Anfasen und Kantenradius an Stromschienen

Eine Rechteckschiene verlässt das Walzwerk mit rechtwinkligen Kanten und die Schere oder die Stanze mit einem Grat obendrauf. Die meisten Fertiger brechen diese Kanten. Fragt man nach dem Grund, bekommt man verschiedene Antworten: Die Leute von der Isolierung hätten darum gebeten, auf der Zeichnung stehe R3, es verhindere, dass sich die Bediener die Hände aufschneiden. Alle drei treffen zu, und sie verlangen verschiedene Radien.

Der in der Branche gebräuchliche Bereich liegt bei etwa R2 bis R10 mm, gewählt nach den Abmessungen der Sammelschiene, der Spannungsebene und der Einbauumgebung. Das ist eine Beschreibung der Praxis und keine normative Anforderung, und dieser Unterschied wiegt schwerer, als er klingt.

Was die Normen tatsächlich sagen

Etliche Seiten von Maschinen- und Schienenanbietern behaupten, IEC 61439 „verlange, dass Kupferschienen angefast werden“, und manche gehen weiter und nennen einen Mindestwert von R3 für Systeme über 800 V, den sie IEC 61439 und UL 891 gemeinsam zuschreiben.

Das ist falsch, und es ist wichtig, das deutlich zu sagen, denn Ingenieure haben es aufgrund eines Lieferanten-Blogbeitrags in ihre eigenen internen Spezifikationen übernommen.

IEC 61439-1 nennt den Kantenradius an keiner Stelle. Was sie tut, ist, Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken festzulegen, deren Bemessungslogik sie aus der Isolationskoordination nach IEC 60664-1 übernimmt, und anschließend zu verlangen, dass die fertige Kombination eine Spannungsprüfung besteht. Der Kantenradius ist ein technisches Mittel, diese Festlegungen zu erfüllen. Er ist keine benannte Anforderung, und es gibt keine Abschnittsnummer, die man dafür zitieren könnte. Für UL 891 gilt dasselbe.

Das ist keine Haarspalterei. Wer glaubt, der Radius sei vorgeschrieben, legt pauschal R3 über alles und hört auf nachzudenken. Wer ihn als Mittel versteht, setzt R2, wo R2 genügt, R8, wo ein Feldproblem vorliegt, und gar nichts, wo die Schiene verzinnt und flach verschraubt wird und beiderseits 25 mm Luft hat.

Das Feldproblem, in den Begriffen der Norm

IEC 60664-1 ist unter den Sicherheitsnormen insofern ungewöhnlich, als sie die Elektrodengeometrie unmittelbar anerkennt. Abschnitt 5.1.3 beginnt mit der Feststellung, dass Form und Anordnung der leitfähigen Teile die Homogenität des Feldes und damit die Luftstrecke beeinflussen, die zum Standhalten einer bestimmten Spannung nötig ist.

Danach teilt sie die Tabellen der Luftstrecken in zwei Fälle.

Fall A ist das inhomogene Feld. Das ungünstigste Modell der Norm dafür ist eine Spitzenelektrode mit 30 µm Spitzenradius gegenüber einer Ebene von 1 m × 1 m. Die Luftstrecken nach Fall A dürfen unabhängig von der Form der leitfähigen Teile und ohne jede Spannungsprüfung verwendet werden. Deshalb sind sie größer.

Fall B ist das homogene Feld, definiert als ein Feld mit im Wesentlichen konstantem Spannungsgefälle; das anschauliche Beispiel sind zwei Kugeln, deren Radius jeweils größer ist als der Abstand zwischen ihnen. Die Luftstrecken nach Fall B sind kleiner. Sie sind nur dort zulässig, wo Form und Anordnung der leitfähigen Teile auf dieses konstante Gefälle hin gestaltet wurden, und jede Luftstrecke, die kleiner ist als der Wert nach Fall A, ist durch eine Spannungsprüfung nachzuweisen.

Bei einer Bemessungs-Stoßspannung von 2,5 kV ist der Unterschied zwischen beiden Fällen der Unterschied zwischen rund 1,5 mm und rund 0,6 mm Luft. In einer kompakten Kombination, in der der Phasenabstand die bindende Beschränkung für die Schrankbreite ist, ist das kein Rundungsfehler.

