ความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับลวดทองแดงแท่ง
(Copper for busbars )
ค่าว่า บัสบาร์ ( BUSBAR ) ทางวิศกรรมไฟฟ้า คำว่า บัส ( BUS ) ใช้เพื่ออธิบายจุดรวมของวงจรจำนวนมาก ซึ่งโดยทั่วไปจะหมายถึงจุดรวมที่มีวงจรไฟฟ้าจ่ายเข้าจำนวนน้อยและมีวงจร ไฟฟ้าจ่ายออกจำนวนมาก
สถานีไฟฟ้าหรือแผงสวิตซ์จ่ายไฟฟ้าของระบบไฟฟ้าปัจจุบันจะต้องสามารถรับและ จ่ายกระแสไฟฟ้าได้ ปริมาณมากกระแสไฟฟ้าปริมาณมากจะทำให้เกิดแรงแม่เหล็กไฟฟ้า ( Electromagnetic Force ) ขึ้นอย่างมหาศาล บัสบาร์ก็เหมือนอุปกรณ์ไฟฟ้าอื่นๆ จะต้องสามารถทนต่อแรงเหล่านี้ได้ ดังนั้นโลหะที่จะใช้เป็นบัสบาร์จะต้องมีคุณสมบัติ ทางไฟฟ้า ทางกลที่ดี และสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิที่กำหนดให้
โลหะที่จะนำมาใช้ป็นบัสบาร์ ควรมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้
1. มีความต้านทานต่ำ
2. ความแข็งแรงทางกลสูงในด้านแรงดึง แรงอัดและแรงฉีก
3. ความต้านทานต่อ Fatigue Failure สูง
4. ความต้านทานของ Surface Film ต่ำ
5. การตัดต่อหรือดัด ทำได้สะดวก
6. ความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูง
พิจารณาจากคุณสมบัติทั้งหมดนี้แล้วจะเห็นได้ว่าทองแดงเป็นโลหะที่เหมาะที่สุดสำหรับใช้เป็นบัสบาร์ และอลูมิเนียมเป็นโลหะที่เหมาะสมถัดไป
คุณสมบัติของทองแดงและอลูมิเนียมสามารถเปรียบเทียบได้ดังตารางต่อไปนี้
Typical relative properties of copper and aluminium
นิยาม
แท่ง ( Bar ) หมายถึง แท่งทองแดงที่มีพื้นที่หน้าเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีความหนาตั้งแต่ 0.5 มิลลิเมตรขึ้นไป และ มีความกว้าง ไม่เกิน 160 มิลลิเมตร
หมายเหตุ: เกณฑ์ความคลาดเคลื่อน และคุณสมบัติทางกลสำหรับขนาดที่ใหญ่กว่านี้ให้เป็นไปตามข้อตกลงระหว่างผู้ซื้อและผู้ทำ
ประเภทของทองแดงแท่ง
ทองแดงแท่งตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม แบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ
1. ประเภทอบอ่อน ( Annealed )
2. ประเภทกึ่งแข็ง ( Half-hard )
3. ประเภทแข็ง ( Hard )
วัสดุ
ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นต้องทำมาจากทองแดงสภาพนำไฟฟ้าสูง ( High conductivity copper ) ชนิดใดชนิดหนึ่ง ซึ่งมีส่วนประกอบทางเคมีตามตาราง ดังต่อไปนี้
1. ชนิดอิเล็กโตรลิติก ทัฟ พิตช์ ( Electrtolytic touch pitch )
2. ชนิดไฟร์-รีไฟร์ ทัฟ พิตช์ ( Fire-refined touch pitch )
3. ชนิดปราศจากออซิเจน ( Oxygen-free )
4. ชนิดปราศจากออซิเจนสำหรับการใช้งานพิเศษ ( Oxygen-free for spacial applications )
หมายเหตุ 1.ขีดจำกัดขั้นสูงของออกซิเจน คือ ร้อยละ 0.06 ของน้ำหนักการหล่อในแนวดิ่งและขีดจำกัด ขั้นสูง สำหรับสิ่งเจือปนอื่นๆ
ให้เป็นที่ตกลงกันระหว่างผู้ซื้อกับผู้ทำ
