Fazowanie i promień krawędzi szyn prądowych

Szyna prądowa prostokątna opuszcza walcownię z krawędziami prostokątnymi, a opuszczając gilotynę lub dziurkarkę, ma na nich naddatek. Większość producentów te krawędzie fazuje. Powody są różne: izolacja tego wymaga, rysunek techniczny specifies R3, lub zapobiega to skaleczeniu operatorów. Wszystkie trzy powody są ważne i wymagają różnych promieni.

Zakres pracy w branży wynosi orientacyjnie od R2 do R10 mm, dobierany na podstawie wymiarów szyny, klasy napięcia i środowiska instalacji. Jest to opis praktyki, a nie wymaganie normatywne, a rozróżnienie to ma większe znaczenie, niż mogłoby się wydawać.

Co tak naprawdę mówią normy

Wiele stron producentów maszyn i szyn prądowych twierdzi, że IEC 61439 "wymaga fazowania miedzianych szyn prądowych", a niektóre idą dalej i przytaczają minimalny promień R3 dla systemów powyżej 800 V, przypisując go wspólnie IEC 61439 i UL 891.

IEC 61439-1 nie wymienia nigdzie promienia krawędzi. Co robi, to ustawia wymagania dotyczące odstępów i ścieżek izolacji, biorąc swoją logikę wymiarowania z koordynacji izolacji IEC 60664-1, a następnie wymaga, aby gotowy zespół przetrwał próbę wytrzymałości dielektrycznej. Promień krawędzi jest jednym ze środków inżynieryjnych spełniających te przepisy. Nie jest to wymaganie nazwane i nie istnieje numer klauzuli, który można by na nie powołać. To samo dotyczy UL 891.

Przekonanie, że promień jest nakazany, prowadzi do stosowania R3 na wszystko bez analizy. Zrozumienie go jako środka prowadzi do zastosowania R2 tam, gdzie R2 wystarcza, R8 tam, gdzie istnieje problem w terenie, i niczego tam, gdzie szyna ma być cynowana i przykręcona na płasko z 25 mm powietrza po obu stronach.

Problem w terenie, własnymi słowami normy

IEC 60664-1 jest nietypowy wśród norm bezpieczeństwa, ponieważ bezpośrednio uwzględnia geometrię elektrod. Klauzula 5.1.3 rozpoczyna się od stwierdzenia, że kształt i układ części przewodzących wpływają na jednorodność pola, a co za tym idzie, na wymagany odstęp, aby wytrzymać dane napięcie.

Następnie dzieli tabele odstępów na dwa przypadki.

Przypadek A to pole niejednorodne. Własny model najgorszego przypadku normy to elektroda punktowa z promieniem końcówki 30 µm skierowana na płaszczyznę 1 m × 1 m. Odstępy przypadku A można stosować niezależnie od kształtu części przewodzących i bez żadnej próby wytrzymałości na napięcie. Dlatego są większe.

Przypadek B to pole jednorodne, zdefiniowane jako pole o zasadniczo stałym梯度ie napięcia, przy czym przykładem ilustracyjnym są dwie kule, z których każda ma promień większy niż odstęp między nimi. Odstępy przypadku B są mniejsze. Są dozwolone tylko tam, gdzie kształt i układ części przewodzących został zaprojektowany w celu osiągnięcia tego stałego梯度u, a każdy odstęp mniejszy niż wartość przypadku A musi być zweryfikowany próbą wytrzymałości na napięcie.

Dla wytrzymałości impulsowej 2,5 kV różnica między dwoma przypadkami to różnica między około 1,5 mm a około 0,6 mm powietrza. W kompaktowym zespole, gdzie separacja faz jest ograniczającym ograniczeniem szerokości szafy, to nie jest błąd zaokrąglenia.

Następnie należy zwrócić uwagę na notatkę dołączoną do tabeli odstępów w stanie ustalonym: wymiarowanie bez wyładowań częściowych nie jest możliwe w warunkach pola niejednorodnego. Jak stwierdza norma, powyżej ok. 2,5 kV szczytowego wymiarowanie do wartości przebicia może nie zapewniać pracy bez korony, zwłaszcza w polach niejednorodnych, i należy zastosować większe odstępy lub poprawić rozkład pola.

