Vát cạnh và bán kính cạnh thanh cái

Thanh cái tiết diện chữ nhật rời nhà máy cán với các góc vuông, rồi rời máy cắt hoặc máy đột với một lớp bavia nằm trên các góc đó. Phần lớn các xưởng gia công đều làm cùn những cạnh này. Hỏi vì sao thì bạn nhận được đủ loại câu trả lời: bên làm cách điện yêu cầu, bản vẽ ghi R3, nó tránh cho người vận hành bị đứt tay. Cả ba đều đúng, và cả ba đòi hỏi những bán kính khác nhau.

Dải làm việc trong toàn ngành vào khoảng R2 đến R10 mm, chọn theo kích thước thanh, cấp điện áp và môi trường lắp đặt. Đó là mô tả về thực hành, không phải một yêu cầu quy phạm, và phân biệt này quan trọng hơn nghe qua tưởng.

Các tiêu chuẩn thực sự nói gì

Một số trang web của các hãng máy và hãng thanh cái khẳng định rằng IEC 61439 "yêu cầu thanh cái đồng phải được vát cạnh", và một số còn đi xa hơn, nêu mức tối thiểu R3 cho hệ thống trên 800 V, quy điều đó cho cả IEC 61439 lẫn UL 891.

Điều đó sai, và nói thẳng ra chuyện này là quan trọng, bởi đã có kỹ sư viết nó vào đặc tả nội bộ của chính họ chỉ dựa trên một bài blog của nhà cung cấp.

IEC 61439-1 không nêu tên bán kính cạnh ở bất cứ chỗ nào. Cái nó làm là đặt ra yêu cầu về khe hở không khí và chiều dài đường rò, lấy logic định kích thước từ phối hợp cách điện theo IEC 60664-1, rồi yêu cầu tủ thành phẩm phải qua được thử nghiệm chịu điện áp cách điện. Bán kính cạnh là một biện pháp kỹ thuật để thỏa mãn các điều khoản đó. Nó không phải một yêu cầu được nêu tên, và không tồn tại số điều khoản nào để viện dẫn cho nó. UL 891 cũng vậy.

Đây không phải chuyện bắt bẻ câu chữ. Nếu bạn tin rằng bán kính là bắt buộc, bạn sẽ áp R3 đại trà cho mọi thứ rồi thôi không nghĩ nữa. Nếu bạn hiểu nó là một biện pháp, bạn sẽ áp R2 ở chỗ R2 là đủ, R8 ở chỗ bạn có vấn đề về điện trường, và không áp gì cả ở chỗ thanh sẽ được mạ thiếc rồi bắt bu lông nằm phẳng với 25 mm không khí ở mỗi bên.

Vấn đề điện trường, theo đúng cách tiêu chuẩn diễn đạt

IEC 60664-1 khác thường so với các tiêu chuẩn an toàn khác ở chỗ nó thừa nhận hình học điện cực một cách trực tiếp. Điều 5.1.3 mở đầu bằng việc nói rằng hình dạng và cách bố trí các bộ phận dẫn điện ảnh hưởng tới tính đồng nhất của điện trường, và do đó ảnh hưởng tới khe hở không khí cần có để chịu được một điện áp cho trước.

Sau đó nó tách các bảng khe hở không khí thành hai trường hợp.

Trường hợp A là điện trường không đồng nhất. Mô hình xấu nhất mà chính tiêu chuẩn dùng cho nó là một điện cực mũi nhọn có bán kính đầu mũi 30 µm đối diện một mặt phẳng 1 m × 1 m. Khe hở không khí theo trường hợp A dùng được bất kể hình dạng các bộ phận dẫn điện, và không cần thử nghiệm chịu điện áp nào. Đó là lý do chúng lớn hơn.

Trường hợp B là điện trường đồng nhất, được định nghĩa là điện trường có gradient điện áp về cơ bản không đổi, ví dụ minh họa là hai quả cầu, mỗi quả có bán kính lớn hơn khoảng cách giữa chúng. Khe hở không khí theo trường hợp B nhỏ hơn. Chúng chỉ được phép dùng khi hình dạng và cách bố trí các bộ phận dẫn điện đã được thiết kế để đạt gradient không đổi đó, và mọi khe hở nhỏ hơn giá trị của trường hợp A đều phải được kiểm chứng bằng thử nghiệm chịu điện áp.

Với điện áp chịu xung định mức 2.5 kV, chênh lệch giữa hai trường hợp là chênh lệch giữa khoảng 1.5 mm và khoảng 0.6 mm không khí. Trong một tủ gọn, nơi khoảng cách giữa các pha là ràng buộc quyết định bề rộng tủ, đó không phải sai số làm tròn.

