Bara pah kırma ve kenar radüsü

Dikdörtgen bara haddehaneden köşeleri dik çıkar ve makastan ya da zımbadan bu köşelerin üzerinde bir çapakla çıkar. İmalatçıların çoğu bu kenarları kırar. Nedenini sorduğunuzda bir dizi cevap alırsınız: yalıtımcılar istedi, çizimde R3 yazıyor, operatörlerin elini kesmesini önlüyor. Üçü de geçerlidir ve üçü farklı radüsler gerektirir.

Sektör genelinde çalışma aralığı kabaca R2 ile R10 mm arasındadır ve bara ölçülerine, gerilim sınıfına ve montaj ortamına göre seçilir. Bu, bir uygulama tarifidir; normatif bir gereklilik değil. Ayrım da kulağa geldiğinden daha önemlidir.

Standartlar gerçekte ne diyor

Bir dizi makine ve bara tedarikçisi sayfası, IEC 61439'un "bakır baralarda pah kırılmasını şart koştuğunu" öne sürüyor; bazıları daha da ileri gidip 800 V üzerindeki sistemler için asgari R3 alıntılıyor ve bunu IEC 61439 ile UL 891'e birlikte atfediyor.

Bu yanlıştır ve konuda açık sözlü olmak önemlidir, çünkü mühendisler bir tedarikçi blog yazısına dayanarak bunu kendi iç şartnamelerine yazdılar.

IEC 61439-1 hiçbir yerde kenar radüsünden söz etmez. Yaptığı şey, ölçülendirme mantığını IEC 60664-1 yalıtım koordinasyonundan alarak hava aralığı ve yüzeysel kaçak yolu gereklilikleri koymak ve ardından tamamlanmış düzeneğin bir dielektrik dayanım testinden geçmesini istemektir. Kenar radüsü, bu hükümleri karşılamanın mühendislik yollarından biridir. Adı konmuş bir gereklilik değildir ve bunun için atıf yapılabilecek bir madde numarası yoktur. Aynısı UL 891 için de geçerlidir.

Bu, kılı kırk yaran bir ayrıntı değil. Radüsün zorunlu olduğuna inanıyorsanız her şeye toptan R3 uygular ve düşünmeyi bırakırsınız. Bunu bir araç olarak anlarsanız R2'nin yettiği yerde R2, alan sorununuz olan yerde R8 uygular; bara kalaylanıp iki yanında 25 mm hava ile düz cıvatalanacaksa hiçbir şey uygulamazsınız.

Alan sorunu, standardın kendi terimleriyle

IEC 60664-1, elektrot geometrisini doğrudan kabul etmesiyle güvenlik standartları arasında sıra dışıdır. Madde 5.1.3, iletken parçaların biçiminin ve düzenlenişinin alanın homojenliğini, dolayısıyla belirli bir gerilime dayanmak için gereken hava aralığını etkilediğini söyleyerek başlar.

Ardından hava aralığı tablolarını iki duruma ayırır.

A durumu homojen olmayan alandır. Standardın bunun için kendi en kötü durum modeli, 1 m × 1 m'lik bir düzleme bakan 30 µm uç yarıçaplı bir nokta elektrottur. A durumu hava aralıkları, iletken parçaların biçiminden bağımsız olarak ve herhangi bir gerilim dayanım testi olmaksızın kullanılabilir. Daha büyük olmalarının nedeni budur.

B durumu homojen alandır; esasen sabit bir gerilim gradyanına sahip alan olarak tanımlanır ve örnek olarak her birinin yarıçapı aradaki boşluktan büyük iki küre verilir. B durumu hava aralıkları daha küçüktür. Bunlara yalnızca iletken parçaların biçimi ve düzenlenişi o sabit gradyanı sağlayacak şekilde tasarlandığında izin verilir ve A durumu değerinden küçük her hava aralığının bir gerilim dayanım testiyle doğrulanması gerekir.

2,5 kV anma darbe dayanımı için iki durum arasındaki fark, kabaca 1,5 mm ile kabaca 0,6 mm hava arasındaki farktır. Faz ayrımının pano genişliğini belirleyen kısıt olduğu kompakt bir düzenekte bu, yuvarlama hatası değildir.