Dazu kommt die Anmerkung an der Tabelle der Luftstrecken für den stationären Betrieb: Unter inhomogenen Feldbedingungen ist eine Bemessung ohne Teilentladung nicht möglich. Oberhalb von etwa 2,5 kV Scheitelwert, so die Norm, führt eine Bemessung auf die Durchschlagswerte möglicherweise nicht zu einem koronafreien Betrieb, besonders bei inhomogenen Feldern, und Sie müssen entweder größere Luftstrecken verwenden oder die Feldverteilung verbessern.

Die Feldverteilung zu verbessern ist genau das, was ein Kantenradius leistet. Nicht als Ersatz für die Luftstrecke, sondern als das, was Ihnen erlaubt, den kleineren Wert zu verwenden, und als das, was Sie bei gleichem geometrischem Abstand aus der dauernden Teilentladung heraushält.

Beachten Sie außerdem, dass die Kriechstrecke nicht so funktioniert. Sie wird durch Arbeitsspannung, Verschmutzungsgrad und Isolierstoffgruppe bestimmt, und das Runden des Kupfers verkürzt die erforderliche Kriechstrecke nicht. Bei gleicher Kriechstrecke bringt Ihnen der Radius also ein gleichmäßigeres Feld und die Aussicht auf eine Luftstrecke nach Fall B. Auf dem Oberflächenweg bringt er Ihnen nichts.

Korona, und warum es ein langsames Versagen ist

Luft ionisiert im homogenen Feld auf Meereshöhe bei etwa 3 kV/mm. Eine 90°-Kupferkante mit einem nominellen Kantenbruch von 0,1 mm überhöht das Feld um einen Faktor, der von der Geometrie des Spalts abhängt; die qualitative Antwort lautet aber, dass das örtliche Feld an der Kante die Ionisierung lange vor dem mittleren Feld über den Spalt erreicht.

Die Folge ist eine Teilentladung: ein kleiner, örtlich begrenzter, selbstverlöschender Durchschlag, der den Spalt nicht überbrückt. Nichts löst aus. Die Kombination besteht ihre Spannungsprüfung am ersten Tag. Stattdessen erzeugt die Entladung Ozon und Stickoxide, die in Gegenwart von Feuchtigkeit organische Isolierstoffe angreifen, und die Entladung selbst erodiert Polymeroberflächen unmittelbar. Das Versagen kommt einige Jahre später als Kriechwegbildung, die aus den Inbetriebnahmeunterlagen niemand erklären kann.

Das ist das Argument für den Radius in der Mittelspannung und in den neueren Systemen von 800 V bis 1500 V DC. Es geht nicht um die Typprüfung. Es geht darum, was die Kombination zwischen den Typprüfungen tut.

Eine Isolierung kommt um eine scharfe Kante nicht herum

Das mechanische Argument ist greifbarer als das elektrische und für die meisten Schaltschrankbauer in der Niederspannung unmittelbarer von Belang.

Jedes gebräuchliche Verfahren zur Isolierung von Stromschienen versagt an einer rechtwinkligen Kante auf seine eigene Weise.

Ein Schrumpfschlauch schrumpft radial und legt sich nicht in einen 90°-Innenübergang. Er überbrückt die Kante. Unter der Brücke liegt ein Lufteinschluss über die Länge der Schiene, genau an der Stelle mit der höchsten Feldstärke. Dickwandiger Schienenschlauch ist außerdem stark genug, dass eine scharfe Kante ihn beim Schrumpfen einschneidet oder ausdünnt.

Eine Umhüllung aus Epoxidpulver, elektrostatisch oder im Wirbelbett aufgetragen, leidet unter demselben Rückzug durch Oberflächenspannung, der jede organische Beschichtung an einer Kante trifft. Die Schicht wird dort dünn, wo Sie die Dicke am nötigsten brauchen.

Eine auf die Schiene gewickelte oder laminierte Polyimidfolie spannt sich über die Kante, statt ihr zu folgen, und die Spannung in der Folie konzentriert sich im Betrieb an der Kante.

Beim Umspritzen bleibt an der Kante ein Fließschatten, und beim Abkühlen zieht die Schwindung des Polymers es zuerst von der schärfsten Stelle weg.

In allen vier Fällen ist der Fehler derselbe: ein gasgefüllter Hohlraum an der Stelle mit der höchsten Feldstärke. Das ist die ungünstigste Stelle dafür. In einem Hohlraum mit einer relativen Permittivität von 1, eingebettet in einen Feststoff mit einer relativen Permittivität um 4, ist das Feld im Hohlraum um ein Mehrfaches höher als im umgebenden Feststoff, während die Durchschlagfestigkeit des Gases weit unter der des Feststoffs liegt. Der Hohlraum entlädt sich zuerst, in jeder Periode, und die Entladung erodiert die Hohlraumwand, bis die Wand verschwunden ist.

