Tutkimuksen tausta
Tässä kirjoituksessa käydään läpi mittauspöytäkirjaan perustuva tutkimus alumiiniliitoksen tekemisestä. Mittausten tavoitteena oli selvittää, miten oikeaoppinen liitoksen valmistelu verrattuna puutteellisesti tehtyyn liitokseen vaikuttaa resistanssiin ja sitä kautta häviötehoon.
Aihe on käytännön sähkötarkastustyössä tärkeä, koska tarkastuksilla tulee säännöllisesti vastaan tilanteita, joissa alumiiniliitosta ei ole harjattu ennen liittimen asentamista. Samalla on punnittava, onko kyseessä sellainen puute, joka tulee merkitä korjattavaksi, vai riittääkö opastava huomio tulevia asennuksia varten.
Mitä mitattiin?
Tutkimuksessa käytettiin kolmea yhtä pitkää, 0,92 m pituista 70 mm² alumiinijohdinta. Molempiin päihin oli liitetty ruuvikaapelikenkä mallia Ouneva OL 25–95 Al/Cu. Kiristysmomentti oli 20 Nm, ellei toisin mainita. Johtimille tehtiin esipyöristys.
Mitattavat kaapeli- ja liitinyhdistelmät olivat:
- Harjattu + rasvattu (oikeaoppinen liitos)
- Johdinta ei ole harjattu, liittimessä valmistajan rasvaus (väärin tehty liitos)
- Liitoksia pidetty pari päivää suolaliuoksessa ja pari päivää ulkona, johtimeen ei tehty rasvausta
Mittausolosuhteet ja mittalaitteet
Mittaukset tehtiin sähkölaboratoriossa, jossa ympäristön lämpötila oli 22 °C. Mittaus suoritettiin testauspenkillä syöttämällä näytteeseen 100 A testivirta kolmen sekunnin ajan. Jännitehäviö mitattiin yhden sekunnin jälkeen, eli mittausikkunana käytettiin viimeisiä kahta sekuntia, jotta mittaus ehti stabiloitua. Näytteenottoväli oli noin 50 Hz.
- Virtalähde: Agilent Technologies N5741A
- Jännitemittari: Owon XDM3051, 5½ digit
- Tuloksista laskettiin resistanssi
Ennen varsinaisia mittauksia testauspenkki validoitiin käyttämällä 100 µΩ, 0,5 % vastusta.
Miksi harjausta ja rasvausta haluttiin tutkia?
Liitinvalmistajat vaativat ohjeissaan yleensä alumiinijohtimen harjaamista ja rasvaamista ennen liitoksen tekemistä. Tavoitteena on poistaa alumiinipinnan oksidikerros, jolla on resistanssia kasvattava vaikutus. Kun resistanssi kasvaa, myös kuormitusvirralla syntyvä häviöteho kasvaa.
Kirjallisuudessa harjausta pidetään tärkeänä, jotta liitos ei lämpene käytössä. Käytännössä tarkastuksilla törmää kuitenkin usein tilanteisiin, joissa harjaus on jäänyt tekemättä. Tämän vuoksi haluttiin selvittää, kuinka suuri todellinen vaikutus harjauksella on liitoksen resistanssiin.
Samalla on tärkeä painottaa, että rasvaus on alumiiniliitoksissa aina erittäin tärkeä. Rasva vähentää ajan myötä tapahtuvaa korroosiota ja suojaa liitosta ympäristön vaikutuksilta.
Tulokset ja johtopäätökset
Mittaustulosten perusteella oikein tehtyyn liitokseen verrattuna lisäresistanssia syntyi seuraavasti:
- Ei harjattu, mutta liittimen valmistajan oma rasva: +11,25 µΩ
- Suolaliuoksessa ja ulkona pidetty johdin ilman rasvausta: +14,98 µΩ
Tyypillisessä tämän kokoisen johtimen piirissä, jossa etusulake on esimerkiksi 125 A gG, tarkoittaa +11,25 µΩ lisäresistanssi noin 0,09 W lisähäviötehoa. Vastaavasti +14,98 µΩ lisäresistanssi tarkoittaa noin 0,12 W lisälämpötehoa.
Käytännössä todellinen kuormitusvirta on usein paljon pienempi kuin mitoituksen yläraja. Jos virta on esimerkiksi 50 A, jää lisähäviöteho hyvin pieneksi, noin 0,01 W tasolle.
Mitä tuloksista voidaan päätellä?
Tulosten perusteella harjauksella on resistanssin kannalta hyvin pieni vaikutus. Käytännössä vaikutus on tässä tutkimuksessa lähes mitätön. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että liitos voitaisiin tehdä huolimattomasti.
