Uốn lệch bậc, loe miệng và tấm nối: mối nối busway được làm ra thế nào

Gần như mọi tài liệu đã xuất bản về busway đều mô tả hệ thống thành phẩm: trị số định mức, hộp rẽ nhánh, cấp bảo vệ IP, trình tự lắp đặt. Rất ít tài liệu mô tả mối nối thực sự được tạo hình ra sao, và điều đó khá lạ, bởi mối nối chính là phần mà một nhà chế tạo phải làm ra và cũng là phần quyết định tuyến busway có qua được phép thử độ tăng nhiệt hay không. Ba nguyên công tạo hình biến thanh dẫn thô thành đầu busway: uốn lệch bậc, loe miệng và tấm nối. Dưới đây là việc mà từng nguyên công làm và điều mà nó đòi hỏi ở cỗ máy tạo ra nó.

Chồng thanh có một bước trên tuyến và một bước khác tại mối nối

Busway kiểu ép sát xếp các thanh dẫn của nó mặt áp mặt với một lớp màng cách điện mỏng ở giữa. Đó chính là toàn bộ ý đồ của kết cấu này: khoảng cách nhỏ nhất nghĩa là diện tích vòng nhỏ nhất, và điều đó nghĩa là điện kháng thấp cùng sụt áp thấp ngay cả khi hệ số công suất kém. Trên một tuyến bốn cực dùng thanh 6 mm và lớp cách điện 0.5 mm, tâm các thanh dẫn cách nhau khoảng 6.5 mm.

Tại mối nối, khoảng cách đó không giữ được. Mỗi cặp thanh dẫn phải được kẹp giữa hai tấm dẫn điện, và cặp tấm của mỗi pha phải được tách khỏi pha kế tiếp bằng một tấm cách điện đủ dày để thỏa mãn khe hở không khí và chiều dài đường rò mà thiết kế công bố. Bước giữa các thanh dẫn bên trong một khối mối nối thường gấp ba đến bốn lần bước trên tuyến. Vì vậy các thanh dẫn phải được đẩy tách ra khi tiến về phía đầu mối nối, mỗi thanh một lượng khác nhau, và mỗi thanh phải tới đúng cao độ mà khối mối nối chờ đợi.

Chuyển vị đó chính là mối uốn lệch bậc. Nó là một cặp mối uốn ghép đôi cùng chiều, dịch thanh từ mặt phẳng tuyến sang mặt phẳng mối nối trong khi vẫn giữ hai mặt song song. Thanh A đi lên 9 mm, thanh B lên 3 mm, thanh C xuống 3 mm, thanh D xuống 9 mm. Các con số phụ thuộc hoàn toàn vào khối mối nối, nhưng dạng bố trí thì đối xứng qua đường tâm của chồng thanh và mọi mặt đầu đều kết thúc trên đúng chuẩn mà khối mối nối định ra. Chỉ cần sai lượng lệch của một thanh nửa milimét là các tấm nối của nó vào lệch, chồng lông đền chén chịu tải không đều, và pha đó chạy nóng hơn ba pha còn lại suốt vòng đời của tuyến.

Lực tạo hình mối uốn lệch bậc

Mối uốn lệch bậc trông nhỏ trên bản vẽ và không hề nhỏ trên máy ép. Có hai thứ chi phối lực. Thứ nhất là tiết diện: lực khi uốn tỷ lệ với bề rộng và với bình phương chiều dày. Thứ hai hay bị đánh giá thấp hơn. Hai mối uốn của một mối lệch bậc nằm sát nhau, nên khẩu độ cối hữu hiệu là ngắn, và một nhịp ngắn cần lực cao để đạt cùng một độ võng, cũng theo cách một dầm ngắn cần tải lớn hơn một dầm dài.

Một phép kiểm tra bậc độ lớn cho thấy rõ điều đó. Lấy Cu-ETP 300 mm × 6 mm ở cấp nửa cứng, R240/H065 theo EN 13601, giới hạn bền kéo 240–300 N/mm². Khả năng chịu kéo trên toàn tiết diện của thanh đó vào khoảng 480 kN. Uốn dẻo cục bộ chỉ cần một phần của con số đó, nhưng không phải một phần nhỏ, một khi khẩu độ cối ngắn và vật liệu đã hóa bền biến dạng bởi mối uốn thứ nhất trước khi mối thứ hai bắt đầu. Một máy tạo hình busway có định mức 300 kN cho trạm uốn lệch bậc, như dây chuyền busway EMAC-BDM, được chọn cỡ đúng cho việc này: lặp lại các lượng lệch trên đồng rộng và cứng mà đầu trượt không võng đủ nhiều để làm lượng lệch thay đổi từ thanh này sang thanh kia.

