Снятие фаски и радиус кромки шины

Прямоугольная шина покидает прокатный станок с острыми углами, а после резки или пробивки на них остается заусенец. Большинство изготовителей притупляют эти кромки. Причины различны: изоляция требует того, чертеж указывает R3, либо это предотвращает порезы операторов. Все три фактора действуют одновременно, и каждый требует своего радиуса.

Рабочий диапазон в отрасли составляет примерно R2–R10 мм, определяемый размерами шины, классом напряжения и условиями монтажа. Это описание практики, а не нормативное требование, и это различие весомее, чем может показаться.

Что говорят стандарты на самом деле

Ряд страниц производителей станков и шин утверждает, что стандарт IEC 61439 «требует скругления кромок медных шин», а некоторые идут дальше, цитируя минимальный радиус R3 для систем напряжением выше 800 В, приписывая это требование одновременно стандартам IEC 61439 и UL 891.

В стандарте IEC 61439-1 нигде не упоминается радиус кромки. Этот стандарт устанавливает требования к зазорам и путевым длиним, заимствуя свою логику размерования из стандарта IEC 60664-1 координация изоляции, а затем требует, чтобы готовое изделие выдержало испытание высоким напряжением. Радиус кромки является одним из инженерных способов выполнения этих требований. Это не названное требование, и для его обоснования не существует номера пункта. То же самое верно для UL 891.

Убеждение, что радиус является обязательным, приводит к безоговорочному применению R3 ко всему и прекращению анализа. Понимание его как средства приводит к применению R2 там, где R2 достаточно, R8 там, где существует проблема на практике, и полному отказу от скругления там, где шина будет покрыта оловом и болтовым соединением с зазором 25 мм воздуха с каждой стороны.

Проблема на практике, формулировками самого стандарта

IEC 60664-1 среди стандартов безопасности выделяется тем, что напрямую учитывает геометрию электродов. Пункт 5.1.3 начинается с утверждения, что форма и расположение токоведущих частей влияют на однородность поля и, следовательно, на величину зазора, необходимого для выдерживания заданного напряжения.

Затем таблицы зазоров разделяются на два варианта.

Вариант A — неоднородное поле. Собственная худшая модель стандарта для этого случая — это точечный электрод с радиусом острия 30 мкм, расположенный напротив плоскости 1 м × 1 м. Зазоры варианта A могут использоваться вне зависимости от формы токоведущих частей и без проведения испытания напряжением. Именно поэтому они больше.

Вариант B — однородное поле, определяемое как поле с essentially постоянным градиентом напряжения, в качестве иллюстративного примера приводятся две сферы, радиус каждой из которых больше расстояния между ними. Зазоры варианта B меньше. Они допускаются только там, где форма и расположение токоведущих частей спроектированы для обеспечения такого постоянного градиента, и любой зазор меньше значения для варианта A должен быть подтвержден испытанием напряжением.

Для номинального импульсного напряжения 2,5 кВ разница между двумя вариантами составляет примерно 1,5 мм воздуха по варианту A и примерно 0,6 мм по варианту B. В компактной сборке, где фазное расстояние является ограничивающим фактором для ширины шкафа, это не погрешность округления.

К примечанию к таблице зазоров в установившемся режиме добавлено: размерирование без учёта частичных разрядов невозможно в условиях неоднородного электрического поля. Стандарт указывает, что при напряжениях выше примерно 2,5 кВ амплитудного значение размерирование по значениям пробоя не гарантирует работу без короны, особенно в неоднородных полях, и необходимо либо увеличивать зазоры, либо улучшать распределение поля.

Улучшение распределения поля достигается за счёт скругления кромки. Это не замена зазора, а механизм, который позволяет использовать меньшее значение, и механизм, обеспечивающий непрерывную устойчивость к частичным разрядам при том же геометрическом расстоянии.

Путь утечки устраивается иначе. Он определяется рабочим напряжением, степенью загрязнения и группой материала, а скругление меди не укороч.required путь утечки. При одинаковом пути утечки скругление обеспечивает более равномерное поле и возможность применения зазора по варианту B. На путь утечки по поверхности оно не влияет.

Корона и медленное разрушение

Воздух ионизируется при напряжённости поля примерно 3 кВ/мм на уровне моря в однородном поле. Медный угол 90° с номинальным скруглением кромки 0,1 мм концентрирует поле в зависимости от геометрии зазора, но качественная картина такова: локальная напряжённость в углу достигает значения ионизации задолго до средней напряжённости по зазору.