Poprawę rozkładu pola zapewnia promień krawędzi. Nie jako zamiennik odstępu, ale jako mechanizm umożliwiający zastosowanie mniejszej wartości oraz mechanizm zapewniający ciągłą odporność na wyładowania częściowe przy tym samym odstępie geometrycznym.

Ścieżka upływu nie działa w ten sposób. Ścieżka upływu jest określana przez napięcie robocze, stopień zanieczyszczenia i grupę materiału, a zaokrąglenie miedzi nie skraca wymaganej ścieżki upływu. Przy równej ścieżce upływu promień zapewnia bardziej jednorodne pole i możliwość zastosowania odstępu typu B. Nie wpływa na ścieżkę powierzchniową.

Korona i przyczyna powolnej awarii

Powietrze jonizuje się przy ok. 3 kV/mm na poziomie morza w polu jednorodnym. Kąt 90° miedzianej krawędzi o nominalnym załamaniu 0,1 mm koncentruje pole w stopniu zależnym od geometrii szczeliny, jednak ogólna odpowiedź jest taka, że lokalne pole w narożniku osiąga jonizację znacznie wcześniej niż średnie pole w szczelinie.

Rezultatem jest wyładowanie częściowe: niewielkie, zlokalizowane, samoistnie_gasnące przebicie, które nie przerywa szczeliny. Żadne zabezpieczenie nie zadziała. Zestaw przechodzi próbę wytrzymałości w dniu pierwszym. Wyładowanie wytwarza ozon i tlenki azotu, które w obecności wilgoci atakują izolację organiczną, a samo wyładowanie bezpośrednio eroduje powierzchnie polimerowe. Awaria pojawia się po kilku latach jako ślad upływu, którego nie można wyjaśnić na podstawie dokumentacji rozruchowej.

Argument ten dotyczy promienia na średnim napięciu oraz na nowszych systemach DC 800 V do 1500 V. Nie dotyczy próby typowej, lecz tego, co zestaw robi między próbami typowymi.

Izolacja nie może pokonać ostrego kąta

Argument mechaniczny jest bardziej konkretny niż elektryczny i dla większości producentów rozdzielnic niskonapięciowych bardziej bezpośrednio istotny.

Każda powszechna metoda izolacji szyn miedzianych zawodzi w narożniku prostym na swój szczególny sposób.

Rurka termokurczliwa kurczy się promieniowo i nie dopasowuje do wewnętrzngo przejścia kąta 90°. Przegina się nad kątem. Pod przegięciem znajduje się pustka powietrzna ciągnąca się wzdłuż całej długości szyny, w miejscu o największym natężeniu pola. Ciężkościenna rurka na szyny prądowe jest również wystarczająco gruba, że ostra krawędź może ją przeciąć lub przerzedzić podczas kurczenia.

Enkapsulacja proszkiem epoksydowym, nakłada elektrostatycznie lub w łożu fluidalnym, podlega temu samemu cofnięciu napięcia powierzchniowego, które dotyka każdą powłokę organiczną na krawędzi. Warstwa przerzedza się tam, gdzie grubość jest najbardziej potrzebna.

Folia poliamidowa owinięta lub laminowana na pręcie rozpięta jest na narożniku zamiast ściśle przylegać, a napięcie w folii koncentruje się na narożniku podczas eksploatacji.

Odcisk formowy wtryskowej留下 cień przepływu na narożniku, a przy stygnięciu kurczenie się polimeru oddala go od najbardziej ostrej krawędzi jako pierwszego.

We wszystkich czterech przypadkach defekt jest taki sam: wypełniona gazem pustka w punkcie o największym natężeniu pola w geometrii. Jest to najgorsze możliwe miejsce dla takiej pustki. W pustce o względnej przenikalności 1 osadzonej w ciele o względnej przenikalności około 4, pole w pustce jest kilkukrotnie większe niż w otaczającym ciele, podczas gdy wytrzymałość na przebicie gazu jest znacznie niższa niż ciała stałego. Pustka rozładowuje się jako pierwsza w każdym cyklu, a rozładowanie eroduje ścianę pustki, aż ta zniknie.