Đàn hồi ngược ở đây quan trọng không kém gì trong uốn thanh cái thông thường, và nó khó bù hơn. Một mối uốn đơn chỉ có một góc phải hiệu chỉnh. Một mối lệch bậc có hai mối uốn mà đàn hồi ngược của chúng triệt tiêu nhau một phần, còn phần dư thì biểu hiện thành sai số lượng lệch chứ không phải sai số góc, nên người vận hành thấy một thanh lắp không khớp chứ không thấy một thanh sai góc rõ ràng. Đây là lý do lượng lệch của mối uốn lệch bậc được đặt như một kích thước lập trình tì vào cữ chặn chứ không phải chỉnh bằng mắt.

Phần loe là đoạn dẫn vào, không phải mối lệch bậc thứ hai

Mối uốn lệch bậc quyết định thanh nằm ở đâu. Phần loe là một mối uốn nghiêng nông ngay ở đầu mút thanh dẫn, mở ra xa đường tâm mối nối, và việc của nó là để thanh tìm được khe của mình. Lắp ráp một mối nối busway tại công trường nghĩa là trượt các đầu thanh dẫn trần của một đoạn vào khối mối nối đã gắn sẵn trên đoạn kề bên, ở trên cao, trên xe nâng người, thường ở một tư thế khó. Không có đoạn côn dẫn vào thì thanh vướng vào mép tấm nối hoặc vào tấm cách điện, thợ lắp sẽ ép mạnh, và việc đó cào xước lớp mạ rồi đẩy phoi đồng vào trong mối nối.

Thuật ngữ khác nhau giữa các hãng. Có hãng gọi cả nguyên công tạo hình đầu thanh là loe miệng, có hãng dành riêng chữ loe miệng cho đoạn côn ở đầu mút và chữ uốn lệch bậc cho phần dịch chuyển, và một số catalogue máy dùng cả hai từ cho cùng một trạm. Điều quan trọng ngoài xưởng là hai đặc điểm này có dung sai khác nhau. Lượng lệch là kích thước lắp ghép và phải giữ trong vài phần mười milimét. Góc loe là đặc điểm phục vụ thao tác, chênh một độ về bên nào cũng không đổi gì, và đó là lý do những cỗ máy tạo hình nó thường làm bằng một góc lập trình được chứ không bằng một bộ dao chuyên dụng. Trên EMAC-BDM, hành trình loe là 30 mm với góc đặt trong chương trình, nên đổi khối mối nối không có nghĩa là phải thay dao.

Một hệ quả cho việc lập kế hoạch sản xuất: vì thanh dẫn được cắt theo chiều dài và tạo hình trong cùng một lần kẹp, chuẩn chiều dài và chuẩn lượng lệch là một. Nếu việc cắt và việc tạo hình diễn ra trên hai máy riêng với hai bộ gá riêng thì mỗi lần chuyển tiếp lại cộng thêm một sai số chuỗi vào một kích thước vốn không có chút dư nào.

Tấm nối và trình tự đột, kéo giãn, cắt

Tấm nối (tấm ghép, tấm đấu nối hay thanh nối, tùy bản vẽ bạn đang đọc là của ai) là dải dẫn điện bắc qua khe giữa hai thanh dẫn giáp đầu và mang dòng đi qua mối nối. Ở mối nối giáp đầu, nó mang toàn bộ dòng của pha trên suốt chiều dài phần chồng lấn, điều này biến tiết diện, lớp mạ và độ phẳng của nó thành các thông số điện chứ không phải thông số cơ.

Vật liệu thường là cùng hợp kim với thanh dẫn, Cu-ETP cho hệ đồng, ở chiều dày mỏng hơn: 3 đến 4.5 mm là dải thông dụng, so với 5 đến 10 mm của chính thanh dẫn. Hệ nhôm dùng tấm nhôm cũng vì lý do đó. Một tấm đồng đặt lên thanh nhôm là đưa một cặp kim loại khác loại vào đúng chỗ nóng nhất và khó tiếp cận nhất của tuyến.

Trình tự tạo hình trên một máy chuyên làm tấm nối là đột, kéo giãn, cắt. Nguyên công ở giữa mang nhiều ý đồ thiết kế hơn cái tên của nó gợi ra.

Đột tạo lỗ thông cho bu lông xuyên qua dải. Đây là công việc đột lỗ thông thường, chỉ khác ở chỗ vị trí lỗ là đặc điểm tự định vị duy nhất của mối nối, nên dung sai của nó chính là dung sai của cả cụm lắp.