Результатом является частичный разряд: малый, локализованный, само/extinguishing пробой, не замыкающий зазор. Аппаратура не отключается. Изделие выдерживает испытание на выдерживаемое напряжение в первый день. Разряд образует озон и оксиды азота, которые во влажной среде разрушают органическую изоляцию; сам разряд непосредственно эрозирует поверхность полимера. Отказ проявляется через несколько лет в виде пробоя по изоляции, который невозможно объяснить протоколами ввода в эксплуатацию.

Для этого и скругляется край на средневольтовых и новых системах постоянного тока от 800 В до 1500 В. Речь идёт не о типовом испытании, а о поведении изделия между типовыми испытаниями.

Изоляция не может обернуть острый угол

Механический аргумент более конкретен, чем электрический, и для большинства изготовителей щитового оборудования более актуален.

Любой распространённый способ изоляции шины дает сбой на прямом углу каждым своим способом.

Термоусаживаемая трубка усаживается в радиальном направлении и не обтекает внутренний переход 90°. Она перекрывает угол. Под перемычкой находится воздушный канал по всей длине шины, расположенный точно в зоне максимальной напряжённости поля. Толстостенная трубка для шин также достаточно толста, чтобы острая кромка могла ее повредить или истончить при усаживании.

Эпоксидная порошковая компаундация, наносимая электростатическим или в fluidised bed методом, страдает от того же оттёка по краю из-за поверхностного натяжения, как и любое органическое покрытие. Пленка истончается там, где толщина наиболее необходима.

Полиимидная пленка, навитая или ламинированная на шину, натягивается по углу, а не огибает его, и напряжение в пленке концентрируется на углу в процессе эксплуатации.

При формовании заливкой остается тень потока на углу, и при остывании усадка полимера отрывает его от самой острой точки.

Во всех четырех случаях дефект один: газовая полость в точке максимального электрического поля в геометрии. Это самое неблагоприятное для нее место. В полости с относительной диэлектрической проницаемостью 1, встроенной в твердое тело с относительной диэлектрической проницаемостью около 4, поле в полости во много раз превышает поле в окружающем твердом теле, а пробивная прочность газа远低于 прочности твердого тела. Полость разряжается первой в каждом цикле, и разряд разрушает стенку полости, пока она не исчезнет.

Исследования по изоляции эпоксидно-пропитанных токопроводящих шин проследили именно эту последовательность: частичный разряд внутри пузырькового дефекта разлагает эпоксидную смолу, давление газа повышается, и стенка полости разрушается, когда давление превышает ее прочность. Точкой зарождения является дефект, а дефект возникает там, где геометрия делала невозможным плотное прилегание изоляции.

Скругление угла не делает изоляцию лучше. Оно делает возможным, чтобы изоляция была такой же хорошей, как и на плоскости.

Оттягивание порошковой и жидкой краски с кромок

Отрасль покрытий решила этот спор десятилетия назад и зафиксировала число.

При нанесении полимерного покрытия на острый край, будь то порошковое или жидкое, поверхностное натяжение во время растекания и отверждения затягивает материал с края. Толщина сухой пленки на краю может упасть до доли толщины на соседней плоскости, именно поэтому коррозия на окрашенной стали начинается на краях и распространяется внутрь, а не наоборот.

ISO 8501-3 определяет три степени подготовки для кромок, швов и поверхностных дефектов. Степень P3, самая тщательная, требует, чтобы все кромки были скруглены с радиусом не менее 2 мм. ISO 12944-3

затем делает P3 обязательной для высокой и очень высокой долговечности в коррозионной категории C4 и выше, а также для категорий погружения Im1 до Im4.

Именно эти 2 мм являются обоснованным минимальным радиусом, и они взяты из стандарта по покрытиям, а не из электрического. Если заказчик требует обоснования R2, цитата — ISO 8501-3, а не IEC 61439.

Систематическое исследование, опубликованное в Progress in Organic Coatings, измерило толщину сухой пленки на скругленных стальных кромках на шлифованных металлографических сечениях и не обнаруило статически значимого влияния радиуса кромки на покрытие в системах, которые оно исследовало. Эта работа была проведена для конструкционной стали, а не для медных токопроводящих шин, и она не опровергает механизм, но является напоминанием о том, что процесс скругления и система покрытия могут иметь такое же значение, как и число радиуса. Скругление края необходимо. Оно не является достатным само по себе.