Rồi còn ghi chú kèm theo bảng khe hở không khí ở chế độ xác lập: trong điều kiện điện trường không đồng nhất thì không thể định kích thước sao cho không có phóng điện cục bộ. Tiêu chuẩn nói rằng trên khoảng 2.5 kV đỉnh, việc định kích thước theo các giá trị đánh thủng có thể không cho ra vận hành không vầng quang, nhất là với điện trường không đồng nhất, và bạn buộc phải hoặc dùng khe hở không khí lớn hơn, hoặc cải thiện phân bố điện trường.

Cải thiện phân bố điện trường chính là việc mà một bán kính cạnh làm được. Không phải để thay thế cho khe hở không khí, mà là thứ cho phép bạn dùng con số nhỏ hơn, và là thứ giữ bạn khỏi phóng điện cục bộ liên tục ở cùng một khoảng cách hình học.

Cũng lưu ý rằng chiều dài đường rò không vận hành theo cách này. Chiều dài đường rò được ấn định bởi điện áp làm việc, cấp độ nhiễm bẩn và nhóm vật liệu, và việc bo tròn đồng không rút ngắn được đường rò yêu cầu. Vậy nên ở cùng một chiều dài đường rò, bán kính bo mua cho bạn một điện trường đều hơn và một cơ hội dùng khe hở không khí theo trường hợp B. Nó không mua được gì cho bạn trên đường bề mặt.

Vầng quang, và vì sao đó là một kiểu hỏng chậm

Không khí ion hóa ở khoảng 3 kV/mm tại mực nước biển trong điện trường đều. Một góc đồng 90° với vê cạnh danh nghĩa 0.1 mm làm tập trung điện trường theo một hệ số phụ thuộc vào hình học khe hở, nhưng câu trả lời về mặt định tính là điện trường cục bộ tại góc đạt tới mức ion hóa từ rất lâu trước khi điện trường trung bình trên toàn khe hở đạt tới mức đó.

Kết quả là một lần phóng điện cục bộ: một sự đánh thủng nhỏ, cục bộ, tự tắt, không bắc cầu qua khe hở. Không có gì tác động cắt. Tủ vẫn qua được thử nghiệm chịu điện áp trong ngày đầu tiên. Cái xảy ra thay vào đó là phóng điện sinh ra ozon và các oxit nitơ, những chất này khi có hơi ẩm sẽ tấn công cách điện hữu cơ, và bản thân phóng điện thì ăn mòn trực tiếp bề mặt polyme. Hỏng hóc đến vài năm sau, dưới dạng một sự cố phóng điện bề mặt mà không ai giải thích được từ hồ sơ nghiệm thu chạy thử.

Đó là lý lẽ cho bán kính cạnh ở cấp trung áp và ở các hệ thống DC 800 V đến 1500 V mới hơn. Nó không liên quan tới thử nghiệm điển hình. Nó liên quan tới việc tủ đang làm gì giữa các lần thử nghiệm điển hình.

Cách điện không ôm nổi một góc sắc

Lập luận cơ khí thì cụ thể hơn lập luận điện, và với phần lớn xưởng làm tủ điện hạ áp thì cũng sát sườn hơn.

Mọi phương pháp cách điện thanh cái thông dụng đều hỏng ở một góc vuông, mỗi phương pháp theo một kiểu riêng.

Ống co nhiệt co theo phương bán kính và không ôm được vào một chỗ chuyển tiếp trong 90°. Nó bắc cầu qua góc. Dưới cây cầu đó là một lỗ rỗng chứa không khí chạy suốt chiều dài thanh, nằm đúng tại điểm có điện trường cao nhất. Ống co nhiệt thành dày dùng cho thanh cái cũng đủ dày để một cạnh sắc cắt rách hoặc làm mỏng nó trong quá trình co.

Bọc bằng bột epoxy, phủ tĩnh điện hay bằng tầng sôi, đều chịu đúng hiện tượng sức căng bề mặt kéo vật liệu khỏi mép, thứ ám mọi lớp phủ hữu cơ trên một cạnh. Màng mỏng đi ở đúng chỗ bạn cần nó dày nhất.

Màng polyimide quấn hoặc ép lên thanh thì căng ngang qua góc như mái lều chứ không bám theo góc, và ứng lực trong màng tập trung tại góc đó khi vận hành.

Bọc đúc để lại một vùng khuất dòng chảy tại góc, và khi nguội, sự co ngót của polyme kéo nó rời khỏi chi tiết sắc nhất trước tiên.