Kéo giãn, đôi khi gọi là phình hoặc dập nổi, kéo một vấu nổi lên khỏi mặt tấm, quanh lỗ hoặc bên cạnh lỗ. Vấu đó là một miếng chêm. Khi hai tấm đối mặt nhau với các vấu chạm vào nhau, chiều cao vấu quyết định khe hở giữa chúng, và khe hở đó chính là rãnh mà thanh dẫn cắm vào. Nó cũng đóng vai một cữ chặn cứng chống cắm quá sâu, nên thợ lắp không thể đẩy thanh vào sâu tới mức làm bẹp tấm cách điện pha nằm phía sau tấm nối. Kỹ thuật này đã cũ và được ghi chép đầy đủ: bằng sáng chế Hoa Kỳ 5760339 mô tả các vấu định khoảng được tạo hình từ chính phần vật liệu bị đẩy ra khi khoan lỗ, giữ khoảng cách giữa hai tấm và hạn chế độ sâu cắm vào đúng theo cách này. Tạo miếng chêm ngay từ bản thân tấm nối sẽ bớt được một chi tiết khỏi danh mục vật tư và bớt được một mắt xích cộng dồn khỏi chuỗi dung sai.

Cắt cắt tấm đã hoàn thiện ra khỏi dải. Vì dải được gia công liên tục và cắt sau cùng nên không có phần cắt thừa giữa các tấm.

Vì sao độ chính xác bước lỗ cộng dồn

Một máy chuyên làm tấm nối được đặc tả theo độ chính xác bước lỗ chứ không theo lực, và lý do là sai số tích lũy.

Xét trường hợp trong phạm vi một mối nối trước. Mọi tấm trong một khối mối nối đều dùng chung một bu lông. Nếu lỗ của một tấm lệch vị trí 0.3 mm thì tấm đó không thể vào tâm bu lông, nên các lông đền chén sẽ đặt tải lên nó lệch tâm. Điện trở tiếp xúc tại một mối bắt bu lông do diện tích tiếp xúc thực tại các đỉnh nhấp nhô bề mặt quyết định, và diện tích thực đó chỉ là một phần nhỏ của diện tích chồng lấn biểu kiến, còn diện tích thực ấy lại do cách phân bố áp lực quyết định. Làm lệch áp lực là bạn mất tiếp xúc ở một bên tấm nhanh hơn mức bạn giành thêm được ở bên kia. Mối nối vẫn lắp được, vẫn qua được phép kiểm tra thông mạch, và chạy nóng hơn các mối nối bên cạnh vài kelvin. Qua một tuổi thọ thiết kế tính bằng hàng chục năm chu kỳ tải, đó chính là cách các mối nối xuống cấp.

Bây giờ xét trường hợp dọc theo tuyến. Busway được định tuyến theo hình học công trình: tuyến bắt đầu từ một switchboard và kết thúc tại một điểm cố định, và tổng chiều dài mọi đoạn cộng mọi khe mối nối phải rơi đúng vào điểm đó. Một dải được gia công ở ±0.1 mm/m tích lũy nhiều nhất 0.6 mm từ đầu đến cuối trên chiều dài 6 m. Một cỗ máy chỉ giữ được ±0.5 mm/m tích lũy 3 mm trên cùng dải đó. Trên một tuyến 60 m dựng từ các đoạn 3 m thì có khoảng hai mươi mối nối. Nếu sai số mang tính hệ thống chứ không ngẫu nhiên thì tuyến trôi đi gấp hai mươi lần sai số của mỗi đoạn, cùng một chiều, và sai số máy thường đúng là mang tính hệ thống, bởi nó đến từ một vít me hay một encoder chứ không đến từ nhiễu. Sáu milimét trôi thì khe hở mối nối hấp thụ được. Ba mươi milimét thì không, và đoạn cuối cùng sẽ không lắp vừa.

Vậy lý do phải giữ tốt hơn ±0.1 mm/m là chuyện số học: nó giữ sai số tích lũy nằm trong đúng khe hở mối nối mà khối mối nối được thiết kế cho.

Lắp ráp: mối nối một bu lông

Các mối nối busway hiện đại là thiết kế một bu lông. Một bu lông cường độ cao xuyên qua cả chồng, từ tấm cách điện tới tấm nối tới thanh dẫn tới tấm nối tới tấm cách điện, pha này rồi pha khác, và một thao tác siết duy nhất nén mọi mặt tiếp xúc trong mối nối. Các con số đã công bố của những dòng busway ép sát cỡ lớn đặt lực kẹp của một bu lông đó trên 4,000 lbf, tức khoảng 18 kN, được trải ra trên các mặt tiếp xúc bằng những lông đền chén hình côn đường kính lớn. Trên khoảng 2,000 A thì cũng những dòng sản phẩm đó chuyển sang hai hoặc ba bu lông, mỗi bu lông cho một nhóm thanh dẫn, bởi một bu lông đơn không còn phân bố được áp lực đều trên thanh dẫn rộng hơn nữa.

