Fazowanie i promień krawędzi szyn prądowych

Szyna prądowa o przekroju prostokątnym opuszcza hutę z ostrymi narożnikami, a nożyce albo stempel zostawiają na nich jeszcze zadzior. Większość zakładów te krawędzie stępia. Zapytaj dlaczego, a usłyszysz różne odpowiedzi: bo poprosili o to ludzie od izolacji, bo rysunek podaje R3, bo operatorzy przestają się kaleczyć. Wszystkie trzy są prawdziwe i każda prowadzi do innego promienia.

Zakres roboczy stosowany w branży to mniej więcej R2 do R10 mm, dobierany z wymiarów szyny, klasy napięciowej i środowiska instalacji. To opis praktyki, a nie wymaganie normatywne, i różnica ta znaczy więcej, niż brzmi.

Co normy naprawdę mówią

Sporo stron producentów maszyn i szyn twierdzi, że IEC 61439 „wymaga fazowania szyn miedzianych", a niektóre idą dalej i podają minimum R3 dla układów powyżej 800 V, przypisując je łącznie IEC 61439 i UL 891.

To nieprawda i warto powiedzieć to wprost, bo inżynierowie wpisali to do własnych specyfikacji zakładowych na podstawie wpisu na blogu dostawcy.

IEC 61439-1 nigdzie nie wymienia promienia krawędzi. Ustala natomiast wymagania dotyczące przerw powietrznych i dróg upływu, biorąc logikę ich wymiarowania z koordynacji izolacji według IEC 60664-1, a następnie wymaga, żeby gotowy zestaw przeszedł próbę wytrzymałości elektrycznej. Promień krawędzi jest jednym z inżynierskich sposobów spełnienia tych postanowień. Nie jest wymaganiem wymienionym z nazwy i nie istnieje numer punktu, który można by na nie powołać. To samo dotyczy UL 891.

To nie jest uwaga pedantyczna. Jeśli wierzysz, że promień jest nakazany, nałożysz na wszystko jednolite R3 i przestaniesz myśleć. Jeśli rozumiesz go jako środek, zastosujesz R2 tam, gdzie R2 wystarczy, R8 tam, gdzie masz problem z polem, i nic tam, gdzie szyna i tak zostanie ocynowana i przykręcona płasko, z 25 mm powietrza po obu stronach.

Problem pola, ujęty językiem samej normy

IEC 60664-1 jest wśród norm bezpieczeństwa nietypowa, bo mówi wprost o geometrii elektrod. Punkt 5.1.3 zaczyna się od stwierdzenia, że kształt i rozmieszczenie części przewodzących wpływają na jednorodność pola, a w konsekwencji na przerwę powietrzną potrzebną do wytrzymania danego napięcia.

Następnie dzieli tablice przerw powietrznych na dwa przypadki.

Przypadek A to pole niejednorodne. Modelem najgorszego przypadku jest w samej normie elektroda ostrzowa o promieniu wierzchołka 30 µm naprzeciw płaszczyzny 1 m × 1 m. Przerw powietrznych z przypadku A można używać niezależnie od kształtu części przewodzących i bez żadnej próby wytrzymałości napięciowej. Dlatego są większe.

Przypadek B to pole jednorodne, zdefiniowane jako pole o zasadniczo stałym gradiencie napięcia, a przykładem poglądowym są dwie kule o promieniu większym niż odstęp między nimi. Przerwy powietrzne z przypadku B są mniejsze. Wolno ich użyć tylko tam, gdzie kształt i rozmieszczenie części przewodzących zaprojektowano tak, aby ten stały gradient uzyskać, a każda przerwa mniejsza niż wartość z przypadku A musi zostać zweryfikowana próbą wytrzymałości napięciowej.

Dla znamionowego napięcia udarowego wytrzymywanego 2,5 kV różnica między oboma przypadkami to różnica między mniej więcej 1,5 mm a mniej więcej 0,6 mm powietrza. W zwartym zestawie, gdzie o szerokości szafy decyduje odstęp międzyfazowy, nie jest to błąd zaokrąglenia.

