Copper for Busbars

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 และสามารถทำงานได้ที่อุณหภิที่กำหนดให้

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 เส้นที่มีภาคตัดขวางสี่เหลี่ยมผืนผ้า มีความหนาตั้งแต่ 0.5 มิลลิเมตรขึ้นไป และมีความกว้าง ไม่เกิน 160 มิลลิเมตร

หมายเหตุ:    เกณฑ์ความคลาดเคลื่อน และคุณสมบัติทางกลสำหรับขนาดที่ใหญ่กว่านี้ให้เป็นไปตามข้อตกลงระหว่างผู้ซื้อและผู้ทำ    

ประเภทของทอแดงแท่ง
      ทองแดงแท่งตามมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม แบ่งออกเป็น 3 ประเภทคือ                            
             1. ประเภทอบอ่อน ( Annealed )
             2. ประเภทกึ่งแข็ง ( Half-hard )                            
             3. ประเภทแข็ง ( Hard ) 

 รูปร่าง ขนาด และเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของทองแดงแท่ง

 

 

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 ให้เป็น
                      ที่ตกลงกันระหว่างผู้ซื้อกับผู้ทำ

                  2. ทองแดงที่มีเงินปนอยู่ ( Silver-bearing copper ) ตามปกติเงินอาจจะมีปริมาณอยู่ระหว่างร้อยละ 0.03 - 0.2  ของน้ำหนัก
                      ถ้าต้องการให้เงินเป็นโลหะเจือ ( Alloy element ) ผู้ซื้อควรระบุปริมาณเงิน
ที่ต้องการด้วย  

                  3. สารโวลาไทด์ ได้แก่ อาร์เซนิก พลวง บิสมัท คัดเมี่ยม มังกานีส เซเรเนียม เคลลูเรียม และสังกะสี  ซึ่งจะต้องไม่มีปริมาณของ
                      สารใดสารหนึ่งเกินร้อยละ 0.0025 ของน้ำหนัก นอกจากว่าจะได้ตกลงกัน
เป็นอย่างอื่นระหว่างผู้ซื้อกับผู้ทำ          

คุณลักษณะที่ดีของลวดทองแดงแท่ง ( Characteritics of copper Busbar )

1. ลักษณะภายนอก                    
    ต้องสะอาด ผิวเรียบ และปราศจากข้อบกพร่องที่มองเห็นได้ด้วยตา                    

2. สภาพต้านทานไฟฟ้าและสภาพนำไฟฟ้า                    
 

 

หมายเหตุ สภาพไฟฟ้านี้คิดเทียบเป็นร้อยละของทองแดงอบอ่อนมาตรฐานซึ่งกำหนดโดยคณะกรรมาธิการ เทคนิคไฟฟ้าระหว่างประเทศ  (Internation ElectrotechnicalCommission ) ว่าทองแดงมีสภาพ ต้านทานไฟฟ้าทางปริมาตรที่ 20 oC เท่ากับ 0.017241 โอห์มตารางมิลลิเมตรต่อเมตร ถือว่ามีสภาพ  นำไฟฟ้าร้อยละ 100 ( IEC 28 )

3. สมบัติทางกล                                
    3.1 ความต้านแรงดึง ( Tensile strength )                                
          ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นต้องมีความต้านทานแรงดึงตามที่กำหนด  สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese industrail standard ( JIS )                                

    3.2 การยืด ( Elongation )                                
          ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นต้องมีการยืดตามที่กำหนด  สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( 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 อ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese                                 
industrail standard ( JIS )                                

     3.4 การดัดโค้งด้านหนา                                
           ทองแดงแท่งประเภทอบอ่อนที่มีความหนาไม่เกิน 10 มิลลิเมตร และมีควมกว้างน้อยไม่เกิน 30 มิลลิเมตร เมื่อทดสอบ  การดัดโค้งด้านหนาตามวิธีที่กำหนด แล้วต้องไม่แตกหรือหัก  สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese  industrail standard ( JIS )     

 
          หมายเหตุ    *  So  คือ พื้นที่ภาคตัดขวาง                        

                             **    เฉพาะค่าเหล่านี้เป็นค่าการยืดในความยาวพิกัด 50 มิลลิเมตร                        

4. ความทนทานต่อความเปราะเพราะไฮโดรเจน ( Hydrogen embrittlement )                                
        ทองแดงแท่งและทองแดงเส้นที่ทำมาจากทองแดงสภาพนำไฟฟ้าสูงชนิดปราศจากออกซิเจน ต้องมีความทนทานต่อความเปราะเพราะไฮโดรเจน โดยไม่เกิดรอยแตกร้าวที่มองเห็นได้ด้วยตา สามารถอ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( 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 oC   มีดังนี้

 จากค่ามาตรฐานสองค่าแรก อาจคำนวนได้ว่า

 ทองแดงที่มีคุณสมบัติเท่ากับค่าเหล่านี้ถือว่ามีความนำไฟฟ้าเท่ากับ 100% ICAS

      สำหรับทองแดง HC สมัยใหม่สามารถผลิตให้มีค่าออกซิเจนที่ผสมอยู่ลดลง ความบริสุทธิ์มากขึ้นกว่าค่าที่กำ หนดให้ 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 อ้างอิงได้จากมาตรฐานผลิตภัณฑ์อุสาหกรรม ( มอก.มอก.408-2525 ) หรืออ้างอิงได้จากมาตรฐานของ Japanese industrail standard ( JIS )