ブスバーの面取りとエッジ R

長方形断面のブスバーは角が直角のままミルを出て、その角の上にバリを付けたまま切断機や打抜き機を離れます。 加工業者の大半はそのエッジを落とします。理由を尋ねると、いくつもの答えが返ってきます。絶縁の担当が求めた、 図面に R3 と書いてある、作業者が手を切らないようにするため。3 つとも妥当であり、そして求める半径は違います。

業界全体の実用範囲はおおよそ R2 から R10 mm で、バーの寸法、電圧階級、設置環境から選ばれます。これは慣行の 記述であって規定の要求ではなく、この区別は聞こえる以上に重要です。

規格が実際に述べていること

機械やブスバーのベンダーのページには、IEC 61439 が「銅ブスバーの面取りを要求している」と主張するものがいくつも あり、さらに踏み込んで 800 V を超える系統には R3 以上と述べ、それを IEC 61439 と UL 891 の両方に帰している ものもあります。

これは誤りです。そしてはっきり述べておくことに意味があります。供給業者のブログ記事を根拠に、技術者がそれを 自社の社内仕様に書き込んでしまっているからです。

IEC 61439-1 は、どこにもエッジ R を挙げていません。同規格が行っているのは、 IEC 60664-1 の絶縁協調 から寸法決定の論理を取って空間距離と沿面距離の要求を 定め、そのうえで完成したアセンブリが絶縁耐力試験に耐えることを求めることです。エッジ R は、それらの規定を 満たすための工学的手段のひとつです。名指しの要求事項ではなく、引用できる箇条番号も存在しません。UL 891 に ついても同じです。

これは細かい言葉尻の話ではありません。半径が義務だと思っていれば、すべてに一律 R3 を当てて考えるのをやめる ことになります。手段として理解していれば、R2 で足りるところには R2 を、電界の問題があるところには R8 を、 そしてすずめっきされて平らにボルト締めされ両側に 25 mm の空気があるバーには、何も当てないという判断が できます。

電界の問題を、規格自身の用語で

IEC 60664-1 は、電極形状を直接に認めている点で安全規格としては珍しいもの です。箇条 5.1.3 は、導電部の形状と配置が電界の均一性に影響し、その結果としてある電圧に耐えるのに必要な空間 距離に影響する、と述べるところから始まります。

そのうえで、空間距離の表を 2 つの場合に分けています。

ケース A は不均一電界です。規格自身の最悪条件のモデルは、先端半径 30 µm の点電極が 1 m × 1 m の平面に 向かい合うものです。ケース A の空間距離は、導電部の形状にかかわらず、また耐電圧試験なしに使えます。値が 大きいのはそのためです。

ケース B は均一電界で、実質的に一定の電圧勾配を持つ電界と定義され、例示されるのは、それぞれの半径が両者の すきまより大きい 2 つの球です。ケース B の空間距離はより小さくなります。これが認められるのは、導電部の形状と 配置がその一定の勾配を実現するように設計されている場合に限られ、ケース A の値より小さい空間距離はすべて 耐電圧試験で検証しなければなりません。

定格インパルス耐電圧 2.5 kV では、2 つの場合の差はおよそ 1.5 mm の空気とおよそ 0.6 mm の空気の差です。 キャビネットの幅を相間距離が拘束している小型のアセンブリでは、これは丸め誤差ではありません。

さらに、定常状態の空間距離の表には注記が付いています。不均一電界の条件下では、部分放電を伴わない寸法決定は できません。規格は、およそ 2.5 kV ピークを超えると、破壊値に基づく寸法決定ではコロナのない運転が得られない ことがあり、とりわけ不均一電界ではそうであるとして、より大きな空間距離を用いるか電界分布を改善しなければ ならないと述べています。

電界分布を改善するのがエッジ R の役割です。空間距離の代わりではなく、より小さい値を使えるようにするもの、 そして同じ幾何学的な間隔で連続的な部分放電の外に留まらせるものとしてです。

沿面距離はこのようには働かないことにも注意してください。沿面距離は使用電圧、汚損度、材料グループで決まり、 銅に R を付けても必要な沿面経路は短くなりません。したがって沿面距離が同じであれば、半径が買うのはより均一な 電界と、ケース B の空間距離を狙える可能性です。表面の経路については何も買いません。

コロナと、それが遅い不具合である理由

海面レベルの均一電界では、空気はおよそ 3 kV/mm で電離します。公称 0.1 mm のエッジ落としを施した銅の 90° の 角は、すきまの形状に依存する係数で電界を集中させますが、定性的な答えは、すきま全体の平均電界がそこに達する はるか前に、角の局所電界が電離に達するということです。