Jest jeszcze uwaga dołączona do tablicy przerw powietrznych dla stanu ustalonego: w warunkach pola niejednorodnego wymiarowanie bez uwzględnienia wyładowań niezupełnych nie jest możliwe. Powyżej mniej więcej 2,5 kV wartości szczytowej — mówi norma — wymiarowanie według wartości przebicia może nie dać pracy wolnej od ulotu, zwłaszcza dla pól niejednorodnych, i trzeba wtedy albo zastosować większe przerwy, albo poprawić rozkład pola.

Poprawa rozkładu pola to właśnie to, co robi promień krawędzi. Nie zamiast przerwy powietrznej, lecz jako to, co pozwala użyć mniejszej wartości, i jako to, co przy tym samym odstępie geometrycznym trzyma Cię z dala od ciągłych wyładowań niezupełnych.

Zwróć też uwagę, że z drogą upływu tak to nie działa. Drogę upływu wyznacza napięcie robocze, stopień zanieczyszczenia i grupa materiałowa, a zaokrąglenie miedzi nie skraca wymaganej drogi po powierzchni. Przy tej samej drodze upływu promień kupuje więc bardziej równomierne pole i szansę na przerwę powietrzną z przypadku B. Na drodze po powierzchni nie kupuje nic.

Ulot i dlaczego jest awarią powolną

Powietrze jonizuje się przy mniej więcej 3 kV/mm na poziomie morza w polu równomiernym. Miedziany narożnik 90° ze stępieniem nominalnie 0,1 mm koncentruje pole ze współczynnikiem zależnym od geometrii szczeliny, ale odpowiedź jakościowa jest taka, że pole miejscowe w narożniku sięga jonizacji na długo przed polem średnim w szczelinie.

Skutkiem jest wyładowanie niezupełne: małe, miejscowe, samogasnące przebicie, które nie mostkuje szczeliny. Nic nie wyłącza. Zestaw pierwszego dnia zdaje próbę wytrzymałości. Zamiast tego dzieje się co innego: wyładowanie wytwarza ozon i tlenki azotu, które w obecności wilgoci atakują izolację organiczną, a samo wyładowanie eroduje powierzchnie polimeru bezpośrednio. Awaria przychodzi kilka lat później jako uszkodzenie od prądów pełzających, którego nikt nie potrafi wyjaśnić z zapisów odbiorowych.

To jest argument za promieniem przy średnim napięciu i w nowszych układach 800 V do 1500 V DC. Rzecz nie w badaniu typu. Rzecz w tym, co zestaw robi między badaniami typu.

Izolacja nie potrafi obejść ostrego narożnika

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

Każda popularna metoda izolowania szyn prądowych zawodzi na ostrym narożniku na swój własny sposób.

Rura termokurczliwa kurczy się promieniowo i nie układa się w wewnętrznym przejściu 90°. Mostkuje narożnik. Pod mostkiem biegnie przez całą długość szyny pustka powietrzna, dokładnie w miejscu największego natężenia pola. Grubościenna rura do szyn prądowych jest przy tym na tyle gruba, że ostra krawędź podczas obkurczania ją przetnie albo pocieni.

Otulanie proszkiem epoksydowym, nakładanym elektrostatycznie albo w złożu fluidalnym, cierpi na to samo ściąganie od napięcia powierzchniowego, które dotyka każdą powłokę organiczną na krawędzi. Powłoka cienieje tam, gdzie najbardziej potrzebujesz grubości.

Folia poliimidowa owijana albo laminowana na szynie napina się nad narożnikiem, zamiast go obejść, a naprężenie w folii koncentruje się w eksploatacji właśnie w narożniku.

Nakładanie w formie zostawia w narożniku cień przepływu, a przy stygnięciu skurcz polimeru odciąga go najpierw od najostrzejszego elementu geometrii.