Badania nad izolacją szyn prądowych impregnowanych epoksydowym śladem prześledziły dokładnie tę sekwencję: wyładowanie częściowe wewnątrz pęcherza defektu rozkłada żywicę epoksydową, ciśnienie gazu wzrasta, a ściana pustki pęka, gdy ciśnienie przekracza jej wytrzymałość. Miejscem inicjacji jest defekt, a defekt znajduje się tam, gdzie geometria uniemożliwiła izolacji równomierne ułożenie.

Zaokrąglony narożnik nie czyni izolacji lepszą. Umożliwia jej osiągnięcie takiej samej jakości, jaką ma na płaskim odcinku.

Wycofywanie się powłoki proszkowej i malarskiej z krawędzi

Przemysł powłok rozstrzygnął tę dyskusję dziesiątki lat temu i ustanowił wartość liczbową.

Gdy polimerowa powłoka jest nakładana na ostrą krawędź, czy to proszkowa, czy ciekła, napięcie powierzchniowe podczas wypływu i utwardzania ciągnie materiał z dala od krawędzi. Grubość suchej powłoki na krawędzi może spaść do ułamka grubości na przyległej płaskiej powierzchni, dlatego korozja na malowanej stali zaczyna się od krawędzi i rozprzestrzenia się do wewnątrz, a nie odwrotnie.

Norma ISO 8501-3 definiuje trzy stopnie przygotowania krawędzi, spawów i nierówności powierzchni. Stopień P3, najbardziej wymagający, wymaga zaokrąglenia wszystkich krawędzi promieniem nie mniejszym niż 2 mm. Norma ISO 12944-3

następnie nakazuje stopień P3 dla wysokiej i bardzo wysokiej trwałości w kategorii agresywności korozyjnej C4 i wyższych oraz w kategoriach zanurzenia Im1 do Im4.

Ta wartość 2 mm jest źródłemminimalnego promienia obrony i pochodzi z normy dotyczącej powłok, a nie normy elektrycznej. Jeśli klient prosi o uzasadnienie promienia R2, powołaniem jest ISO 8501-3, a nie IEC 61439.

Systematyczne badanie opublikowane w Progress in Organic Coatings mierzyło grubość suchej powłoki na zaokrąglonych krawędziach stali na polerowanych przekrojach metalograficznych i nie stwierdzało statystycznie istotnego wpływu promienia krawędzi na pokrycie powłoką w badanych układach. Prace te dotyczyły stali konstrukcyjnej, a nie miedzianych szyn prądowych i nie podważają mechanizmu, ale przypominają, że proces zaokrąglania i układ powłokowy mogą mieć takie samo znaczenie jak sama wartość promienia. Zaokrąglenie krawędzi jest konieczne. Nie jest wystarczające samo w sobie.

Faza czy zaokrąglenie

Rzeczy te nie są identyczne, a różnica jest warta dwóch minut przemyślenia na etapie projektowania.

Faza to płaskie ścięcie. Faza 1 mm × 45° zastępuje jeden narożnik 90° dwoma narożnikami 135°. Usuwa ona zadzior, zmniejsza ostrość zagrożenia przy obsłudze i nieznacznie pomaga powłoce. Pod względem elektrycznym pomaga znacznie mniej niż powszechnie się zakłada, ponieważ w powierzchni pozostają dwa nieciągłości, pole wciąż się w nich koncentruje, choć mniej intensywnie.

Promień to prawdziwy łuk, styczny do obu ścian, bez żadnych nieciągłości. Tego chce pole elektryczne i tego chcą kurczenie termiczne oraz wtrysk.

Dla bezpieczeństwa obsługi i dla szyny, która będzie przykręcona i pozostawiona bez izolacji, faza jest wystarczająca i łatwiejsza w produkcji. W przypadku czegokolwiek, co będzie izolowane, otulane lub pracować powyżej kilkuset woltów z małymi odstępami międzyfazowymi, należy wymagać promienia i zaznaczyć go na rysunku, ponieważ "faza 1 mm" i "R1" będą wykonane przy użyciu innego narzędzia i nie będą miały tych samych właściwości.