その結果が部分放電です。小さく、局所的で、自己消滅する、すきまを橋渡ししない破壊です。何も動作しません。 アセンブリは初日の耐電圧試験に合格します。代わりに起こるのは、放電がオゾンと窒素酸化物を生じ、それが水分の 存在下で有機絶縁物を侵し、放電そのものも高分子の表面を直接侵食することです。不具合は数年後、試運転の記録 からは誰にも説明できないトラッキング故障として現れます。

中圧、そしてより新しい直流 800–1500 V の系統で半径が必要になる根拠がこれです。形式試験の話ではありません。 形式試験と形式試験の間に、そのアセンブリが何をしているかという話です。

絶縁物は鋭い角を回れない

機械的な議論のほうが電気的な議論より具体的であり、低圧の盤メーカーの大半にとってはより直接に関係します。

ブスバーの一般的な絶縁方式はいずれも、直角の角でそれぞれ固有の形で破綻します。

熱収縮チューブは半径方向に収縮し、90° の内側の遷移になじみません。角に橋を架けます。その橋の下には、バーの 全長にわたって空隙が走り、しかも電界が最も高い位置にあります。肉厚のブスバー用チューブは、収縮の際に鋭い エッジが切り込んだり局所的に薄くしたりする程度に厚くもあります。

エポキシ粉体による封止は、静電塗装であれ流動浸漬であれ、エッジ上の有機被膜すべてを悩ませるのと同じ表面張力 による引き下がりに見舞われます。厚さが最も必要な場所で膜が薄くなります。

バーに巻くか積層するポリイミドフィルムは、角に追随せずテントを張るように渡り、使用中はフィルムの張力が角に 集中します。

オーバーモールドは角に流動の影を残し、冷却の際には高分子の収縮が、最も鋭い形状からまず引き離します。

4 つのいずれの場合も欠陥は同じです。形状の中で電界が最も高い点にある、気体で満たされた空隙です。それが 起こりうる最悪の場所です。比誘電率がおよそ 4 の固体に埋め込まれた比誘電率 1 の空隙では、空隙内の電界は周囲の 固体内の電界の数倍になる一方、気体の絶縁破壊強度は固体よりはるかに低いものです。空隙は毎サイクル最初に放電し、 その放電が空隙の壁を、壁がなくなるまで侵食します。

エポキシ含浸のブスバー絶縁に関する研究は、まさにこの順序を辿っています。気泡欠陥の内部での部分放電がエポキシを 分解し、ガス圧が上がり、圧力がその靭性を超えたところで空隙の壁が破断します。起点は欠陥であり、その欠陥は、 形状のせいで絶縁物がなじむことのできなかった場所です。

R を付けた角は、絶縁物を良くするわけではありません。絶縁物が平面上と同じ品質でいられるようにするだけです。

粉体塗装と塗料のエッジからの引き下がり

塗装の業界は何十年も前にこの議論に決着を付け、数値を書き残しています。

高分子の塗膜を鋭いエッジに施すと、粉体であれ液体であれ、レベリングと硬化の間の表面張力が材料をエッジから 引き離します。エッジでの乾燥膜厚は、隣接する平面部の厚さの数分の 1 まで落ちることがあります。塗装した鋼の 腐食が、内側からではなくエッジから始まって内側へ広がるのはそのためです。

ISO 8501-3 は、エッジ、溶接部、表面の欠陥について 3 段階の処理等級を定めています。最も入念な等級 P3 は、 すべてのエッジを 2 mm 以上の半径で丸めることを求めています。そのうえで ISO 12944-3

が、腐食性区分 C4 以上の高耐久性および超高耐久性、ならびに浸漬区分 Im1 から Im4 について P3 を必須としています。

擁護できる最小半径が実際に出てくるのはこの 2 mm であり、それは電気の規格ではなく塗装の規格から来ています。 客先に R2 の根拠を問われたら、IEC 61439 ではなく ISO 8501-3 を引用してください。

売り込みすぎないために、ひとつ条件を付けます。Progress in Organic Coatings に発表された系統的な研究は、 研磨した金属組織断面上で丸めた鋼のエッジ上の乾燥膜厚を測定し、試験した各塗装系にわたって、エッジ半径が塗膜の 被覆に統計的に有意な影響を与えないことを見出しています。この研究は銅ブスバーではなく構造用鋼を対象としたもの であり、機構を覆すものではありませんが、丸める工程と塗装系が半径の数値と同じだけ効いてくるかもしれないという 注意喚起にはなります。エッジに R を付けることは必要です。それだけで十分ではありません。

