Apa yang membuat sambungan busbar berbaut menjadi andal

Jalur busbar pada dasarnya adalah masalah yang sudah terpecahkan. Batang diukur dari arus, kenaikan suhu diverifikasi, dan perilaku logam sesuai harapan. Sambungan adalah tempat sebenarnya keterampilan teknik berada, dan sambungan juga tempat panel listrik terbakar. Banyak faktor yang menentukan masa pakai sambungan sudah ditetapkan di pabrik fabrikasi sebelum batang tiba di lokasi: keutamaan permukaan yang berpasangan, apakah gerigi sudah dibuang, bagaimana lubang dibuat, dan kondisi permukaan di mana kedua batang bertemu.

Luas kontak tampak adalah fiksi

Dua batang 50 mm yang overlap sejauh 70 mm memberikan luas kontak nominal 3500 mm². Hampir seluruhnya tidak membawa arus.

Permukaan nyata tidak rata. Jika ditekan bersama, dua batang hanya menyentuh di puncak ketidakrataan, dan arus hanya menyeberang di mana puncak-puncak itu menembus lapisan permukaan hingga terjadi kontak logam-ke-logam. Ini adalah titik konduksi, secara universal disebut a-spot setelah penjelasan Holm mengenai hal tersebut. Panduan busbar dari Copper Development Association menempatkannya pada urutan 1% dari luas overlap.

Pengukuran kurang menguntungkan. Pekerjaan Braunovic pada sambungan baut overlap berdaya tinggi, yang diterbitkan di IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies pada tahun 2002, menghitung rasio luas konduksi nyata terhadap luas kontak yang diharapkan untuk sambungan konektor-ke-busbar empat dan enam baut. Tanpa persiapan permukaan, rasionya adalah 0,0003% hingga 0,0023%. Jika difinishing mesin dan dilumasi, kasus terbaik mencapai sekitar 4%. Bahkan pada sambungan yang disiapkan paling baik yang diuji, 96% luas kontak tidak aktif.

Hubungan penahan beban di balik ini sederhana: gaya kontak F berhubungan dengan luas tampak A dan kekerasan H sebagai F = ξHA, dan Holm menunjukkan kekerasan berhubungan dengan tegangan alir sebagai H ≈ 3σy. Material yang lebih lunak mengalir di bawah tekanan lebih rendah dan menyediakan lebih banyak luas kontak nyata untuk beban baut yang sama, itulah sebabnya aluminium mudah membuat kontak erat dan kemudian aluminium mengalami masalah creep.

Resistansi konstriksi

Karena arus hanya dapat menyeberang di a-spot, garis arus dalam logam bulk meruncing masuk ke setiap titik dan melebar keluar dari sana. Peruncingan itu sendiri merupakan suatu resistansi, independen dari lapisan permukaan apa pun, dan disebut resistansi konstriksi. Untuk satu titik lingkaran dengan jari-jari a antara dua logam identik dengan resistivitas ρ:

Rc = ρ / 2a

Antara logam berbeda menjadi (ρ₁ + ρ₂) / 4a. Total resistansi kontak menambahkan resistansi lapisan Rf = σ/πa², di mana σ adalah resistansi per satuan luas dari lapisan oksida atau kontaminan apa pun yang harus ditembus arus secara terowongan atau fritt.

Penyebutnya adalah bagian yang penting. Resistansi konstriksi berbanding lurus dengan jari-jari titik, bukan luas titik, sehingga menggandakan luas suatu titik hanya mengurangi resistansi konstrinya sekitar faktor 1,4, sementara menggandakan jumlah titik akan membaginya dua. Inilah sebabnya persiapan permukaan lebih efektif daripada torsi baut: torsi memperbesar titik yang ada, persiapan menciptakan titik baru.

Tembaga dengan resistivitas 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m dengan satu a-spot berjari-jari 10 µm menghasilkan Rc = 862 µΩ untuk titik itu saja. Seribu titik secara paralel akan menghasilkan 0,86 µΩ. Sambungan nyata berada di atas nilai itu, karena titik yang berdekatan saling mengganggu bidang arus satu sama lain dan kelompok titik sebagian berperilaku sebagai satu konstriksi yang lebih besar, tetapi urutan besarnya menjelaskan mengapa sambungan yang baik diukur dalam satuan mikrohm satu digit.