We wszystkich czterech przypadkach wada jest ta sama: wypełniona gazem pustka w miejscu największego natężenia pola. To najgorsze możliwe dla niej miejsce. W pustce o przenikalności względnej 1 zatopionej w ciele stałym o przenikalności względnej około 4 pole w pustce jest kilkukrotnie większe niż w otaczającym ciele stałym, podczas gdy wytrzymałość elektryczna gazu jest znacznie niższa niż ciała stałego. Pustka wyładowuje się pierwsza, w każdym okresie, a wyładowanie eroduje jej ściankę, aż ścianki zabraknie.

Prace nad izolacją szyn prądowych nasycaną żywicą epoksydową prześledziły dokładnie tę sekwencję: wyładowania niezupełne wewnątrz pęcherzyka rozkładają żywicę, rośnie ciśnienie gazu, a ścianka pustki pęka, gdy ciśnienie przekroczy jej odporność. Miejscem zapoczątkowania jest wada, a wada powstaje tam, gdzie geometria uniemożliwiła izolacji przylgnięcie.

Zaokrąglony narożnik nie czyni izolacji lepszą. Umożliwia jej bycie tak dobrą, jaka jest na płaskim.

Ściąganie powłoki i farby z krawędzi

Branża powłokowa rozstrzygnęła ten spór dekady temu i zapisała liczbę.

Gdy powłoka polimerowa — proszkowa czy ciekła — trafia na ostrą krawędź, napięcie powierzchniowe podczas rozpływu i utwardzania odciąga materiał od krawędzi. Grubość powłoki suchej na krawędzi może spaść do ułamka grubości na sąsiednim płaskim obszarze i dlatego korozja na malowanej stali zaczyna się na krawędziach i idzie do wewnątrz, a nie odwrotnie.

ISO 8501-3 definiuje trzy stopnie przygotowania krawędzi, spoin i wad powierzchni. Stopień P3, najbardziej staranny, wymaga zaokrąglenia wszystkich krawędzi promieniem nie mniejszym niż 2 mm. ISO 12944-3

czyni następnie P3 obowiązkowym dla wysokiej i bardzo wysokiej trwałości w kategorii korozyjności C4 i wyższej oraz dla kategorii zanurzeniowych Im1 do Im4.

To właśnie stąd bierze się dające się obronić minimum 2 mm — i pochodzi z normy powłokowej, a nie elektrycznej. Jeśli klient prosi o uzasadnienie R2, powołaj się na ISO 8501-3, a nie na IEC 61439.

Jedno zastrzeżenie, żeby tego nie przesadzić. Systematyczne badanie opublikowane w Progress in Organic Coatings mierzyło grubość powłoki suchej na zaokrąglonych krawędziach stalowych na polerowanych zgładach metalograficznych i nie wykazało statystycznie istotnego wpływu promienia krawędzi na pokrycie powłoką w badanych układach. Praca ta dotyczyła stali konstrukcyjnej, a nie szyn miedzianych, i nie obala mechanizmu, ale przypomina, że sposób zaokrąglania i sam układ powłokowy mogą znaczyć tyle samo co liczba przy promieniu. Zaokrąglenie krawędzi jest konieczne. Samo w sobie nie jest wystarczające.

Faza czy promień

To nie to samo i różnica warta jest dwóch minut namysłu na etapie rysunku.

Faza to płaskie ścięcie. Faza 1 mm × 45° zastępuje jeden narożnik 90° dwoma narożnikami 135°. Usuwa zadzior, zdejmuje ostrość z zagrożenia przy obchodzeniu się z materiałem i nieco pomaga powłoce. Elektrycznie pomaga znacznie mniej, niż się przyjmuje, bo w powierzchni nadal masz dwie nieciągłości i pole nadal się na nich koncentruje, tylko mniej gwałtownie.

Promień to prawdziwy łuk, styczny do obu powierzchni, bez żadnej nieciągłości. Tego chce pole i tego chcą rura termokurczliwa oraz nakładanie w formie.