面取りか R か

この 2 つは同じものではなく、その違いは図面の段階で 2 分考える価値があります。

面取りは平らな斜面です。1 mm × 45° の面取りは、1 つの 90° の角を 2 つの 135° の角に置き換えます。バリを 除去し、取り扱い上の危険からするどさを取り、塗膜にもわずかに寄与します。電気的には思われているよりずっと 寄与が小さくなります。表面には依然として 2 つの不連続があり、電界はそこに、程度は弱まるものの、やはり集中する からです。

R は真の円弧で、両方の面に接し、不連続はいっさいありません。電界が求めるのはそれであり、熱収縮とオーバー モールドが求めるのもそれです。

取り扱いの安全のためであり、ボルト締めして素地のまま置かれるバーであれば、面取りで十分であり、製作も速く なります。絶縁、封止されるもの、あるいは相間距離の詰まった数百ボルト超で運転されるものであれば、R を指定し、 図面にそう書いてください。「面取り 1 mm」と「R1」は別の工具で作られ、同じ性能にはならないからです。

銅で払う代償

R を付けることは断面を取り除くことであり、断面は許容電流です。

各角で取り除かれる面積は R²(1 − π/4)、およそ 0.215 R² です。断面 1000 mm² の 100 × 10 mm のバーでは、 R5 の角 4 か所でおよそ 21.5 mm²、2 パーセント強が取り除かれます。60 × 10 mm のバーに R3 なら約 1.3 パー セント。同じ 100 × 10 のバーに 1 mm × 45° の面取りなら 2 mm²、0.2 パーセントです。

導体の 2 パーセントは致命的ではありませんが、余裕なしに寸法を決めたバーでは無視できるものでもなく、外被と 群化についてすでに取ったディレーティングの上に積み上がります。限界に近いのであれば、負荷の大きいバーに大きな 半径を確定する前に、角の損失を入れた場合と入れない場合の形状を ブスバー許容電流計算ツール に通してください。

手、手袋、そして大半の工場が実際にこれを行う理由

0.2 mm のバリが付いたせん断された銅のエッジは、アークフラッシュ用の手袋を裂きます。手も裂きます。ブスバーは 重く、組立中に何度も扱われ、しばしば作業者が体重をかけて位置に押し込みます。

電界集中の議論がまったく成り立たないアセンブリでもエッジ処理が指定される理由がこれであり、これは十分に良い 理由です。しかもこれは、たまたま測定されている理由でもあります。手袋の消費量と応急処置の記録は、工場長が すでに把握しているものだからです。

再現性をもって作る

多くの工場でブスバーのエッジ R が任意扱いになっているのは、かつてこれがやすりやダイグラインダによる手作業 だったからです。つまり、ばらつきがあり、遅く、不快な作業でした。

これに対応する機械の分類は 2 つあります。面取り は、成形工具を付けたフライス 主軸で、バーのエッジに沿って定められた面取りまたは R を削り出します。打抜き穴の縁のまわりや端部も含みます。 EMAC-XT 面取り機 は BT40 主軸を 6000 rpm まで回し、 6 ポジションの自動工具交換装置を備え、板厚 3–15 mm、幅 30–230 mm のバーに対応し、位置決め精度と繰返し精度 ±0.05 mm を保持します。ここでは工具交換装置が効いてきます。面取り工具、R 成形工具、穴縁用工具を同じ プログラムに載せられるということは、作業者が形状ごとにコレットを交換するために機械の前に立たなくてよいという ことです。

バリ取り は目的の異なる別の工程です。バリを除去し、穴の縁も含めてすべてに、 小さく管理されていないエッジ落としを 1 パスで付けます。BND800-2 バリ取り機 は板厚 0.5–50 mm、幅 100–800 mm のバーを 5–30 m/min で処理します。その処理量が、誰かが指摘したバーだけ でなくすべてのバーにバリ取りを行うことを成立させます。

押さえておくべき区別はこうです。バリ取りはバーを安全に扱えるようにし、 ボルト接続部 で 2 つの合わせ面の間に挟まることになる突出した金属を 取り除きます。管理された R を作るものではありません。図面が R3 を指示しているのに、誰かがバーをバリ取り ラインに通して確認欄に印を付けたなら、解決しようとしていた絶縁の問題はそのまま残っています。