2.ทองแดงที่มีเงินปนอยู่ ( Silver-bearing copper ) ตามปกติเงินอาจจะมีปริมาณอยู่ระหว่างร้อยละ 0.03 - 0.2 ของน้ำหนัก
ถ้าต้องการให้เงินเป็นโลหะเจือ ( Alloy element ) ผู้ซื้อควรระบุปริมาณเงินที่ต้องการด้วย
3.สารโวลาไทด์ ได้แก่ อาร์เซนิก พลวง บิสมัท คัดเมี่ยม มังกานีส เซเรเนียม เคลลูเรียม และสังกะสี ซึ่งจะต้องไม่มีปริมาณของ
สารใดสารหนึ่งเกินร้อยละ 0.0025 ของน้ำหนัก นอกจากว่าจะได้ตกลงกันเป็นอย่างอื่นระหว่างผู้ซื้อกับผู้ทำ
คุณลักษณะที่ดีของลวดทองแดงแท่ง ( Characteritics of copper Busbar )
1. ลักษณะภายนอก
ต้องสะอาด ผิวเรียบ และปราศจากข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ด้วยตา
2. สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า
หมายเหตุ สภาพไฟฟ้านี้คิดเทียบเป็นร้อยละของทองแดงอบอ่อนมาตรฐานซึ่งกำหนดโดยคณะกรรมาธิการ เทคนิคไฟฟ้าระหว่างประเทศ (Internation ElectrotechnicalCommission ) ว่าทองแดงมีสภาพ ต้านทานไฟฟ้าทางปริมาตรที่ 20 °C เท่ากับ 0.017241 โอห์มตารางมิลลิเมตรต่อเมตร ถือว่ามีสภาพ นำไฟฟ้าร้อยละ 100 ( IEC 28 )
3. สมบัติทางกล
3.1 ความต้านแรงดึง ( Tensile strength )
ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นต้องมีความต้านทานแรงดึงตามที่กำหนด สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรือ อ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )
3.2 การยืด ( Elongation )
ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นต้องมีการยืดตามที่กำหนด สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )
หมายเหตุ ทองแดงแท่งที่มีความหนาน้อยกว่า 0.8 มิลลิเมตร และมีควมกว้างน้อยกว่า 12.5 มิลลิเมตร ไม่ต้องทดสอบการยืด
3.3 การดัดโค้งด้านกว้าง
ทองแดงที่มีความหนาไม่เกิน 10 มิลลิเมตร เมื่อทดสอบการดัดโค้งด้านกว้างตามวิธีที่กำหนด แล้วต้องไม่แตกหรือหัก สามารถ อ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )
3.4 การดัดโค้งด้านหนา
ทองแดงแท่งประเภทอบอ่อนที่มีความหนาไม่เกิน 10 มิลลิเมตร และมีควมกว้างน้อยไม่เกิน 30 มิลลิเมตร เมื่อทดสอบ การดัดโค้งด้านหนาตามวิธีที่กำหนด แล้วต้องไม่แตกหรือหัก สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )
หมายเหตุ * So คือ พื้นที่ภาคตัดขวาง
** เฉพาะค่าเหล่านี้เป็นค่าการยืดในความยาวพิกัด 50 มิลลิเมตร
4. ความทนทานต่อความเปราะเพราะไฮโดรเจน ( Hydrogen embrittlement )
ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นที่ทำมาจากทองแดงสภาพนำไฟฟ้าสูงชนิดปราศจากออกซิเจน ต้องมีความทนทานต่อความเปราะเพราะไฮโดรเจน โดยไม่เกิดรอยแตกร้าวที่มองเห็นได้ด้วยตา สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )
International Annealed Copper Standard ( IACS )
