Apa yang membuat sambungan busbar berbaut menjadi andal

Satu jalur busbar sebagian besar adalah persoalan yang sudah terpecahkan. Batangnya ditetapkan ukurannya dari sebuah arus, kenaikan suhunya diverifikasi, dan logamnya berperilaku sebagaimana logam berperilaku. Sambungannyalah tempat rekayasa yang sebenarnya berada, dan di situ pula switchboard terbakar. Banyak hal yang menentukan umur pakai sebuah sambungan sudah diputuskan di bengkel fabrikasi sebelum batangnya sampai ke lapangan: seberapa rata permukaan yang saling bertemu, apakah burr-nya sudah dibuang, bagaimana lubangnya dibuat, dan seperti apa permukaannya di tempat kedua batang akan bersentuhan.

Luas kontak yang tampak adalah fiksi

Dua batang 50 mm yang ditumpangkan sepanjang 70 mm memberi luas kontak nominal 3500 mm². Hampir tidak ada bagian darinya yang membawa arus.

Permukaan nyata tidaklah rata. Ketika ditekan bersama, dua batang hanya bersentuhan di puncak-puncak tonjolan permukaannya, dan arus menyeberang hanya di tempat puncak-puncak itu menembus lapisan permukaannya sampai terjadi kontak logam ke logam. Inilah titik-titik penghantarnya, yang secara umum disebut a-spots mengikuti pembahasan Holm. Panduan busbar dari Copper Development Association menaksirnya pada orde 1% dari luas tumpangannya.

Hasil pengukuran kurang menyanjung. Kerja Braunovic tentang sambungan berbaut bertumpangan berdaya tinggi, terbit di IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies pada 2002, menghitung rasio luas penghantar nyata terhadap luas kontak yang diharapkan untuk sambungan konektor ke busbar dengan empat dan enam baut. Tanpa persiapan permukaan apa pun, rasionya keluar di 0.0003% sampai 0.0023%. Setelah dimesin dan dilumasi, kasus terbaiknya mencapai sekitar 4%. Bahkan pada sambungan dengan persiapan terbaik yang diuji, 96% luas kontaknya tidak mengerjakan apa pun.

Hubungan penanggung beban di baliknya sederhana: gaya kontak F berhubungan dengan luas tampak A dan kekerasan H sebagai F = ξHA, dan Holm menunjukkan kekerasan berhubungan dengan tegangan luluh sebagai H ≈ 3σy. Material yang lebih lunak meluluh pada tekanan lebih rendah dan memberi luas kontak nyata lebih besar untuk beban baut yang sama, dan itulah sebabnya aluminium mudah membentuk kontak yang rapat sekaligus sebabnya aluminium kemudian punya persoalan creep.

Resistansi konstriksi

Karena arus hanya bisa menyeberang di a-spots, garis-garis arus di dalam logam curah memusat masuk ke tiap titik lalu memencar keluar darinya. Pemusatan itu sendiri adalah sebuah resistansi, terlepas dari lapisan permukaan apa pun, dan itu disebut resistansi konstriksi. Untuk satu titik bulat berjari-jari a di antara dua logam identik dengan resistivitas ρ:

Rc = ρ / 2a

Di antara logam yang berbeda, rumusnya menjadi (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Total resistansi kontak menambahkan resistansi lapisan Rf = σ/πa², dengan σ adalah resistansi per satuan luas dari lapisan oksida atau kontaminan mana pun yang harus ditembus arus lewat penerowongan atau fritting.

Penyebutnyalah yang penting. Resistansi konstriksi berskala dengan jari-jari titiknya, bukan dengan luas titiknya, sehingga melipatduakan luas sebuah titik hanya memangkas resistansi konstriksinya sekitar 1.4 kali, sedangkan melipatduakan jumlah titiknya membuatnya menjadi setengah. Inilah sebabnya persiapan permukaan mengalahkan torsi baut sebagai tuas: torsi memperbesar titik yang sudah ada, persiapan menciptakan titik yang baru.