Фаска или скругление

Это не одно и то же, и разница стоит двух минут размышлений на этапе чертежа.

Фаска — это прямая скос. Фаска 1 мм × 45° заменяет один угол 90° на два угла 135°. Она убирает заусенец, снижает травмоопасность при обращении и немного помогает покрытию. С электрической точки зрения помощь минимальна, часто переоценивается, поскольку на поверхности остаются два разрыва, и поле по-прежнему концентрируется на них, просто в меньшей степени.

Радиус — это точная дуга, касательная к обеим граням, без каких-либо разрывов. Именно этого требует электрическое поле, а также термоусаживаемые трубки и литье.

Для безопасности при обращении и для шины, которая будет закреплена болтами и останется без изоляции, фаска подходит и ее проще выполнить. Для любой шины, которая будет изолирована, закапсулирована или эксплуатироваться выше нескольких сотен вольт с плотным расположением фаз, следует указывать радиус и требовать его на чертеже, поскольку «фаска 1 мм» и «R1» выполняются разным инструментом и дают неодинаковый результат.

Медные потери

Скругление уменьшает поперечное сечение, а сечение определяет токовую нагрузку.

Удаляемая площадь в каждом углу составляет R²(1 − π/4), или примерно 0,215 R². На шине 100 × 10 мм площадью 1000 мм² четыре угла с R5 убирают около 21,5 мм², чуть более 2%. При R3 на шине 60 × 10 мм потери составляют около 1,3%. Фаска 1 мм × 45° на шине 100 × 10 мм убирает 2 мм², или 0,2%.

Два процента сечения — не катастрофа, но и не пустое место, особенно если шина подобрана без запаса, и это суммируется с уже учтенным снижением нагрузки из-за размещения в корпусе и группового монтажа. Если расчет близок к пределу, перед выбором большого радиуса на нагруженной шине целесообразно проверить геометрию на калькуляторе токовой нагрузки шин с учетом и без учета потерь в углах.

Руки, перчатки и реальная причина обработки

Острый медный край с заусенцем 0,2 мм может повредить диэлектрическую перчатку. Может повредить и руку. Шина тяжелая, ее многократно переносят при сборке и часто перемещают в положение с усилием монтажника.

Именно по этой причине обработка краев указывается на сборках, где концентрация поля вообще не играет роли. Это абсолютно обоснованное требование. К тому же его легко контролировать, поскольку расход перчаток и записи о травмах — то, что производитель и так отслеживает.

Воспроизводимость изготовления

Причина того, что скругление кромок токопроводящих шин во многих мастерских считается опцией, заключается в том, что ранее это была ручная операция с применением напильника или шлифовального диска, что делало процесс непоследовательным, медленным и неприятным.

Для решения этой задачи существует две категории станков. Фасонное фрезерование использует шпиндель фрезерного станка с форменным инструментом для создания заданной фаски или скругления по кромке шины, включая обработку кромок пробитых отверстий и торцов. EMAC-XT — станок для фасонного фрезерования оснащен шпинделем BT40, вращающимся до 6000 об/мин, с шестипозиционным автоматическим сменщиком инструмента, обрабатывает шины толщиной от 3 до 15 мм и шириной от 30 до 230 мм, обеспечивая точность позиционирования и повторяемость ±0,05 мм. Автоматический сменщик инструмента здесь имеет ключевое значение: наличие фасочного инструмента, форменного инструмента для скругления и инструмента для обработки кромок отверстий в одной программе исключает необходимость для оператора стоять у станка и менять цанги между обработкой разных элементов.

Обдирка — это отдельная операция с другой целью. Она удаляет заусенец и создает неконтролируемое малое скругление кромки на всех элементах, включая кромки отверстий, за один проход. BND800-2 — станок для обдирки обрабатывает шины толщиной от 0,5 до 50 мм и шириной от 100 до 800 мм со скоростью от 5 до 30 м/мин. Именно такая производительность делает экономически целесообразной обдирку каждой шины, а не только тех, которые были отмечены оператором.

Ключевое различие: обдирка делает шину безопасной для обработки и удаляет выступающий металл, который в противном случае находился бы между двумя сопрягаемыми поверхностями в болтовом соединении. Она не создает контролируемое скругление. Если на чертеже указано R3, а шина пропущена через обдирочную линию, проблема обеспечения изоляции, для решения которой был необходим этот радиус, остается нерешенной.