Target tekanan kontak

Hambatan kontak turun tajam seiring meningkatnya tekanan kontak, kemudian berhenti turun. Pedoman CDA spesifik: di atas sekitar 30 N/mm² hampir tidak ada peningkatan lebih lanjut, di bawah 7 N/mm² tidak disarankan dalam kebanyakan kasus, dan tekanan di atas 10 N/mm² lebih disukai. Penelitian independen pada sambungan busbar tembaga menguji dari 6 hingga 36 MPa dan menemukan hambatan kontak turun dari sekitar 16 µΩ pada 6 MPa menjadi sekitar 11 µΩ pada 30 MPa, tanpa peningkatan signifikan setelahnya.

Desain target adalah rentang, bukan maksimum: di antara 10 dan 30 N/mm² dirata-ratakan di atas area tumpang tindih. Ini adalah rentang karena tekanan tidak merata di seluruh area tumpang tindih.

Torsi adalah proksi untuk beban awal, dan proksi yang buruk

Tekanan kontak tidak dapat diukur di lapangan. Nilainya disimpulkan dari torsi baut melalui:

T = K F D

di mana T adalah torsi dalam Nm, F adalah gaya baut dalam N, D adalah diameter nominal baut dalam m, dan K adalah faktor mur, yang bergantung pada gesekan ulir, hasil permukaan, pelapisan, dan kondisi pelumasan. CDA mengutip 0.20 hingga 0.22 kering, 0.19 hingga 0.21 dengan senyawa bantu kontak, dan 0.15 hingga 0.16 dengan pelumas batas molibdenum disulfida. Menghitung ini berdasarkan tabel CDA sendiri untuk palang 50 mm: tumpang tindih 70 mm, area sambungan 3500 mm², dua baut M12 pada 45 Nm.

Kunci torsi yang sama, pengaturan yang sama, pemasang yang sama. Rentang 47% pada beban awal, dan sambungan yang mendarat baik dengan nyaman di dalam rentang yang disukai atau sedikit di bawahnya tergantung pada apakah ulir dibersihkan. Itu sebelum kalibrasi kunci atau urutan pengerjaan baut. Kontrol torsi tidak sia-sia, tetapi dengan sendirinya memberikan sambungan yang hambatan kontaknya tidak dapat diklaim, yang merupakan alasan utama mengapa rentang yang direkomendasikan begitu lebar.

Paking Bellville mendapatkan tempatnya secara termal

Alasan kedua mengapa beban awal tidak tetap pada posisinya adalah suhu.

IEC 61439-1 mengizinkan kenaikan suhu 105 K pada busbar tembaga polos, sehingga palang pada suhu lingkungan 35 °C dapat secara sah berada pada 140 °C. Baut yang melaluinya tidak berada pada suhu yang sama maupun memiliki koefisien ekspansi yang sama. Tembaga berkonstansi sekitar 16.5 × 10⁻⁶ per °C, baja tahan karat tinggi 11.1 × 10⁻⁶, dan perunggu aluminium CW307G 16.2 × 10⁻⁶.

Pada sambungan yang menggunakan baut baja melalui sambungan tembaga, tembaga mengembang lebih cepat daripada baut, sehingga tarikan baut meningkat saat sambungan memanas. Kondisi ini terdengar menguntungkan namun tidak demikian kenyataannya. CDA mengharuskan tarikan baut maksimum di mana pun dalam rentang kerja tetap berada di bawah 95% dari tegangan luluh (proof stress), karena baut yang melampaui batas luluh tidak akan kembali ke bentuk semula, dan saat pendinginan sambungan menjadi lebih longgar daripada awalnya. Pola ini terulang setiap hari selama sepuluh tahun dan sambungan akan mengendur hingga kehilangan fungsinya.