Beri angkanya. Tembaga pada 1.724 × 10⁻⁸ Ω·m dengan satu a-spot berjari-jari 10 µm memberi Rc = 862 µΩ untuk titik itu saja. Seribu titik terparalel akan memberi 0.86 µΩ. Sambungan nyata berada di atas angka itu, karena titik-titik yang berdekatan saling mengganggu medan arus satu sama lain dan gugusnya sebagian berperilaku seperti satu konstriksi yang lebih besar, tetapi orde besarannya menjelaskan mengapa sambungan yang baik terukur dalam mikro-ohm satu digit.

Target tekanan kontak

Resistansi kontak turun tajam seiring tekanan kontak lalu berhenti turun. Panduan CDA menyebutnya secara spesifik: di atas kira-kira 30 N/mm² hampir tidak ada perbaikan lagi, di bawah 7 N/mm² tidak dianjurkan dalam sebagian besar kasus, dan tekanan di atas 10 N/mm² lebih disukai. Kerja independen pada koneksi busbar tembaga menguji 6 sampai 36 MPa dan menemukan resistansi kontak turun dari sekitar 16 µΩ pada 6 MPa menjadi sekitar 11 µΩ pada 30 MPa, tanpa peningkatan berarti di atas itu.

Jadi target desainnya adalah sebuah pita, bukan sebuah nilai maksimum: di suatu tempat antara 10 dan 30 N/mm² dirata-ratakan sepanjang tumpangannya. Ia berupa pita alih-alih sebuah angka karena tekanannya sama sekali tidak seragam di seluruh tumpangan itu.

Torsi adalah wakil dari preload, dan wakil yang buruk

Tekanan kontak tidak bisa diukur di lapangan. Ia disimpulkan dari torsi baut lewat:

T = K F D

dengan T adalah torsi dalam Nm, F gaya baut dalam N, D diameter nominal baut dalam m, dan K adalah faktor mur, yang bergantung pada gesekan ulir, kehalusan permukaan, plating dan kondisi pelumasannya. CDA menyebut 0.20 sampai 0.22 dalam keadaan kering, 0.19 sampai 0.21 dengan senyawa bantu kontak, dan 0.15 sampai 0.16 dengan pelumas batas molibdenum disulfida. Kerjakan itu pada susunan yang ditabelkan CDA sendiri untuk batang 50 mm: tumpangan 70 mm, luas sambungan 3500 mm², dua baut M12 pada 45 Nm.

Kunci torsi yang sama, setelan yang sama, fitter yang sama. Sebaran 47% pada preload, dan sambungan yang mendarat entah nyaman di dalam pita yang disukai atau sedikit di bawahnya, tergantung apakah ada yang mengelap ulirnya. Itu belum menghitung kalibrasi kunci atau urutan pengencangan bautnya. Pengendalian torsi bukan tidak berguna, tetapi dengan sendirinya ia memberi Anda sambungan yang tekanan kontaknya tidak bisa Anda klaim, dan itu sebagian besar alasan mengapa pita yang direkomendasikan begitu lebar.

Washer Belleville membuktikan tempatnya secara termal

Alasan kedua mengapa preload tidak bertahan di tempat Anda meletakkannya adalah suhu.

IEC 61439-1 mengizinkan kenaikan suhu 105 K pada busbar tembaga telanjang, sehingga batang pada suhu sekitar 35 °C secara sah bisa berada di 140 °C. Baut yang menembusnya tidak berada pada suhu yang sama maupun memiliki koefisien muai yang sama. Tembaga berada di sekitar 16.5 × 10⁻⁶ per °C, baja kuat tarik tinggi di 11.1 × 10⁻⁶, perunggu aluminium CW307G di 16.2 × 10⁻⁶.

Dengan baut baja menembus sambungan tembaga, tembaganya memuai lebih cepat daripada bautnya, sehingga tegangan baut naik ketika sambungannya memanas. Itu terdengar membantu padahal tidak. CDA menuntut tegangan baut maksimum di mana pun dalam rentang kerjanya tetap di bawah 95% tegangan luluhnya, karena baut yang terbawa melewati luluh tidak kembali lagi, dan saat mendingin sambungannya jadi lebih longgar daripada semula. Ulangi siklus itu tiap hari selama sepuluh tahun dan sambungannya mengendur sampai habis.

