Снятие фаски и радиус кромки шины

Шина прямоугольного сечения выходит с прокатного стана с прямыми углами, а из-под ножа или пуансона — ещё и с заусенцем поверх них. Большинство изготовителей эти кромки притупляет. Спросите зачем — и получите разные ответы: так попросили те, кто занимается изоляцией; на чертеже стоит R3; операторы перестают резать руки. Верны все три, и радиус они требуют разный.

Рабочий диапазон по отрасли — примерно от R2 до R10 mm, выбираемый по размерам шины, классу напряжения и условиям монтажа. Это описание практики, а не нормативное требование, и различие здесь значит больше, чем кажется.

Что на самом деле говорят стандарты

На ряде страниц поставщиков станков и шин утверждается, что IEC 61439 «требует снятия фаски с медных шин», а некоторые идут дальше и приводят минимум R3 для систем выше 800 V, приписывая его совместно IEC 61439 и UL 891.

Это неверно, и говорить об этом прямо важно, потому что инженеры вносили это в собственные внутризаводские технические условия, опираясь на запись в блоге поставщика.

IEC 61439-1 нигде не называет радиус кромки. Он устанавливает требования к воздушным зазорам и путям утечки, беря логику их назначения из координации изоляции по IEC 60664-1, и требует, чтобы готовое устройство выдержало испытание электрической прочности изоляции. Радиус кромки — один из инженерных способов выполнить эти положения. Это не названное требование, и пункта, на который можно было бы сослаться, для него не существует. То же верно и для UL 891.

Это не придирка. Если считать радиус обязательным, вы назначите сплошной R3 на всё и перестанете думать. Если понимать его как средство, вы назначите R2 там, где R2 достаточно, R8 там, где есть проблема с полем, и не назначите ничего там, где шину облудят и притянут болтами плашмя с 25 mm воздуха с каждой стороны.

Проблема поля в терминах самого стандарта

IEC 60664-1 необычен среди стандартов безопасности тем, что прямо признаёт геометрию электродов. Пункт 5.1.3 начинается с того, что форма и расположение токоведущих частей влияют на однородность поля и, следовательно, на воздушный зазор, необходимый для выдерживания заданного напряжения.

Далее таблицы воздушных зазоров разделены на два случая.

Случай A — неоднородное поле. Собственная модель наихудшего случая в стандарте — точечный электрод с радиусом острия 30 µm напротив плоскости 1 m × 1 m. Зазоры случая A можно применять независимо от формы токоведущих частей и без какого-либо испытания напряжением. Поэтому они больше.

Случай B — однородное поле, определяемое как поле с практически постоянным градиентом напряжения; иллюстративный пример — два шара, радиус каждого из которых больше зазора между ними. Зазоры случая B меньше. Они допускаются только там, где форма и расположение токоведущих частей спроектированы так, чтобы этот постоянный градиент обеспечить, а любой зазор меньше значения по случаю A должен быть подтверждён испытанием напряжением.

При номинальном импульсном выдерживаемом напряжении 2,5 kV разница между двумя случаями — это разница между примерно 1,5 mm и примерно 0,6 mm воздуха. В компактном устройстве, где ширину шкафа ограничивает именно разнесение фаз, это не погрешность округления.

Есть ещё примечание к таблице зазоров для установившегося режима: назначение размеров без частичных разрядов в условиях неоднородного поля невозможно. Выше примерно 2,5 kV пикового значения, говорит стандарт, назначение размеров по значениям пробоя может не обеспечить работу без короны, особенно для неоднородных полей, и нужно либо увеличивать воздушные зазоры, либо улучшать распределение поля.

Улучшение распределения поля — это и есть то, что делает радиус кромки. Не взамен воздушного зазора, а как то, что позволяет взять меньшее значение, и как то, что удерживает вас вне непрерывных частичных разрядов при том же геометрическом расстоянии.

Обратите внимание, что с путём утечки это так не работает. Путь утечки задаётся рабочим напряжением, степенью загрязнения и группой материала, и скругление меди требуемый путь утечки не сокращает. Таким образом, при равном пути утечки радиус даёт вам более однородное поле и шанс на зазор по случаю B. По поверхностному пути он не даёт ничего.

Корона и почему это медленный отказ

Воздух ионизируется примерно при 3 kV/mm на уровне моря в однородном поле. Медный угол 90° с номинальным притуплением кромки 0,1 mm концентрирует поле с коэффициентом, который зависит от геометрии промежутка, но качественный ответ таков: локальное поле на углу достигает ионизации задолго до того, как её достигает среднее поле по промежутку.