Terdapat dua solusi. Pertama, menggunakan baut dengan koefisien ekspansi yang mendekati tembaga, yaitu argumen penggunaan CW307G dengan nilai 16.2 × 10⁻⁶ dibandingkan tembaga 16,5, perbedaan kecil yang membuat tarikan baut nyaris tidak berubah. Kedua, mempertahankan baut baja tetapi menambahkan piringan cakram pegas (disc-spring washer) dalam tumpukan, dengan ukuran tinggi dan kekakuan pegas (spring rate) yang tepat sehingga pertumbuhan termal mengompresi peregangan peregangan pegas daripada meregangkan baut.

Piringan pegas Belleville biasanya dijual sebagai perlindungan anti-getaran. Namun, fungsi di sini berbeda. Komponen ini berfungsi sebagai elemen fleksibilitas yang mengubah sambungan baut yang kaku dengan pergerakan kecil menjadi sambungan yang lebih lunak, sehingga perbedaan ekspansi termal beberapa ratus milimeter tidak menjadi perubahan beban yang besar. Sambungan Braunovic menggunakan piringan datar tebal 3 hingga 4 mm dengan diameter 1,4 kali diameter piringan cakram pegas, untuk mencegah tepi pegas menggigit permukaan.

Persiapan permukaan mana yang benar-benar efektif

Braunovic mengukur resistansi kontak sambungan pada perangkat keras identik dengan satu-satunya perubahan adalah perlakuan permukaan. Sambungan empat dan enam baut, 60 Nm, piringan cakram pegas, 150 A DC, rata-rata pembacaan selama satu jam.

Hasil ini menggunakan pelat konektor aluminium terhadap busbar aluminium, sehingga nilai absolut tidak dapat diterapkan pada sambungan tembaga. Rasio nilainya yang menjadi perhatian. Antara permukaan seperti diterima dengan permukaan yang telah dimesin dan dilumasi pada perangkat keras yang sama, resistansi kontak turun sebesar 24 kali pada konfigurasi empat baut dan 70 kali pada konfigurasi enam baut. Tindakan apa pun dengan kunci torsi tidak dapat menandingi penurunan ini.

Permukaan yang dimesin juga menunjukkan kinerja lebih baik dibandingkan permukaan yang disikat kawat, diatribusikan pada ketinggian dan jarak serutan pemesinan yang seragam memberikan area beban yang lebih terkendali. Arah temuan ini cukup menarik: permukaan yang sengaja diperkasar menghasilkan kinerja lebih baik daripada permukaan yang dipoles halus, karena tonjolan tajam menembus film oksida pada beban yang jauh lebih rendah dibandingkan tonjolan tumpul. Memoles permukaan sambungan hingga berkilau justru kontraproduktif.

Angka seperti "tembaga bersih 3 hingga 5 µΩ, sedikit pudar 15 hingga 25 µΩ, oksida berat 50 hingga 200 µΩ" dikutip di beberapa sumber. Pengukuran primer untuk data ini tidak dapat ditelusuri, dan angka resistansi kontak tidak memiliki arti tanpa disertai geometri sambungan, jumlah baut, dan arus pengujian. Angka-angka tersebut mengilustrasikan urutan relatif, bukan data desain.

Pelapisan: empat opsi, empat mode kegagalan berbeda

Tembaga kosong (bare copper) adalah standar, dan merupakan standar yang lebih baik daripada yang sering diasumsikan. Tembaga teroksidasi perlahan, dan film yang terbentuk bersifat semikonduktor bukan insulator, karena ion tembaga menyebar ke dalamnya dan konduksi berlangsung dalam kedua arah. CDA tidak merekomendasikan pelapisan pada sambungan tembaga ke tembaga kecuali lingkungan mengharuskan, dengan alasan yang mungkin mengejutkan: bahan pelapis bersifat lunak, dan lapisan lunak dapat mengalir saat panas dan mengurangi tekanan kontak. Tembaga kosong memerlukan senyawa bantu kontak (contact aid compound) untuk mengisi celah antar titik kontak (a-spots) dan menjaga agar oksigen serta kelembapan tidak masuk. Petroleum jelly berfungsi, dan gemuk vakum silikon berfungsi pada suhu lebih tinggi.