Koszt w miedzi

Zaokrąglenie usuwa przekrój, a przekrój to nośność prądowa.

Usunięty obszar w każdym narożniku wynosi R²(1 − π/4), czyli około 0,215 R². Na szynie 100 × 10 mm o przekroju 1000 mm², cztery narożniki o promieniu R5 usuwają około 21,5 mm², trochę ponad 2%. Przy R3 na szynie 60 × 10 mm wynosi to około 1,3%. Faza 1 mm × 45° na tej samej szynie 100 × 10 usuwa 2 mm², czyli 0,2%.

Dwa procent przewodnika to nie katastrofa, ale też nie jest to nic, szczególnie na szynie, której dobór nastawiono bez zapasu, i sumuje się z obniżeniem już uwzględnionym dla obudowy i grupowania. Jeśli projekt jest blisko limitu, warto przed podjęciem decyzji o zastosowaniu dużego promienia na obciążonej szynie sprawdzić geometrię w kalkulatorze nośności prądowej szyn z uwzględnieniem i bez uwzględnienia strat w narożnikach.

Dłonie, rękawice i powód, dla którego większość warsztatów tak robi

Ostrość cięcia na miedzi z zadziorem 0,2 mm rozetnie rękawicę przeciwłukową. Rozetnie też dłoń. Szyny prądowe są ciężkie, wielokrotnie obsługiwane podczas montażu i często pozycjonowane siłą całego ciała instalatora.

To jest powód, dla którego obróbka krawędzi jest specyfikowana na zestawach, gdzie nie ma argumentu o koncentracji pola, i jest to całkowicie uzasadniony powód. Zdarza się też, że jest to ten, który jest mierzony, ponieważ zużycie rękawic i zapisy pomocy pierwszej pomocy to rzeczy, które kierownik zakładu już śledzi.

Powtarzalna produkcja

Powodem, dla którego fazowanie krawędzi szyn prądowych jest traktowane jako opcjonalne w wielu warsztatach, jest fakt, że dawniej była to czynność wykonywana ręcznie za pomocą pilnika lub szlifierki kątowej, co oznaczało niekonsekwentność, powolność i mało przyjemną pracę.

Dwie kategorie maszyn solves to zagadnienie. Fazowanie wykorzystuje wrzeciono frezujące z narzędziem kształtowym do cięcia zdefiniowanego fazowania lub promienia wzdłuż krawędzi szyny, w tym wokół krawędzi otworów wykrawanych oraz wzdłuż końców. Fazarka EMAC-XT posiada wrzeciono BT40 o prędkości do 6000 rpm z automatyczną wymienarką narzędzi o sześciu pozycjach, obrabia szyny o grubości 3 do 15 mm i szerokości 30 do 230 mm, zapewniając powtarzalność i pozycjonowanie na poziomie ±0,05 mm. Wymienarka narzędzi jest tu istotna: narzędzie do fazowania, narzędzie kształtowe do promienia i narzędzie do obróbki krawędzi otworów w jednym programie oznacza, że operator nie musi stać przy maszynie i wymieniać elbow między poszczególnymi operacjami.

Odwiercanie to inna operacja o innym celu. Usuwa naddatek i tworzy niewielki, niekontrolowany przełamanie krawędzi na wszystkich elementach, w tym krawędziach otworów, w jednym przejściu. Odwiercarka BND800-2 przyjmuje szyny o grubości 0,5 do 50 mm i szerokości 100 do 800 mm z prędkością 5 do 30 m/min. Taka wydajność sprawia, że opłacalne jest odwiercanie każdej szyny, a nie tylko tych, które zostały wcześniej wskazane.

Ważne rozróżnienie: odwiercanie sprawia, że szyna jest bezpieczna w obsłudze i usuwa wypukły metal, który w przeciwnym razie znalazłby się między dwoma przylegającymi powierzchniami w złączu śrubowym. Nie wytwarza ono kontrolowanego promienia. Jeśli rysunek wymaga promienia R3, a szyna zostanie przepuszczona przez linię odwiercania, problem z izolacją, który miał być rozwiązany, nadal pozostaje.