International Electrotechnical Commision ( IEC ) ได้กำหนดมาตรฐานสำหรับทองแดงการนำไฟฟ้าสูง ( High Conductivty Copper : HC Copper ) ตั้งแต่ปี 1913 และเรียกว่า International Annealed Copper Standard ( IACS ) คุณสมบัติของ IACS ที่อุณหภูมิ 20 °C มีดังนี้
จากค่ามาตรฐานสองค่าแรก อาจคำนวนได้ว่า
ทองแดงที่มีคุณสมบัติเท่ากับค่าเหล่านี้ถือว่ามีความนำไฟฟ้าเท่ากับ 100% ICAS
สำหรับทองแดง HC สมัยใหม่สามารถผลิตให้มีค่าออกซิเจนที่ผสมอยู่ลดลง ความบริสุทธิ์มากขึ้นกว่าค่าที่กำหนดให้ ซึ่งจะทำให้ค่าความนำไฟฟ้ามากกว่า 100% ICAS ได้
ทองแดงที่ใช้ในงานไฟฟ้าควรเป็นชนิที่มีความบริสุทธิ์ ( Purity ) สูง เนื่องจากความไม่บริสุทธิ์ในทองแดงจะมี ผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลและทางไฟฟ้า ความไม่บริสุทธิ์ที่มีผลต่อการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปริมาณและชนิดของธาตุ ที่เจือปนอยู่ในทองแดง เช่น การมีฟอสฟอรัส เพียง 0.04% ของน้ำหนักในทองแดงจะลดความนำไฟฟ้าลงเหลือเพียง 80% ICAS ระดับความไม่ความบริสุทธิ์ทั้งหมดซึ่งรวมทั้งออกซิเจนด้วยไม่ควรเกิน 0.1% ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์ขนาดนี้คือ ทองแดง ความนำไฟฟ้าสูง
( High Conductivity Copper หรือ HC Copper )
ผลของกระแสสลับในบัสบาร์
ความต้านทานปรากฎของตัวนำสำหรับไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีค่ามากกว่าไฟฟ้ากระแสตรงเสมอ สนามแม่เหล็ก สลับที่เกิดขึ้นจากไฟฟ้ากระแสสลับ จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ซึ่งจะทำให้การนำกระแสไฟฟ้าในตัวนำลดลง ในส่วนตรงของตัวนำ จะได้รับผลกระทบมากที่สุด เนื่องจากสนามแม่เหล็กมีค่าสูง และค่าสนามแม่เหล็กจะลดลงเมื่อเข้าใกล้ผิว แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่ถูกสร้างขึ้นนี้จะแปรค่าทั้งขนาดและเฟสตลอดพื้นที่หน้าตัดของตัวนำ โดยมีค่ามากที่สุดที่บริเวณ ตรงกลางตัวนำ และลดลงเมื่อเข้าใกล้ผิว ดังนั้นกระแสไฟฟ้าจึงมีค่ามากบริเวณที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำมีค่าน้อย คือที่บริเวณผิวของตัวนำ ทำให้เรียกปรากฎการณ์นี้ว่า Skin Effect หรือ Edge Effect
ผลของความหนาแน่นกระแสที่ไม่สม่ำเสมอในตัวนำทำให้ค่าความต้านทานปรากฎเพิ่มขึ้น
อัตราส่วนระหว่างความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับต่อความต้านทานกระแสตรงเรียกว่า Skin Effect Ratio นั่นคือ
ขนาดและความสำคัญของ Skin Efect จะเพิ่มขึ้นตามความถี่ ขนาด รูปร่าง และความหนาของตัวนำ แต่จะไม่ขึ้นกับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
เมื่ออุณหภูมิของตัวนำเพิ่มขึ้น ผลของ Skin Effect จะลดลง ทำให้การเพิ่มขึ้นของความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับน้อยกว่าที่ควรจะเป็น ผลของ Skin Effect ในทองแดง จะปรากฎชัดกว่าในอลูมิเนียมที่มีพื้นที่หน้าตัดเท่ากัน เนื่องจากทองแดงมีค่าความต้านทานจำเพาะต่ำกว่าท่อทองแดง