Dla bezpieczeństwa przy obchodzeniu się z materiałem i dla szyny, która zostanie przykręcona i zostawiona goła, faza jest w porządku i szybciej się ją wykonuje. Dla wszystkiego, co będzie izolowane, otulane albo pracuje powyżej kilkuset woltów przy ciasnym odstępie międzyfazowym, zapisz promień i powiedz to na rysunku, bo „faza 1 mm" i „R1" powstaną na innym oprzyrządowaniu i nie zadziałają tak samo.

Koszt w miedzi

Zaokrąglanie usuwa przekrój, a przekrój to obciążalność prądowa.

Powierzchnia usuwana w każdym narożniku wynosi R²(1 − π/4), czyli około 0,215 R². Na szynie 100 × 10 mm o przekroju 1000 mm² cztery narożniki po R5 usuwają mniej więcej 21,5 mm², czyli nieco ponad 2%. Przy R3 na szynie 60 × 10 mm jest 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 i nie nic, jeśli szynę dobrano bez zapasu, a strata ta sumuje się ze współczynnikami korekcyjnymi, które już przyjąłeś na obudowę i grupowanie. Jeśli jesteś blisko granicy, przelicz geometrię w kalkulatorze obciążalności prądowej szyn z uwzględnieniem straty na narożnikach i bez niej, zanim zdecydujesz się na duży promień na mocno obciążonej szynie.

Ręce, rękawice i powód, dla którego zakłady naprawdę to robią

Cięta krawędź miedzi z zadziorem 0,2 mm rozetnie rękawicę łukoochronną. Rozetnie też rękę. Szyna prądowa jest ciężka, przy montażu bierze się ją do ręki wielokrotnie, a często ustawia się ją na miejscu, opierając się o nią całym ciężarem.

To powód, dla którego obróbkę krawędzi zapisuje się w zestawach, gdzie nie ma żadnego argumentu z koncentracji pola — i jest to powód całkowicie dobry. Bywa też tym, który daje się zmierzyć, bo zużycie rękawic i zapisy pierwszej pomocy kierownik zakładu i tak śledzi.

Jak wykonać to powtarzalnie

Promień krawędzi bywa w wielu zakładach traktowany jako opcjonalny dlatego, że kiedyś była to operacja ręczna pilnikiem albo szlifierką prostą, czyli niepowtarzalna, wolna i nieprzyjemna.

Odpowiadają na to dwie kategorie maszyn. Fazowanie wykorzystuje wrzeciono frezarskie z narzędziem kształtowym do wykonania określonej fazy albo promienia wzdłuż krawędzi szyny, także wokół krawędzi wykrawanych otworów i na końcach. Maszyna do fazowania EMAC-XT prowadzi wrzeciono BT40 do 6000 rpm z sześciopozycyjnym automatycznym zmieniaczem narzędzi, obsługuje szyny o grubości 3 do 15 mm i szerokości 30 do 230 mm oraz utrzymuje ±0,05 mm pozycjonowania i powtarzalności. Zmieniacz narzędzi ma tu znaczenie: narzędzie do fazy, narzędzie kształtowe do promienia i narzędzie do krawędzi otworów w jednym programie oznaczają, że operator nie stoi przy maszynie, wymieniając tulejki zaciskowe między elementami detalu.

Gratowanie to inna operacja o innym celu. Usuwa zadzior i nadaje wszystkiemu, łącznie z krawędziami otworów, małe, niekontrolowane stępienie w jednym przejściu. Maszyna do gratowania BND800-2 przyjmuje szyny o grubości 0,5 do 50 mm i szerokości 100 do 800 mm przy 5 do 30 m/min. To właśnie ta wydajność sprawia, że opłaca się gratować każdą szynę, a nie tylko te, które ktoś zaznaczył.

Rozróżnienie, o którym trzeba pamiętać: gratowanie sprawia, że szynę można bezpiecznie brać do ręki, i usuwa wyniesiony metal, który inaczej znalazłby się między dwiema powierzchniami przylegania w połączeniu śrubowym. Nie daje kontrolowanego promienia. Jeśli rysunek podaje R3, a ktoś przepuści szynę przez linię do gratowania i odhaczy pozycję, problem z izolacją, który chciałeś rozwiązać, nadal tam jest.