Timah murah dan oksidanya mudah dipecahkan di bawah tekanan, tetapi bersifat lunak sehingga merayap di bawah tekanan berkelanjutan dan mudah rusak akibat fretting. Timah murni menumbuhkan whisker yang dapat menyebabkan hubung singkat sementara, sehingga CDA menyarankan untuk tidak menggunakannya, dan paduan timah-timbal yang secara historis mengatasi masalah ini kini tidak tersedia karena pertimbangan lingkungan. Intermetalik timah-tumbaga tumbuh di antarmuka seiring suhu meningkat dan memiliki resistivitas lebih tinggi daripada kedua logam induk, sehingga timah memiliki batas suhu layanan terendah di antara empat opsi tersebut.

Perak menawarkan kinerja listrik terbaik. Oksidanya bersifat konduktif dan cukup tipis untuk tergeser di bawah tekanan kontak, serta bertahan pada suhu tertinggi. Perak mahal, dan tidak cocok untuk atmosfer yang mengandung belerang di mana sulfida perak terbentuk dengan mudah: pabrik kertas, instalasi pengolahan limbah, atau di dekat kilang minyak.

Nikel adalah pelapis serbaguna pilihan CDA, karena murah, tahan lama, dan cukup keras untuk menahan penanganan saat pemasangan. Komprominya ada pada sisi kelistrikan. Oksida nikel keras dan membutuhkan tekanan kontak tinggi untuk ditembus, sehingga sambungan berlapis nikel yang dirakit pada batas bawah rentang tidak akan berkinerja baik, dan nikel juga berkinerja buruk pada kelembapan tinggi.

Pelapis logam tipis, tipikal 2 hingga 5 µm, dan hanya melindungi jika lapisannya utuh. Lubang kecil di lingkungan korosif lebih buruk daripada tanpa pelapis sama sekali, karena konsentrasi serangan terjadi di titik tersebut.

Pemasangan dengan aluminium

Ketika tembaga dan aluminium berkontak langsung dengan elektrolit yang ada, terbentuk sel galvanik, dan aluminium berperan sebagai anoda korban. Potensi elektrode standar adalah +0,34 V untuk tembaga dan −1,66 V untuk aluminium terhadap elektrode hidrogen standar. Dalam lemari tertutup dalam ruangan kering yang kedap, ini mungkin bertahan bertahun-tahun; namun tidak demikian di lingkungan yang lembab atau pesisir. Solusinya, dengan urutan biaya yang meningkat, adalah compound penyambung yang mengisolasi antarmuka dari kelembapan, pelapisan timah agar permukaan yang berpasangan sesuai, atau pelat transisi bimetalik yang dilas gesek atau dilas peledakan yang memindahkan antarmuka logam campuran ke dalam pabrik. Perbedaan fabrikasi antara kedua logam melampaui sekadar sambungan.

Fretting dan relaksasi: bagaimana sambungan yang baik menjadi buruk

Dua mekanisme lambat menyebabkan sebagian besar sambungan yang lulus komisioning dan gagal bertahun-tahun kemudian.

Fretting adalah kerusakan permukaan akibat pergerakan osilasi yang sangat kecil di antarmuka, dan amplitudonya mengejutkan kecilnya. Perpindahan di bawah 100 nm sudah cukup untuk memicunya, dan karena slip di bawah sekitar 125 µm tidak dapat menyapu puing keluar dari zona kontak, partikel aus yang teroksidasi tetap berada di tempat dan menumpuk menjadi lapisan isolator ketiga yang tebal. Resistansi kontak kemudian meningkat tajam menuju arus terbuka. Osilasi ini berasal dari vibrasi, ekspansi termal diferensial, atau sambungan yang hanya memanas dan mendingin seiring siklus beban.

Kreep dan relaksasi tekanan adalah penyebab lainnya. Kreep adalah perubahan dimensi di bawah beban terus-menerus; relaksasi tekanan 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 jelas: aluminium 1080 yang dianil pada 20 °C menunjukkan laju kreep minimum 0,022% per 1000 jam pada 26 N/mm², sedangkan tembaga konduktivitas tinggi yang dianil hanya mencapai laju tersebut pada tegangan yang sama ketika dipanaskan hingga 150 °C.