Результат — частичный разряд: небольшой локализованный самогасящийся пробой, не перекрывающий промежуток. Ничего не отключается. Устройство проходит своё испытание на выдерживаемое напряжение в первый же день. Вместо этого происходит вот что: разряд образует озон и оксиды азота, которые при наличии влаги разрушают органическую изоляцию, а сам разряд напрямую эродирует поверхности полимера. Отказ приходит несколькими годами позже — как трекинговое повреждение, которое никто не может объяснить по документам ввода в эксплуатацию.

Это и есть довод в пользу радиуса на среднем напряжении и на более новых системах постоянного тока от 800 V до 1500 V. Дело не в типовом испытании. Дело в том, что устройство делает между типовыми испытаниями.

Изоляция не умеет огибать острый угол

Механический довод конкретнее электрического и для большинства низковольтных щитовых производств непосредственно важнее.

Каждый распространённый способ изоляции шины отказывает на прямом угле по-своему.

Термоусаживаемая трубка садится радиально и не повторяет внутренний переход под 90°. Она перекрывает угол мостиком. Под мостиком — воздушная полость по всей длине шины, находящаяся ровно в точке наибольшей напряжённости поля. Толстостенная шинная трубка к тому же настолько толстая, что острая кромка прорежет или утоньшит её при усадке.

Эпоксидная порошковая изоляция, наносимая электростатически или в кипящем слое, страдает тем же оттягиванием под действием поверхностного натяжения, которое поражает любое органическое покрытие на кромке. Плёнка утоньшается там, где толщина нужна больше всего.

Полиимидная плёнка, намотанная или прикатанная на шину, натягивается над углом шатром, а не следует за ним, и в эксплуатации натяжение плёнки концентрируется на углу.

Литьевое обволакивание оставляет на углу теневую зону течения, а при остывании усадка полимера отрывает его в первую очередь от самого острого элемента.

Во всех четырёх случаях дефект один и тот же: заполненная газом полость в точке наибольшей напряжённости поля. Хуже места для неё нет. В полости с относительной диэлектрической проницаемостью 1 внутри твёрдого тела с проницаемостью около 4 поле в полости в несколько раз выше поля в окружающем твёрдом теле, тогда как электрическая прочность газа намного ниже прочности твёрдого тела. Полость разряжается первой, каждый период, и разряд эродирует стенку полости, пока стенки не останется.

Работы по пропитанной эпоксидной смолой изоляции шин проследили ровно эту последовательность: частичный разряд внутри пузырькового дефекта разлагает эпоксид, давление газа растёт, и стенка полости разрушается, как только давление превышает её вязкость разрушения. Место зарождения — дефект, а дефект находится там, где геометрия не дала изоляции лечь.

Скруглённый угол не делает изоляцию лучше. Он даёт изоляции возможность быть настолько же хорошей, как и на плоскости.

Оттягивание порошкового покрытия и краски от кромки

Отрасль покрытий закрыла этот спор десятилетия назад и записала число.

Когда полимерное покрытие наносят на острую кромку — порошковое или жидкое, — поверхностное натяжение при растекании и отверждении оттягивает материал от кромки. Толщина сухой плёнки на кромке может упасть до доли толщины на соседней плоскости; поэтому коррозия на окрашенной стали начинается с кромок и распространяется внутрь, а не наоборот.

ISO 8501-3 определяет три степени подготовки кромок, сварных швов и дефектов поверхности. Степень P3, самая тщательная, требует скругления всех кромок радиусом не менее 2 mm. ISO 12944-3

далее делает P3 обязательной для высокой и очень высокой долговечности в категории коррозионной агрессивности C4 и выше и для категорий погружения от Im1 до Im4.

Эти 2 mm и есть настоящий источник обоснуемого минимального радиуса, и берётся он из стандарта на покрытия, а не из электротехнического. Если заказчик попросит обосновать R2, ссылайтесь на ISO 8501-3, а не на IEC 61439.

Одна оговорка — чтобы не преувеличивать значение сказанного. Систематическое исследование, опубликованное в Progress in Organic Coatings, измеряло толщину сухой плёнки на скруглённых стальных кромках по полированным металлографическим шлифам и не обнаружило статистически значимого влияния радиуса кромки на укрывание покрытием ни в одной из испытанных систем. Работа велась на конструкционной стали, а не на медной шине, и механизм она не опровергает, но она напоминает, что процесс скругления и система покрытия могут значить столько же, сколько и само число радиуса. Скруглять кромку необходимо. Само по себе это недостаточно.