Trong cả bốn trường hợp, khuyết tật là như nhau: một lỗ rỗng chứa khí nằm tại điểm có điện trường cao nhất của hình học. Đó là chỗ tệ nhất có thể. Trong một lỗ rỗng có hằng số điện môi tương đối bằng 1 nằm trong khối rắn có hằng số điện môi tương đối khoảng 4, điện trường trong lỗ rỗng lớn gấp vài lần điện trường trong khối rắn xung quanh, trong khi độ bền đánh thủng của chất khí lại thấp hơn nhiều so với của chất rắn. Lỗ rỗng phóng điện trước, ở mỗi chu kỳ, và phóng điện ăn mòn thành lỗ rỗng cho tới khi không còn thành nữa.

Các công trình về cách điện thanh cái tẩm epoxy đã truy đúng trình tự này: phóng điện cục bộ bên trong một khuyết tật dạng bọt khí phân hủy epoxy, áp suất khí tăng lên, và thành lỗ rỗng nứt vỡ khi áp suất vượt quá độ dai của nó. Điểm khởi phát chính là khuyết tật đó, và khuyết tật nằm ở nơi hình học khiến lớp cách điện không thể nằm sát xuống được.

Một góc được bo tròn không làm lớp cách điện tốt lên. Nó làm cho lớp cách điện có thể tốt được đúng như nó vốn tốt trên mặt phẳng.

Sơn bột và sơn lỏng bị co khỏi mép

Ngành sơn phủ đã khép lại tranh luận này từ hàng chục năm trước và ghi hẳn ra một con số.

Khi một lớp phủ polyme được phủ lên một cạnh sắc, dù là bột hay lỏng, sức căng bề mặt trong lúc san phẳng và đóng rắn sẽ kéo vật liệu ra khỏi cạnh. Chiều dày màng khô tại cạnh có thể tụt xuống chỉ còn một phần nhỏ so với chiều dày trên mặt phẳng kế bên, đó là lý do ăn mòn trên thép sơn bắt đầu từ các cạnh rồi lan vào trong chứ không phải ngược lại.

ISO 8501-3 định nghĩa ba cấp chuẩn bị cho cạnh, mối hàn và khuyết tật bề mặt. Cấp P3, cấp kỹ nhất, yêu cầu mọi cạnh phải được bo tròn với bán kính không nhỏ hơn 2 mm. ISO 12944-3

sau đó bắt buộc dùng P3 cho độ bền cao và rất cao trong cấp độ ăn mòn C4 trở lên, và cho các cấp ngâm Im1 đến Im4.

Con số 2 mm đó mới thực sự là nguồn gốc của một bán kính tối thiểu có thể bảo vệ được, và nó đến từ một tiêu chuẩn sơn phủ chứ không phải từ một tiêu chuẩn điện. Nếu khách hàng yêu cầu bạn biện minh cho R2, hãy viện dẫn ISO 8501-3, không phải IEC 61439.

Một điểm dè dặt, để không nói quá lên. Một nghiên cứu hệ thống công bố trên Progress in Organic Coatings đã đo chiều dày màng khô trên các cạnh thép đã bo tròn, trên mặt cắt kim tương đã đánh bóng, và không tìm thấy ảnh hưởng có ý nghĩa thống kê nào của bán kính cạnh lên độ che phủ của lớp sơn, trên các hệ sơn mà nghiên cứu đó thử. Công trình đó làm trên thép kết cấu chứ không phải trên thanh cái đồng, và nó không lật đổ cơ chế đã nêu, nhưng nó nhắc ta rằng cách bo tròn và hệ sơn có thể quan trọng ngang với con số bán kính. Bo tròn cạnh là cần thiết. Tự nó thì chưa đủ.

Vát cạnh hay bo tròn

Hai thứ này không phải một, và khác biệt giữa chúng đáng để suy nghĩ hai phút ở khâu bản vẽ.

Vát cạnh là một mặt vát phẳng. Một mặt vát 1 mm × 45° thay một góc 90° bằng hai góc 135°. Nó bỏ bavia đi, nó lấy đi phần sắc gây nguy hiểm khi thao tác, và nó giúp lớp sơn được một chút. Về mặt điện, nó giúp ít hơn nhiều so với người ta tưởng, vì bạn vẫn còn hai chỗ gián đoạn trên bề mặt và điện trường vẫn tập trung tại đó, chỉ là ít gay gắt hơn.

Bán kính bo là một cung tròn thật, tiếp tuyến với cả hai mặt, không có chỗ gián đoạn nào. Đó là thứ điện trường cần, và cũng là thứ ống co nhiệt và bọc đúc cần.