Bir de kararlı hâl hava aralığı tablosuna iliştirilmiş not var: homojen olmayan alan koşullarında kısmi boşalma olmaksızın ölçülendirme mümkün değildir. Standart, yaklaşık 2,5 kV tepe değerinin üzerinde, delinme değerlerine göre ölçülendirmenin özellikle homojen olmayan alanlarda koronasız çalışma vermeyebileceğini söylüyor; ya daha büyük hava aralıkları kullanmalı ya da alan dağılımını iyileştirmelisiniz.

Alan dağılımını iyileştirmek, tam olarak bir kenar radüsünün yaptığı şeydir. Hava aralığının yerine geçen bir şey olarak değil; küçük değeri kullanabilmenizi sağlayan ve aynı geometrik açıklıkta sizi sürekli kısmi boşalmanın dışında tutan şey olarak.

Yüzeysel kaçak yolunun böyle çalışmadığına da dikkat edin. Yüzeysel kaçak yolu çalışma gerilimi, kirlilik derecesi ve malzeme grubuyla belirlenir; bakıra radüs vermek gereken kaçak yolu mesafesini kısaltmaz. Yani eşit kaçak yolunda radüs size daha düzgün bir alan ve B durumu hava aralığını kullanma şansı kazandırır. Yüzey yolunda hiçbir şey kazandırmaz.

Korona ve neden yavaş bir arıza olduğu

Hava, deniz seviyesinde düzgün bir alanda kabaca 3 kV/mm'de iyonlaşır. Nominal 0,1 mm kenar kırığı olan 90°'lik bir bakır köşe, alanı boşluk geometrisine bağlı bir katsayıyla yoğunlaştırır; ancak niteliksel cevap şudur: köşedeki yerel alan, boşluk boyunca ortalama alandan çok önce iyonlaşmaya ulaşır.

Sonuç bir kısmi boşalmadır: boşluğu köprülemeyen, küçük, yerel ve kendi kendine sönen bir delinme. Hiçbir şey açmaz. Düzenek ilk gün dayanım testini geçer. Bunun yerine olan şey, boşalmanın ozon ve azot oksitleri üretmesidir; bunlar nem varlığında organik yalıtıma saldırır ve boşalmanın kendisi de polimer yüzeyleri doğrudan aşındırır. Arıza birkaç yıl sonra, devreye alma kayıtlarına bakarak kimsenin açıklayamadığı bir yüzeysel kaçak (tracking) arızası olarak gelir.

Orta gerilimde ve daha yeni 800 V – 1500 V DC sistemlerinde radüsün gerekçesi budur. Mesele tip testi değildir. Mesele, düzeneğin tip testleri arasında ne yaptığıdır.

Yalıtım keskin bir köşeyi dönemez

Mekanik gerekçe elektriksel olandan daha somuttur ve alçak gerilim pano imalatçılarının çoğu için daha doğrudan ilgilidir.

Yaygın bara yalıtım yöntemlerinin her biri dik bir köşede kendine özgü biçimde başarısız olur.

Isıyla daralan makaron radyal olarak büzülür ve 90°'lik bir iç geçişe uyum sağlamaz. Köşeyi köprüler. Köprünün altında, bara boyunca uzanan ve tam da en yüksek alanın bulunduğu noktada duran bir hava boşluğu kalır. Kalın cidarlı bara makaronu ayrıca öyle kalındır ki keskin bir kenar, büzülme sırasında onu keser ya da inceltir.

Elektrostatik olarak ya da akışkan yatakla uygulanan epoksi toz kaplama, bir kenardaki her organik kaplamayı etkileyen aynı yüzey gerilimi geri çekilmesine uğrar. Film, en çok kalınlık istediğiniz yerde incelir.

Baraya sarılan ya da lamine edilen poliimid film, köşeyi izlemek yerine üzerinden çadır gibi geçer ve filmdeki gerilme serviste köşede yoğunlaşır.

Üzerine kalıplama (overmoulding) köşede bir akış gölgesi bırakır ve soğuma sırasında polimerin çekmesi onu önce en keskin detaydan koparır.