Bu lông thường là loại đai ốc tự gãy hai đầu. Đầu ngoài được gia công để gãy đứt ở một mô men xác định, để lại đầu trong, nhờ đó một lượt đi kiểm tra dọc tuyến có thể xác nhận mọi mối nối trên tuyến đã được siết đúng mà không cần cờ lê lực và không cần hồ sơ hiệu chuẩn cho cái cờ lê đó. Một số thiết kế thêm một đĩa chỉ thị màu, rơi ra khi đầu bu lông gãy.

Chẳng điều nào trong số đó giúp được gì nếu các chi tiết đưa vào khối mối nối nằm ngoài dung sai. Khối mối nối giả định một thanh dẫn ở cao độ đã biết với lớp mạ đã biết, một tấm nối có lỗ ở vị trí đã biết và vấu nổi có chiều cao đã biết, cùng những bề mặt đủ phẳng để áp lực từ một bu lông tới được tất cả chúng.

Các tiêu chuẩn nằm ở đâu

Có hai tài liệu định khung cho busway trong phần lớn hồ sơ thầu, và chúng không chồng lấn nhau theo cách người ta vẫn tưởng.

UL 857 là tiêu chuẩn sản phẩm busway của Bắc Mỹ. Phạm vi của nó đến 600 V và 6,000 A, bao gồm busway đầu vào nguồn, busway trục chính và busway mạch nhánh. Việc đánh giá sự phù hợp là được liệt kê bởi một phòng thí nghiệm thử nghiệm được công nhận cấp quốc gia kèm kiểm tra nhà máy định kỳ sau đó, nghĩa là kết cấu đã được thử nghiệm chính là kết cấu bạn có nghĩa vụ tiếp tục sản xuất. NEMA BU 1 đứng cạnh nó với vai trò tiêu chuẩn sản phẩm và, cùng với BU 1.1, bao trùm việc bốc dỡ và lắp đặt busway từ 100 A trở lên.

IEC 61439-6

là phần về hệ thống thanh dẫn busway trong bộ IEC 61439. Hãy kiểm tra phạm vi của nó trước khi viện dẫn. Nó áp dụng cho hệ thống thanh dẫn busway đến 1,000 V AC hoặc 1,500 V DC và, khác với UL 857, nó không nêu trần dòng điện nào. Nó cũng không dùng riêng một mình được: nó được viết như một phần chênh lệch so với IEC 61439-1 và phải đọc kèm với tiêu chuẩn đó, đúng như cách của IEC 61439-2. Nó thay thế IEC 60439-2 và đưa busway vào cùng cấu trúc kiểm chứng mà phần còn lại của bộ tiêu chuẩn dùng: thử nghiệm, tính toán, hoặc so sánh với một thiết kế tham chiếu đã được kiểm chứng. Với một nhà chế tạo, hệ quả thực tế của con đường thứ ba là quy trình của bạn phải lặp lại được đủ tốt để những đơn vị sản phẩm bạn giao đi so sánh được với đơn vị đã được kiểm chứng. Nghĩa vụ đó rơi vào khâu sản xuất, không rơi vào người quản lý tài liệu.

Không tiêu chuẩn nào trong hai tiêu chuẩn đó nói cho bạn cách tạo hình một mối uốn lệch bậc. Cả hai đều biến hậu quả của việc tạo hình nó tồi thành vấn đề của bạn.

Tải của trung tâm dữ liệu đang làm gì với mối nối

Mối nối busway trước đây là một chuyện phụ dòng thấp trong một thiết kế phân phối. Điều đó đã đổi. Khi các tủ rack đi từ nền 5–15 kW lên những tủ tối ưu cho AI kéo 60, 80 rồi hơn 100 kW, các trị số định mức 400 A liên tục trở lên cho hộp rẽ nhánh và cho mối nối đã trở thành chuyện thường chứ không còn là ngoại lệ. Một mối nối sống cả đời ở 400 A thay vì 100 A tiêu tán công suất gấp mười sáu lần ở cùng một điện trở tiếp xúc, trong cùng một thể tích kín, với cùng tấm cách điện nằm ngay bên cạnh.

Điều đó thay đổi những gì một nhà chế tạo phải kiểm soát. Lớp mạ trên các mặt tiếp xúc thôi còn là một hạng mục bị cắt bỏ để giảm giá thành. Độ phẳng của tấm nối thôi còn là chuyện thẩm mỹ. Và biên độ tăng nhiệt vốn từng hấp thụ được một mối nối làm ẩu thì nay không còn nữa. Nếu bạn muốn thấy nhiệt độ thanh dẫn chạy theo dòng nhanh đến đâu ở một tiết diện cho trước, công cụ tính khả năng tải dòng của thanh cái làm cho quan hệ I²R trở nên cụ thể.