Ada dua jalan keluar. Pakai baut yang muainya cocok dengan tembaga, dan itulah argumen untuk CW307G di 16.2 × 10⁻⁶ berhadapan dengan tembaga di 16.5, selisih yang cukup kecil sehingga tegangannya hampir tidak bergerak. Atau pertahankan baut bajanya dan sisipkan washer pegas cakram ke dalam tumpukannya, ditetapkan tinggi dan konstanta pegasnya agar pemuaian termalnya menekan pegas itu alih-alih memanjangkan bautnya.

Washer Belleville biasanya dijual sebagai tindakan anti-getaran. Bukan itu tugasnya di sini. Ia adalah elemen kelenturan yang mengubah sambungan berbaut yang kaku dan bergerak sedikit menjadi lebih lunak, sehingga selisih muai beberapa perseratus milimeter tidak berubah menjadi perubahan beban yang besar. Sambungan yang diuji Braunovic memakai washer rata tebal 3 sampai 4 mm, berdiameter 1.4 kali diameter pegas cakramnya, untuk mencegah tepi pegasnya menggigit masuk.

Berapa sebenarnya nilai persiapan permukaan

Braunovic mengukur resistansi kontak sambungan pada perangkat keras yang identik tanpa mengubah apa pun kecuali perlakuan permukaannya. Sambungan berbaut empat dan enam, 60 Nm, washer pegas cakram, 150 A DC, rata-rata pembacaan selama satu jam.

Itu adalah pad konektor aluminium terhadap busbar aluminium, jadi jangan memindahkan nilai mutlaknya ke sambungan tembaga. Rasionyalah yang menjadi intinya. Antara permukaan apa adanya dan permukaan yang dimesin serta dilumasi pada perangkat keras yang sama, resistansi kontaknya turun 24 kali lipat pada konfigurasi berbaut empat dan 70 kali lipat pada yang berbaut enam. Tidak ada yang bisa Anda lakukan dengan kunci torsi yang mendekati itu.

Permukaan yang dimesin juga mengungguli yang disikat kawat, yang dikaitkan dengan tinggi dan jarak gerigi pemesinan yang seragam sehingga memberi luas penanggung beban yang lebih terkendali. Perhatikan arah kesimpulannya: permukaan yang sengaja dikasarkan mengalahkan permukaan yang dipoles halus, karena tonjolan yang tajam menembus lapisan oksida pada beban yang jauh lebih rendah daripada tonjolan yang tumpul. Memoles bidang sambungan sampai seperti cermin justru kontraproduktif.

Anda juga akan menemukan angka "tembaga mengilap 3 sampai 5 µΩ, kusam ringan 15 sampai 25 µΩ, oksida tebal 50 sampai 200 µΩ" dikutip di beberapa tempat. Kami tidak berhasil menelusurinya sampai ke sebuah pengukuran primer, dan angka resistansi kontak tidak berarti apa-apa tanpa geometri sambungan, jumlah baut dan arus ujinya disebutkan bersamanya. Perlakukan angka itu sebagai gambaran urutannya, bukan sebagai data desain.

Plating: empat pilihan, empat modus kegagalan yang berbeda

Tembaga telanjang adalah pilihan bawaannya, dan pilihan bawaan yang lebih baik daripada dugaan kebanyakan orang. Tembaga teroksidasi perlahan, dan lapisan yang terbentuk bersifat semikonduktor, bukan isolator, karena ion tembaga berdifusi ke dalamnya dan penghantarannya berlangsung dua arah. CDA tidak menganjurkan plating pada sambungan tembaga ke tembaga kecuali lingkungannya menuntut, dengan alasan yang mengejutkan orang: material plating itu lunak, dan lapisan lunak bisa mengalir saat panas lalu menurunkan tekanan kontaknya. Tembaga telanjang memang memerlukan senyawa bantu kontak untuk mengisi rongga di antara a-spots dan menahan oksigen serta kelembapan agar tidak masuk. Petroleum jelly bisa dipakai, dan gemuk vakum silikon bisa dipakai pada suhu yang lebih tinggi.