Dört durumda da kusur aynıdır: geometrinin en yüksek alanlı noktasında gaz dolu bir boşluk. Bu, olabilecek en kötü yerdir. Bağıl dielektrik geçirgenliği 4 civarında olan bir katı içine gömülü, bağıl geçirgenliği 1 olan bir boşlukta, boşluktaki alan çevredeki katıdaki alanın birkaç katıdır; gazın delinme dayanımı ise katınınkinden çok daha düşüktür. Boşluk her çevrimde ilk boşalan yerdir ve boşalma, boşluk duvarını duvar kalmayana kadar aşındırır.

Epoksi emdirilmiş bara yalıtımı üzerine yapılan çalışmalar tam olarak bu diziyi izledi: kabarcık kusurunun içindeki kısmi boşalma epoksiyi parçalıyor, gaz basıncı yükseliyor ve basınç boşluk duvarının tokluğunu aştığında duvar kırılıyor. Başlangıç noktası kusurdur ve kusur, geometrinin yalıtımın oturmasını imkânsız kıldığı yerdir.

Radüslü bir köşe yalıtımı daha iyi yapmaz. Yalıtımın, düz yüzeyde olduğu kadar iyi olabilmesini mümkün kılar.

Toz boya ve boyada kenardan geri çekilme

Kaplama sektörü bu tartışmayı onlarca yıl önce sonuçlandırdı ve bir sayı yazdı.

Bir polimer kaplama keskin bir kenara uygulandığında — ister toz ister sıvı olsun — yayılma ve kürlenme sırasındaki yüzey gerilimi malzemeyi kenardan uzağa çeker. Kenardaki kuru film kalınlığı, bitişik düz yüzeydeki kalınlığın küçük bir kesrine kadar inebilir; boyalı çelikte korozyonun kenarlardan başlayıp içeri doğru yayılmasının, tersi olmamasının nedeni budur.

ISO 8501-3 kenarlar, kaynaklar ve yüzey kusurları için üç hazırlık derecesi tanımlar. En kapsamlısı olan P3 derecesi, tüm kenarların 2 mm'den küçük olmayan bir radüsle yuvarlatılmasını ister. ISO 12944-3

ise P3'ü, C4 ve üzeri korozivlik kategorilerinde yüksek ve çok yüksek dayanıklılık için ve Im1 – Im4 daldırma kategorileri için zorunlu kılar.

Savunulabilir bir asgari radüsün gerçekte geldiği yer o 2 mm'dir ve elektriksel bir standarttan değil, bir kaplama standardından gelir. Bir müşteri sizden R2'yi gerekçelendirmenizi isterse IEC 61439'u değil, ISO 8501-3'ü gösterin.

Konuyu fazla satmamak adına bir çekince. Progress in Organic Coatings dergisinde yayımlanan sistematik bir çalışma, yuvarlatılmış çelik kenarlar üzerindeki kuru film kalınlığını parlatılmış metalografik kesitlerde ölçtü ve test ettiği sistemler genelinde kenar radüsünün kaplama örtücülüğü üzerinde istatistiksel olarak anlamlı bir etkisi olmadığını buldu. O çalışma bakır bara değil yapısal çelik üzerindeydi ve mekanizmayı geçersiz kılmıyor; ancak yuvarlatma sürecinin ve kaplama sisteminin en az radüs değeri kadar önemli olabileceğini hatırlatıyor. Kenara radüs vermek gereklidir. Tek başına yeterli değildir.

Pah mı, radüs mü

Bunlar aynı şey değildir ve fark, çizim aşamasında iki dakika düşünmeye değer.

Pah düz bir şevdir. 1 mm × 45°'lik bir pah, bir 90° köşenin yerine iki adet 135° köşe koyar. Çapağı alır, elleçleme tehlikesindeki keskinliği giderir ve kaplamaya bir miktar yardım eder. Elektriksel olarak sanıldığından çok daha az yardım eder, çünkü yüzeyde hâlâ iki süreksizlik vardır ve alan hâlâ oralarda yoğunlaşır; sadece daha az şiddetle.

Radüs ise her iki yüzeye teğet, hiçbir süreksizliği olmayan gerçek bir yaydır. Alanın istediği de, ısıyla daralan makaronun ve üzerine kalıplamanın istediği de budur.