Itulah permasalahan sambungan aluminium dalam satu baris. Pada suhu ruangan, aluminium di bawah tekanan kontak busbar normal sudah mengalami kreep pada laju yang tidak dicapai tembaga hingga jauh di atas rentang layanannya. Sambungan aluminium berbaut memerlukan piringan pegas sebagai standar, bukan sebagai opsi upgrade, dan memerlukan pengetoran ulang sesuai jadwal yang tidak diperlukan untuk sambungan tembaga.

Di mana bengkel fabrikasi berperan

Ketatarataan adalah yang pertama. Braunovic mengaitkan kinerja buruk sambungan yang tidak berslot dengan ketidakselarasan di antara batang yang kaku: beberapa daerah menanggung tegangan tinggi dan mengalami kelurusan, sementara yang lain hampir tidak bersentuhan, sehingga luas penyangga beban akhirnya kecil. Batang dengan torsi 1 mm di sepanjang panjangnya tidak akan rata dengan tetangganya berapa pun torsi yang diterapkan.

Selanjutnya adalah gerinda. Gerinda pada tepi lubang pelubang adalah logam timbul yang menonjol dari bidang pemasangan. Benda ini menjaga batang-batang terpisah di sekitar lubang, tepat di area baut memberikan tekanannya, dan mengubah kontak bidang menjadi kontak cincin pada gerinda. Mesin penggerinda BND800-2 menangani batang dengan ketebalan 0,5 hingga 50 mm dan lebar 100 hingga 800 mm dengan kecepatan 5 hingga 30 m/min, cukup cepat sehingga penggerindaan setiap batang merupakan keputusan penjadwalan, bukan hambatan.

Kualitas lubang mengikuti dari operasi yang sama. Mesin pelubang dengan celah yang benar menghasilkan dinding lubang bersih dan gerinda keluar yang kecil dan konsisten; celah yang berlebihan menghasilkan tepi sobek dan gerinda yang besar. Penempatan juga penting secara elektrik: lubang harus sejajar di sepanjang sambungan, karena penyejauhannya mengganggu aliran arus lebih lanjut, dan bagian dominan dalam efisiensi sambungan adalah penampang yang hilang karena lubang. DIN 43673-1 menetapkan lokasi dan ukuran lubang serta merupakan titik awal yang lebih baik daripada standar internal.

Pada bidang pemasangan, yang diinginkan adalah kekasaran yang seragam dan terkontrol, bukan polesan, serta tepi yang terkontrol di batas tumpukan, di mana sudut tajam merupakan perenggang tegangan dalam distribusi tekanan dan titik konsentrasi medan. Konsekuensi kedua tersebut merupakan subjek pembahasan mengenai chamfering dan edge radius busbar.

Geometri tumpukan adalah yang terakhir. Penalti distorsi arus pada sambungan tumpukan, efek streamline, turun dengan cepat saat rasio tumpukan-terhadap-tebangan meningkat hingga sekitar 2 dan kemudian mendatar. Tumpukan yang sangat panjang tidak memberikan manfaat tambahan; panjang yang cukup diperlukan untuk memasang baut yang menghasilkan tekanan kontak. Dua perubahan geometri dapat dilakukan tanpa biaya pada tahap pelubangan. Miringkan ujung batang kurang dari 45° memotong resistansi sambungan awal sekitar 15% dan memperlambat kenaikan resistansi di bawah siklus arus sebesar faktor 1,3 hingga 1,5. Slot longitudinal yang dipotong pada kedua batang mengurangi resistansi kontak sebesar 30 hingga 40%, dengan meratakan tekanan di setiap kaki. Keduanya lebih murah untuk dibuat pada mesin pelubang dan pemotong daripada untuk dijelaskan setelahnya.

Sambungan dengan efisiensi kurang dari 100% akan beroperasi lebih panas dari batang di sekitarnya, dan dalam panel listrik yang penuh dengan sambungan, panas tersebut bersifat kumulatif. Kalkulator ampasitas memberikan dasar termal batang, yang merupakan batasan yang harus dipenuhi oleh sambungan-sambungan tersebut.