Фаска или радиус

Это не одно и то же, и различие стоит двух минут размышления на стадии чертежа.

Фаска — плоский скос. Фаска 1 mm × 45° заменяет один угол 90° двумя углами 135°. Она убирает заусенец, снимает остроту как опасность при обращении и немного помогает покрытию. Электрически она помогает намного меньше, чем принято считать, потому что в поверхности остаются два излома, и поле по-прежнему на них концентрируется, только менее резко.

Радиус — настоящая дуга, касательная к обеим граням, вообще без излома. Это то, что нужно полю, и то, что нужно термоусадке и литьевому обволакиванию.

Для безопасности при обращении и для шины, которую притянут болтами и оставят неизолированной, фаска годится и делается быстрее. Для всего, что будет изолировано, залито компаундом или работает выше нескольких сотен вольт при плотном разнесении фаз, назначайте радиус и указывайте это на чертеже, потому что «фаска 1 mm» и «R1» будут изготовлены разным инструментом и поведут себя по-разному.

Чего это стоит в меди

Скругление убирает сечение, а сечение — это длительно допустимый ток.

Площадь, снимаемая на каждом углу, равна R²(1 − π/4), то есть примерно 0,215 R². На шине 100 × 10 mm сечением 1000 mm² четыре угла с R5 убирают примерно 21,5 mm², чуть больше 2 %. При R3 на шине 60 × 10 mm это около 1,3 %. Фаска 1 mm × 45° на той же шине 100 × 10 убирает 2 mm², или 0,2 %.

Два процента проводника — не катастрофа, но и не ничто на шине, подобранной без запаса, и они складываются с поправкой, которую вы уже взяли на оболочку и групповую прокладку. Если вы близко к пределу, прогоните геометрию через калькулятор допустимого тока шины с учётом потери на углах и без неё, прежде чем назначать большой радиус на сильно нагруженной шине.

Руки, перчатки и настоящая причина, по которой это делает большинство цехов

Отрезанная ножом медная кромка с заусенцем 0,2 mm вспорет перчатку для защиты от электрической дуги. Вспорет она и руку. Шина тяжёлая, при сборке её берут в руки многократно, и нередко её заводят на место, наваливаясь всем весом.

Именно поэтому обработку кромки назначают и на тех устройствах, где довода о концентрации поля нет вовсе, и это вполне хороший довод. К тому же именно он поддаётся измерению, потому что расход перчаток и записи о доврачебной помощи начальник производства и так отслеживает.

Как получить это повторяемо

Причина, по которой во многих цехах радиус кромки на шине считают необязательным, в том, что раньше это была ручная операция напильником или ручным шлифовальным инструментом — а значит, нестабильная, медленная и неприятная.

Задачу закрывают две категории станков. Снятие фаски выполняется фрезерным шпинделем с фасонным инструментом, который прорезает заданную фаску или радиус по кромке шины, включая кромки пробитых отверстий и торцы. Станок для снятия фаски EMAC-XT вращает шпиндель BT40 до 6000 rpm, имеет шестипозиционное устройство автоматической смены инструмента, берёт шину толщиной от 3 до 15 mm и шириной от 30 до 230 mm и держит ±0,05 mm по позиционированию и повторяемости. Устройство смены инструмента здесь важно: фасочный инструмент, фасонный инструмент на радиус и инструмент для кромки отверстия в одной программе означают, что оператор не стоит у станка, меняя цанги между элементами.

Снятие заусенцев — другая операция с другой целью. Она убирает заусенец и за один проход даёт небольшое неуправляемое притупление кромки на всём, включая кромки отверстий. Станок для снятия заусенцев BND800-2 принимает шину толщиной от 0,5 до 50 mm и шириной от 100 до 800 mm со скоростью от 5 до 30 m/min. Именно эта производительность делает осуществимым снятие заусенцев с каждой шины, а не только с тех, которые кто-то отметил.

Различие, которое стоит держать в голове: снятие заусенцев делает шину безопасной в обращении и убирает выступающий металл, который иначе окажется между двумя сопрягаемыми поверхностями в болтовом соединении. Управляемого радиуса оно не даёт. Если на чертеже стоит R3, а кто-то прогнал шину через линию снятия заусенцев и поставил галочку, то проблема с изоляцией, которую вы пытались решить, никуда не делась.