Elleçleme güvenliği için ve cıvatalanıp çıplak bırakılacak bir bara için pah yeterlidir ve üretimi daha hızlıdır. Yalıtılacak, kapsüllenecek ya da dar faz aralıklarıyla birkaç yüz voltun üzerinde çalışacak her şey için radüs belirtin ve bunu çizimde yazın; çünkü "1 mm pah" ile "R1" farklı takımlarla üretilir ve aynı performansı vermez.

Bakır olarak maliyeti

Radüs vermek kesit kaldırır ve kesit, akım taşıma kapasitesidir.

Her köşede kaldırılan alan R²(1 − π/4), yani yaklaşık 0,215 R²'dir. 1000 mm²'lik 100 × 10 mm bir barada R5'te dört köşe kabaca 21,5 mm², yani %2'nin biraz üzerini kaldırır. 60 × 10 mm bir barada R3'te bu oran %1,3 civarındadır. Aynı 100 × 10 barada 1 mm × 45°'lik bir pah 2 mm², yani %0,2 kaldırır.

İletkenin yüzde ikisi felaket değildir, ama hiç pay bırakılmadan boyutlandırılmış bir barada hiç de önemsiz değildir ve muhafaza ile gruplama için zaten uyguladığınız düşürme katsayılarının üzerine biner. Sınıra yakınsanız, ağır yüklü bir barada büyük bir radüse karar vermeden önce geometriyi köşe kaybıyla ve kayıpsız olarak bara akım taşıma kapasitesi hesaplayıcısında çalıştırın.

Eller, eldivenler ve atölyelerin çoğunun bunu asıl yapma nedeni

0,2 mm çapaklı, makasla kesilmiş bir bakır kenar bir ark parlaması eldivenini yırtar. Bir eli de yırtar. Bara ağırdır, montaj boyunca defalarca elle taşınır ve çoğu zaman montajcının ağırlığını arkasına vererek yerine yerleştirilir.

Hiçbir alan yoğunlaşması gerekçesi bulunmayan düzeneklerde bile kenar işlemenin şartnameye girmesinin nedeni budur ve gayet iyi bir nedendir. Üstelik ölçülen de budur, çünkü eldiven tüketimi ve ilk yardım kayıtları bir fabrika müdürünün zaten takip ettiği şeylerdir.

Tekrarlanabilir biçimde üretmek

Bara kenar radüsünün pek çok atölyede isteğe bağlı sayılmasının nedeni, eskiden eğe ya da kalıpçı taşlama makinesiyle yapılan bir el işi olmasıdır; bu da onu tutarsız, yavaş ve tatsız kılıyordu.

İki makine kategorisi bu işi üstlenir. Pah kırma, bara kenarı boyunca — delinmiş delik kenarları ve bara uçları dâhil — tanımlı bir pah ya da radüs işlemek için form takımlı bir freze spindle'ı kullanır. EMAC-XT pah kırma makinesi BT40 spindle'ı 6000 rpm'e kadar çalıştırır, altı pozisyonlu otomatik takım değiştiriciye sahiptir, 3–15 mm kalınlıkta ve 30–230 mm genişlikteki barayı işler ve konumlama ile tekrarlanabilirlikte ±0,05 mm tutar. Takım değiştirici burada önemlidir: aynı programda bir pah takımı, bir radüs form takımı ve bir delik kenarı takımı olması, operatörün detaylar arasında pens değiştirmek için makine başında beklememesi demektir.

Çapak alma farklı amaçlı, farklı bir operasyondur. Çapağı kaldırır ve delik kenarları dâhil her yere tek geçişte küçük, denetlenmemiş bir kenar kırığı verir. BND800-2 çapak alma makinesi 0,5–50 mm kalınlıkta ve 100–800 mm genişlikteki barayı 5–30 m/min hızla alır. Yalnızca birinin işaretlediği baraların değil, her baranın çapağını almayı uygulanabilir kılan şey bu iş çıkarma hızıdır.

Akılda tutulacak ayrım şu: çapak alma barayı elle taşımak için güvenli hâle getirir ve bir cıvatalı bağlantıda birleşen iki yüzeyin arasında kalacak yükselmiş malzemeyi kaldırır. Denetlenmiş bir radüs üretmez. Bir çizimde R3 isteniyorsa ve biri barayı çapak alma hattından geçirip kutucuğu işaretliyorsa, çözmeye çalıştığınız yalıtım sorunu hâlâ oradadır.