Skin Effect ในท่อตัวนำทองแดง เป็นฟังก์ชั่นของความหนาของผนังท่อ และอัตราส่วนระหว่างความหนากับเส้นผ่านศูนย์กลาง สำหรับพื้นที่หน้าตัดที่กำหนดให้ Skin Effect สามารถลดลงได้ โดยการเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูย์กลางและลดความหนาลง
บาร์ทองแดงสี่เหลี่ยม
Skin Effect ในบาร์ทองแดงสี่เหลี่ยม เป็นฟังก์ชั่นของความหนาและความกว้างของบาร์ สำหรับพื้นที่หน้าตัดที่เท่ากันของบาร์ขนาดใหญ่ Skin Effect ในบาร์ทองแดงสี่เหลี่ยมบางๆจะมีค่าน้อยกว่าในลวดตัวนำทองแดง แต่จะมีค่ามากกว่าในท่อทองแดงบาง เนื่องจาก Skin Effect ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนความกว้างต่อความหนาของบาร์
ค่า Skin Effect จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อความหนาเพิ่มขึ้น ดังนั้นแถบตัวนำทองแดงบางๆ จึงมีประสิทธิภาพในการนำ
กระแสไฟฟ้าสลับดีกว่าตัวนำที่หนากว่า
การต่อบัสบาร์ทองแดง
วิธีการต่อของบัสบาร์
ตัวนำที่นำมาต่อกันจะต้องมีความแข็งแรงทางกล และมีความต้านทานที่จุดต่อต่ำๆ และต้องคงค่าความต้านทาน ให้ต่ำตลอดอายุการใช้งานของจุดต่อ การต่อที่มีประสิทธิภาพของบัสบาร์ทองแดง สามารถทำได้โดยการใช้น็อต ( Bolting ) การจับยึด ( Clamping ) การใช้หมุด ( Riveting ) การบัดกรี ( Soldering ) หรือการเชื่อม ( Welding ) สองแบบแรกมีการใช้อย่างกว้างขวาง แต่การเชื่อมด้วยทองแดงก็มีการใช้มากขึ้น
- จุดต่อด้วยการเชื่อมบัสบาร์ทองแดง มีข้อดีคือ ความสามารถในการนำกระแสไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากจุดต่อเป็นตัวนำทองแดง อย่างต่อเนื่อง
- การใช้น็อต เป็นวิธีที่กระชับและเชื่อถือได้ แต่มีข้อเสียคือต้องเจาะรูลงไปในบาร์เพื่อใส่น็อต จะทำให้เกิดความผิดเพี้ยนในเส้นทางการนำกระแส จุดต่อแบบนี้จะทำให้เกิดแรงที่จุดสัมผัสไม่สม่ำเสมอ มากกว่าการใช้แผ่นจับยึด
- การใช้ตัวจับยึด สามารถทำได้ง่ายโดยพื้นที่หน้าตัดไม่เสียหาย มวลที่เพิ่มขึ้นจะช่วยในการระบายความร้อนที่จุดต่อ และการออกแบบตัวจับยึดที่ดีจะทำให้เกิดแรงแบบสม่ำเสมอที่จุดสัมผัส ข้อดีอื่นๆ คือง่ายต่อการติดตั้งส่วนข้อเสียคือราคาแพง
- การใช้หมุดยึด มีประสิทธิภาพสูง แต่มีข้อเสียคือถอดหรือทำให้แน่นได้ยาก และการติดตั้งทำไม่สะดวก
- การบัดกรีมีใช้น้อยมากสำหรับบัสบาร์ นอกจากต้องเสริมด้วยน็อตหรือตัวจับยึด เนื่องจากความร้อนจากการ ลัดวงจรจะทำให้เกิดสภาพทางไฟฟ้าและทางกลไม่ดี
หมายเหตุ : คุณลักษณะที่ดีของลวดทองแดงแท่งและทองแดงเส้น, สเป็คในการตรวจสอบต่างๆและข้อกำหนดของทองแดงแท่งและทองแดงเส้นที่กล่าวไว้ข้างต้น อ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม ( มอก.มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese Industrail Standard ( JIS )