Arbeiten zur epoxidgetränkten Schienenisolierung haben genau diese Abfolge nachgezeichnet: Die Teilentladung in einem Blasenfehler zersetzt das Epoxid, der Gasdruck steigt, und die Hohlraumwand bricht, sobald der Druck ihre Zähigkeit übersteigt. Der Ausgangsort ist der Fehler, und der Fehler liegt dort, wo die Geometrie es der Isolierung unmöglich gemacht hat, sich anzulegen.

Eine gerundete Kante macht die Isolierung nicht besser. Sie macht es möglich, dass die Isolierung so gut ist wie auf der ebenen Fläche.

Kantenrückzug bei Pulver- und Nasslack

Die Beschichtungsbranche hat diese Frage vor Jahrzehnten geklärt und eine Zahl aufgeschrieben.

Wird eine Polymerbeschichtung auf eine scharfe Kante aufgetragen, ob als Pulver oder flüssig, zieht die Oberflächenspannung beim Verlaufen und Aushärten Material von der Kante weg. Die Trockenschichtdicke an der Kante kann auf einen Bruchteil der Dicke auf der angrenzenden ebenen Fläche abfallen; deshalb beginnt Korrosion an lackiertem Stahl an den Kanten und breitet sich nach innen aus und nicht umgekehrt.

ISO 8501-3 legt drei Vorbereitungsgrade für Kanten, Schweißnähte und Oberflächenunregelmäßigkeiten fest. Der Grad P3, der gründlichste, verlangt, dass alle Kanten mit einem Radius von mindestens 2 mm gerundet werden. ISO 12944-3

macht P3 dann verbindlich für hohe und sehr hohe Schutzdauer in der Korrosivitätskategorie C4 und darüber sowie für die Kategorien Im1 bis Im4 bei Eintauchbeanspruchung.

Diese 2 mm sind die Stelle, aus der ein belastbarer Mindestradius tatsächlich stammt, und sie stammt aus einer Beschichtungsnorm und nicht aus einer elektrotechnischen. Wenn ein Kunde Sie um eine Begründung für R2 bittet, zitieren Sie ISO 8501-3 und nicht IEC 61439.

Ein Vorbehalt, um es nicht überzuverkaufen. Eine systematische Untersuchung in Progress in Organic Coatings hat die Trockenschichtdicke über gerundeten Stahlkanten an polierten metallografischen Querschliffen gemessen und über die geprüften Systeme hinweg keinen statistisch signifikanten Einfluss des Kantenradius auf die Beschichtungsdeckung gefunden. Diese Arbeit betraf Baustahl und keine Kupferschiene, und sie hebt den Mechanismus nicht auf; sie erinnert aber daran, dass das Rundungsverfahren und das Beschichtungssystem ebenso viel ausmachen können wie die Zahl des Radius. Die Kante zu runden ist notwendig. Für sich allein ist es nicht hinreichend.

Fase oder Radius

Das ist nicht dasselbe, und der Unterschied ist im Zeichnungsstadium zwei Minuten Nachdenken wert.

Eine Fase ist eine ebene Abschrägung. Eine Fase von 1 mm × 45° ersetzt eine 90°-Kante durch zwei 135°-Kanten. Sie entfernt den Grat, nimmt der Handhabungsgefahr die Schärfe und hilft einer Beschichtung ein wenig. Elektrisch hilft sie deutlich weniger, als man annimmt, denn Sie haben weiterhin zwei Unstetigkeiten in der Oberfläche, und das Feld konzentriert sich weiterhin an ihnen, nur weniger stark.

Ein Radius ist ein echter Bogen, tangential an beide Flächen, ganz ohne Unstetigkeit. Das ist es, was das Feld verlangt, und was Schrumpfschlauch und Umspritzung verlangen.

Für die Sicherheit bei der Handhabung und für eine Schiene, die verschraubt und blank belassen wird, ist eine Fase in Ordnung und schneller herzustellen. Für alles, was isoliert oder umhüllt wird oder oberhalb einiger hundert Volt mit engem Phasenabstand betrieben wird, geben Sie einen Radius vor und schreiben Sie ihn auf die Zeichnung, denn „Fase 1 mm“ und „R1“ werden mit unterschiedlichen Werkzeugen gefertigt und verhalten sich nicht gleich.