Với an toàn thao tác và với một thanh sẽ được bắt bu lông rồi để trần, vát cạnh là ổn và làm nhanh hơn. Với bất cứ thứ gì sẽ được bọc cách điện, bọc kín hoặc chạy trên vài trăm vôn với khoảng cách pha chật, hãy quy định một bán kính bo và ghi rõ như vậy trên bản vẽ, bởi "vát 1 mm" và "R1" sẽ được làm bằng những bộ khuôn và dao khác nhau và không cho tính năng như nhau.

Cái giá tính bằng đồng

Bo tròn lấy đi tiết diện, và tiết diện chính là khả năng tải dòng.

Diện tích bị lấy đi ở mỗi góc là R²(1 − π/4), tức khoảng 0.215 R². Trên một thanh 100 × 10 mm có tiết diện 1000 mm², bốn góc bo R5 lấy đi khoảng 21.5 mm², hơn 2% một chút. Với R3 trên thanh 60 × 10 mm thì vào khoảng 1.3%. Một mặt vát 1 mm × 45° trên chính thanh 100 × 10 đó lấy đi 2 mm², tức 0.2%.

Mất hai phần trăm dây dẫn không phải là thảm họa, nhưng cũng không phải là không có gì trên một thanh đã được chọn tiết diện không dư, và nó cộng dồn với phần giảm định mức mà bạn đã phải chịu vì vỏ tủ và vì đặt thành nhóm. Nếu bạn đang sát giới hạn, hãy chạy hình học đó qua công cụ tính khả năng tải dòng thanh cái có và không có phần mất góc, trước khi chốt một bán kính bo lớn trên một thanh mang tải nặng.

Bàn tay, găng tay, và lý do thật sự khiến phần lớn các xưởng làm việc này

Một cạnh đồng vừa cắt bằng dao với bavia 0.2 mm sẽ rạch toạc một chiếc găng tay chống hồ quang. Nó cũng rạch toạc một bàn tay. Thanh cái nặng, nó bị cầm nắm nhiều lần trong quá trình lắp ráp, và thường được đưa vào vị trí với cả sức nặng cơ thể người lắp đẩy phía sau.

Đây là lý do việc xử lý cạnh được quy định cho cả những tủ hoàn toàn không có lý lẽ nào về tập trung điện trường, và đó là một lý do hoàn toàn chính đáng. Nó tình cờ cũng là lý do được đo đếm, bởi lượng găng tay tiêu thụ và các ghi chép sơ cứu là những thứ mà một quản đốc nhà máy vốn đã theo dõi.

Làm ra nó một cách lặp lại được

Lý do bán kính cạnh trên thanh cái bị coi là tùy chọn ở nhiều xưởng là vì trước đây nó là một nguyên công làm tay bằng giũa hoặc máy mài khuôn, tức là không đồng đều, chậm và khó chịu.

Có hai loại máy giải quyết chuyện này. Vát cạnh dùng một trục chính phay với dao định hình để cắt một mặt vát hoặc một bán kính bo xác định dọc cạnh thanh, kể cả quanh mép các lỗ đã đột và dọc hai đầu thanh. Máy vát cạnh EMAC-XT chạy trục chính BT40 tới 6000 rpm với bộ thay dao tự động sáu vị trí, làm được thanh dày 3 đến 15 mm và rộng 30 đến 230 mm, và giữ ±0.05 mm về độ chính xác định vị và độ lặp lại. Bộ thay dao có ý nghĩa ở đây: một dao vát, một dao định hình bo tròn và một dao làm mép lỗ nằm trong cùng một chương trình nghĩa là người vận hành không phải đứng tại máy đổi ống kẹp dao mỗi khi chuyển sang chi tiết khác.

Gọt bavia là một nguyên công khác với mục đích khác. Nó bỏ bavia đi và tạo một vê cạnh nhỏ, không được kiểm soát, trên mọi thứ, kể cả mép lỗ, chỉ trong một lượt chạy. Máy gọt bavia BND800-2 nhận thanh dày 0.5 đến 50 mm và rộng 100 đến 800 mm ở 5 đến 30 m/min. Chính năng suất đó khiến việc gọt bavia cho mọi thanh trở nên khả thi, thay vì chỉ làm cho những thanh có người đánh dấu.

Điểm phân biệt cần nhớ: gọt bavia làm cho thanh an toàn khi cầm nắm và loại bỏ phần kim loại trồi lên vốn sẽ nằm chen giữa hai mặt ghép trong một mối nối bắt bu lông. Nó không tạo ra một bán kính bo có kiểm soát. Nếu bản vẽ ghi R3 mà có người cho thanh chạy qua dây chuyền gọt bavia rồi tích vào ô đã làm, thì vấn đề cách điện mà bạn định giải quyết vẫn còn nguyên ở đó.