Timah murah dan oksidanya mudah dirusak di bawah tekanan, tetapi ia lunak, sehingga ia ber-creep di bawah tekanan yang berkelanjutan dan mudah rusak akibat fretting. Timah murni menumbuhkan whisker yang bisa menyebabkan hubung singkat sesaat, sehingga CDA menyarankan untuk tidak memakainya, dan paduan timah-timbal yang secara historis mengatasi hal itu kini tidak lagi menjadi pilihan karena alasan lingkungan. Intermetalik tembaga-timah tumbuh di antarmukanya seiring suhu dan lebih resistif daripada kedua logam induknya, sehingga memberi timah batas atas layanan terendah di antara keempatnya.

Perak adalah yang terbaik secara kelistrikan. Oksidanya menghantar dan cukup tipis untuk tergeser di bawah tekanan kontak, dan ia bertahan pada suhu tertinggi. Ia mahal, dan ia keliru dipakai di atmosfer bersulfur tempat perak sulfida mudah terbentuk: pabrik kertas, instalasi pengolahan limbah, dan mana pun yang dekat kilang.

Nikel adalah pelapis serba guna yang disukai CDA, karena murah, tahan lama dan cukup keras untuk bertahan melewati penanganan saat pemasangan. Pertukarannya bersifat kelistrikan. Oksida nikel itu liat dan menuntut tekanan kontak tinggi untuk ditembus, sehingga sambungan berlapis nikel yang dirakit di ujung bawah pitanya tidak akan berkinerja baik, dan nikel berperilaku buruk pada kelembapan tinggi.

Pelapis logam itu tipis, biasanya 2 sampai 5 µm, dan hanya melindungi bila menerus. Satu lubang jarum di lingkungan korosif lebih buruk daripada tanpa plating sama sekali, karena ia memusatkan serangannya.

Memasangkannya dengan aluminium

Tembaga dan aluminium yang bersentuhan langsung dengan elektrolit apa pun yang hadir membentuk sel galvanik, dan aluminiumlah yang menjadi separuh yang dikorbankan. Potensial elektroda standarnya adalah +0.34 V untuk tembaga dan −1.66 V untuk aluminium terhadap elektroda hidrogen standar. Di dalam kabinet dalam ruangan yang kering dan tersegel Anda mungkin lolos selama bertahun-tahun; di lingkungan lembap atau pesisir tidak akan. Perbaikannya, berurutan dari yang termurah, adalah senyawa penyambung yang menyegel antarmukanya terhadap kelembapan, plating timah agar permukaan yang bertemu menjadi sejenis, atau pelat transisi bimetalik hasil las gesek atau ikatan ledakan yang memindahkan antarmuka logam berbeda itu ke dalam pabrik. Perbedaan fabrikasi antara kedua logam menjangkau lebih jauh daripada sekadar sambungannya.

Fretting dan relaksasi: bagaimana sambungan yang baik menjadi buruk

Dua mekanisme lambat menjelaskan sebagian besar sambungan yang lolos komisioning lalu gagal bertahun-tahun kemudian.

Fretting adalah kerusakan permukaan akibat gerakan osilasi yang sangat kecil di antarmukanya, dan amplitudonya mengejutkan kecilnya. Perpindahan di bawah 100 nm sudah cukup untuk memulainya, dan karena selip di bawah kira-kira 125 µm tidak sanggup menyapu serpihan keluar dari zona kontaknya, partikel aus yang teroksidasi tetap tinggal dan menumpuk menjadi benda ketiga yang tebal dan mengisolasi. Resistansi kontaknya lalu naik tajam menuju rangkaian terbuka. Osilasinya berasal dari getaran, selisih muai termal, atau sekadar dari sambungan yang memanas dan mendingin mengikuti siklus bebannya.

Yang satunya adalah creep dan relaksasi tegangan. Creep adalah perubahan dimensi di bawah beban yang berkelanjutan; relaksasi tegangan adalah hilangnya tekanan kontak tanpa perubahan dimensi, ketika regangan elastis berubah menjadi plastis. Keduanya bergantung pada waktu, suhu dan tegangan, dan keduanya jauh lebih buruk pada aluminium. Perbandingan dari CDA menyatakan perbedaannya dengan bersih: aluminium 1080 anil pada 20 °C memperlihatkan laju creep minimum 0.022% per 1000 jam pada 26 N/mm², sedangkan tembaga berkonduktivitas tinggi yang dianil baru mencapai laju itu pada tegangan yang sama ketika dipanaskan sampai 150 °C.

