milioane de euro inmultit cu numarul de grupuri de contacte (adica numarul de intermediari: producator -trasportator/regiuni-distribuitor-beneficiar, rezulta numarul de contacte) pana la beneficiar. In Romania acest numar, in medie, la nivel national, este de 6 (sase). Rezulta o economie de tara medie de 2400 milioane de euro pe an. 0,5%

este putin? Concret, utilizand aceste tehnologii, SC Arcelor MITTAL SA Galai ar face o economie la factura de energie electric de minim 432.000 RON lunar (la o putere vehiculata de 200MW/h si un pre de 150 RON/MW) doar aplicnd n propria firm. Avnd n vedere c pe traseul de alimentare cu energie electric, de la producerea curentului electric pn la ultimul utilizator sunt cel puin 5 operatori i dac fiecare din acetia i-ar dota instalaiile cu aceti conectori, energia economisit ar fi de cel putin 5 ori mai mare. Mai trebuie subliniat i faptul c datorit preului mare al materialului de cupal muli consumatori folosesc greit aibe de cupru sau alte soluii scumpe gen spray, vaseline, etc, aceste situaii ducparadoxal la pierderi i mai mari de energie electric (de la 0.5% la 2-3%) i nu la economii.

E clar c soluia adevrat este soluia propus de SC VOLENS SRL i care duce in final la economii substaniale, de ordinul ... milioanelor de euro.

- nu este necesara inlocuirea vechilor trasee de aluminiu cu altele identice de aluminiu sau de cupru. Se sudeaza la fata locului saibe din cupru pe papucul sau bara de aluminiu

- Traseele de aluminiu sunt de 3 trei ori mai ieftine. Cu atat mai mult eliminacosturile cu paza cablurilor (unde acestea sunt din cupru), intrucat aluminiul nu prezinta interes pentru hotii de cabluri.

- Cresterea duratei de exploatare intre revizii, conform instructiunilor Electrica (actualmente reviziile trebuiesc facute la 6 luni pentru aluminiu si la 5 ani pentru cupru) va duce la scaderea pretului de livrare, transport si distributie catre cumparatori sau scaderea costurilor de exploatare a firmelor private, carora Electrica le cere sa faca revizii la 6 luni (sau cu derogare 1 an ex: Arcelor MITTAL).