Mittaustulokset
| ID | Näyte | V_mean (V) | R (mΩ) | Huomio |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 100 µΩ 0,5% R | 0.009 | 0.09985 | Validointi |
| 2 | Harjattu + rasvattu | 0.039 | 0.399 | |
| 3 | Harjattu + rasvattu 2 | 0.040 | 0.403 | |
| 4 | Harjattu + rasvattu 3 | 0.040 | 0.403 | |
| 5 | Ei harjausta, liittimen rasva | 0.041 | 0.413 | |
| 6 | Ei harjausta, liittimen rasva 2 | 0.041 | 0.413 | |
| 7 | Ei harjausta, liittimen rasva 3 | 0.041 | 0.413 | |
| 8 | Suolavesi, ilman rasvaa | 0.041 | 0.417 | |
| 9 | Suolavesi, ilman rasvaa 2 | 0.041 | 0.417 | |
| 10 | Suolavesi, ilman rasvaa 3 | 0.041 | 0.417 |
Taulukossa esitetään mitatut jännitehäviöt ja niistä lasketut resistanssit eri liitostavoilla. Laataa alta täydellinen mittauspöytäkirja tutkiaksesi asiaa lisää. Huomioi, että taulukon resistanssiarvot on johtimen resistanssi + 2x liittimen resistanssi. Liitteessä tarkempi erittely kunkin liitoksen aiheuttamalle resistanssille ja tehohäviölle.
Liitoksen oikeaoppiseen tekemiseen vaikuttavat myös muut tekijät:
- sektorimuotoisen johtimen esipyöristys
- oikea kiristysmomentti
- valmistajan ohjeen mukainen rasvaus
Jos näitä ei tehdä oikein, kasvaa riski siihen, että liitos löystyy ajan myötä. Tämä on käytännössä selvästi merkittävämpi riski kuin harjauksen vaikutus yksinään. Huomioi, että tässä tutkimuksessa ei tutkita eikä opasteta pulttiliitoksen tekemistä. Tee aina myös pultti liitokset valmistajan ohjeen mukaan käyttäen oikeita paineentasaus levyjä alumiinin kanssa!
Lisähavainto: rasvan vaikutus säikeiden järjestymiseen
Mittauksissa havaittiin myös, että kun liitinvalmistajan lisäämän rasvan lisäksi käytettiin lisärasvaa, johtimen säikeet järjestyivät liittimen sisällä paremmin. Tämä johtui säikeiden välisen kitkan pienentymisestä.
Tärkeysjärjestys käytännön työssä
Tutkimuksen perusteella alumiiniliitoksen tekemisen tärkeimmät asiat ovat:
- Esipyöristys (kts. liitinvalmistajan ohje!) + rasvaus + oikea momentti
- Johtimen harjaaminen
Liittimen resistanssi ja löysän kiristyksen vaikutus
Testijohtimen resistanssiksi laskettiin 348,29 µΩ. Tämän perusteella oikein tehdyn yhden liittimen resistanssiksi saatiin 27 µΩ.
Lisäksi testattiin suolaliuoksessa ja ulkona ollutta liitosta niin, että se avattiin ja kiristettiin selvästi löysemmälle kuin vaadittu 20 Nm. Kiristys tehtiin lyhyellä kuusiokoloavaimella. Tällöin resistanssi huononi vielä 10,73 µΩ, jolloin liitoksen kokonaisresistanssiksi tuli 52,71 µΩ.
Tämäkin aiheutti vielä vain kohtalaisen pienen häviön: liittimen kokonaishäviö oli noin 0,41 W. Jos johtoa kuormitettaisiin 271 A virralla, liitos lämpenisi noin 1,94 W teholla. Vertailuksi itse 0,92 m pitkän johtimen häviö olisi tällöin 12,79 W.
Yhteenveto
Tämän tutkimuksen perusteella alumiiniliitosta on vaikea tehdä resistanssin kannalta pahasti väärin. Suurin käytännön merkitys on sillä, että liitos tehdään niin, ettei se myöhemmin löysty. Harjaus parantaa liitosta jonkin verran, mutta jos se jää tekemättä, ei tämän tutkimuksen perusteella synny suurta vaaraa.
Tästä huolimatta alumiiniliitokset tulee aina tehdä liitinvalmistajan ohjeiden mukaisesti. Tarkastuksilla on syytä käyttää harkintaa: merkitäänkö puute korjattavaksi vai riittääkö opastava huomio. Turhaa haittaa ei haluta aiheuttaa, mutta turvallisuudesta ei myöskään tingitä.
Mittauksen tekijät
Mittauksen on tehnyt Mirus Electrum Oy:n Riku Leimola, VTS 271, yhdessä Sähköliike M Minkkinen Oy:n valtuutetun tarkastajan Teemu Minkkisen kanssa.