Was es an Kupfer kostet

Das Runden nimmt Querschnitt weg, und Querschnitt ist Strombelastbarkeit.

Die an jeder Kante entfernte Fläche beträgt R²(1 − π/4), also etwa 0,215 R². An einer Schiene von 100 × 10 mm mit 1000 mm² nehmen vier Kanten mit R5 rund 21,5 mm² weg, etwas über 2 %. Bei R3 an einer Schiene von 60 × 10 mm sind es rund 1,3 %. Eine Fase von 1 mm × 45° an derselben Schiene 100 × 10 nimmt 2 mm² weg, also 0,2 %.

Zwei Prozent des Leiters sind nicht katastrophal, an einer ohne Reserve ausgelegten Schiene aber auch nicht nichts, und sie kommen zu der Abminderung hinzu, die Sie für Gehäuse und Gruppierung bereits vorgenommen haben. Wenn Sie nahe an der Grenze liegen, rechnen Sie die Geometrie mit und ohne Kantenverlust durch den Rechner für die Strombelastbarkeit, bevor Sie sich an einer stark belasteten Schiene auf einen großen Radius festlegen.

Hände, Handschuhe und der Grund, aus dem die meisten Betriebe es tatsächlich tun

Eine geschnittene Kupferkante mit einem Grat von 0,2 mm schneidet einen Störlichtbogen-Schutzhandschuh auf. Sie schneidet auch eine Hand auf. Eine Sammelschiene ist schwer, sie wird beim Zusammenbau mehrfach angefasst, und sie wird oft mit dem Körpergewicht des Monteurs in Position gebracht.

Das ist der Grund, aus dem die Kantenbehandlung auch an Kombinationen vorgegeben wird, bei denen es überhaupt kein Argument aus der Feldüberhöhung gibt, und es ist ein völlig ausreichender Grund. Es ist zufällig auch der, der gemessen wird, denn Handschuhverbrauch und Verbandbuch sind Dinge, die ein Werkleiter ohnehin verfolgt.

Es wiederholbar herstellen

Der Kantenradius an der Stromschiene gilt in vielen Betrieben deshalb als optional, weil er früher eine Handarbeit mit Feile oder Handschleifer war, also ungleichmäßig, langsam und unangenehm.

Zwei Maschinenkategorien lösen das. Das Anfasen schneidet mit einer Frässpindel und einem Formwerkzeug eine festgelegte Fase oder einen festgelegten Radius entlang der Schienenkante, auch um gestanzte Lochkanten herum und an den Enden. Die Fasmaschine EMAC-XT fährt eine BT40-Spindel bis 6000 rpm mit einem automatischen Werkzeugwechsler für sechs Plätze, bearbeitet Schienen von 3 bis 15 mm Dicke und 30 bis 230 mm Breite und hält ±0,05 mm bei Positionierung und Wiederholgenauigkeit. Der Werkzeugwechsler ist hier von Bedeutung: Ein Fasenwerkzeug, ein Radius-Formwerkzeug und ein Werkzeug für die Lochkante im selben Programm bedeuten, dass der Bediener nicht an der Maschine steht und zwischen den Merkmalen Spannzangen wechselt.

Das Entgraten ist ein anderer Arbeitsgang mit einem anderen Zweck. Es entfernt den Grat und setzt in einem Durchgang auf alles, auch auf die Lochkanten, einen kleinen, nicht festgelegten Kantenbruch. Die Entgratmaschine BND800-2 nimmt Schienen von 0,5 bis 50 mm Dicke und 100 bis 800 mm Breite mit 5 bis 30 m/min auf. Dieser Durchsatz macht es tragfähig, jede Schiene zu entgraten und nicht nur die, die jemand angezeichnet hat.

Die Unterscheidung, die man festhalten sollte: Das Entgraten macht die Schiene sicher in der Handhabung und entfernt das aufstehende Metall, das sonst zwischen zwei aufeinanderliegenden Flächen einer Schraubverbindung säße. Einen festgelegten Radius erzeugt es nicht. Wenn eine Zeichnung R3 vorgibt und jemand die Schiene durch eine Entgratlinie fährt und den Haken setzt, besteht das Isolierungsproblem, das Sie lösen wollten, weiterhin.