Itulah persoalan penyambungan aluminium dalam satu baris. Pada suhu ruang, aluminium di bawah tekanan kontak busbar yang normal sudah ber-creep pada laju yang baru dicapai tembaga jauh di atas rentang layanannya. Sambungan aluminium berbaut memerlukan pegas cakram sebagai praktik standar, bukan sebagai peningkatan, dan memerlukan jadwal pengencangan ulang yang tidak diperlukan sambungan tembaga.

Di mana bengkel fabrikasi berperan

Kerataan lebih dulu. Braunovic mengaitkan kinerja buruk sambungan tanpa slot dengan ketidaksejajaran antar batang yang kaku: sebagian daerah membawa tegangan tinggi dan meluluh, yang lain nyaris tidak bersentuhan, dan luas penanggung bebannya berakhir kecil. Batang dengan puntiran 1 mm sepanjang panjangnya tidak akan berbaring rata terhadap tetangganya, berapa pun torsi yang Anda terapkan.

Lalu burr. Burr di tepi lubang hasil punching adalah logam terangkat yang menonjol di atas bidang pertemuannya. Ia menahan kedua batang agar tidak rapat di sekeliling lubangnya, tepat di tempat bautnya menerapkan tekanan, dan mengubah kontak permukaan menjadi kontak cincin di atas burr itu. Mesin deburring BND800-2 menangani batang setebal 0.5 sampai 50 mm dan selebar 100 sampai 800 mm pada 5 sampai 30 m/min, cukup cepat sehingga men-deburring setiap batang menjadi keputusan penjadwalan, bukan sebuah kemacetan.

Kualitas lubang mengikuti dari operasi yang sama. Punching dengan clearance yang benar meninggalkan dinding lubang yang bersih dan burr keluar yang kecil serta konsisten; clearance berlebih meninggalkan tepi yang sobek dan burr yang besar. Penempatannya juga penting secara kelistrikan: lubang sebaiknya berjajar segaris sepanjang sambungannya, karena menggesernya mengganggu aliran arus lebih jauh, dan suku dominan dalam efisiensi sambungan adalah penampang yang hilang karena lubangnya. DIN 43673-1 menetapkan letak dan ukuran lubang dan merupakan titik awal yang lebih baik daripada standar internal perusahaan.

Pada bidang pertemuannya Anda menghendaki kekasaran yang seragam dan terkendali alih-alih polesan, serta tepi yang terkendali di batas tumpangannya, tempat sudut tajam sekaligus menjadi pemusat tegangan dalam distribusi tekanan dan titik pemusatan medan. Akibat kedua itu menjadi pokok bahasan chamfering busbar dan radius tepi.

Geometri tumpangan adalah yang terakhir. Kerugian distorsi arus pada sambungan bertumpangan, efek garis alir, turun cepat ketika rasio panjang tumpangan terhadap tebalnya naik sampai sekitar 2 lalu mendatar. Tumpangan yang sangat panjang tidak membeli apa pun; Anda hanya butuh panjang yang cukup untuk memuat baut yang menghasilkan tekanan kontaknya. Dua perubahan geometri bisa didapat cuma-cuma pada tahap punching. Memiringkan ujung batang kurang dari 45° memangkas resistansi sambungan awal sekitar 15% dan memperlambat kenaikan resistansinya di bawah siklus arus sebesar 1.3 sampai 1.5 kali. Slot memanjang yang dipotong pada kedua batang mengurangi resistansi kontak 30 sampai 40%, dengan meratakan tekanan pada tiap kakinya. Keduanya lebih murah dibuat di jalur punching dan shearing daripada dijelaskan sesudahnya.

Sambungan dengan efisiensi di bawah 100% berjalan lebih panas daripada batang di sekitarnya, dan di dalam kabinet yang penuh sambungan panas itu bersifat kumulatif. Kalkulator ampasitas memberi garis dasar termal batangnya, dan itulah anggaran yang harus ditempati sambungannya.