¿Cómo puedo garantizar contactos a tierra de baja resistencia en una caja de aluminio?

Estoy construyendo un proyecto de electrónica con una caja de aluminio. Necesito ponerlo a tierra, y muy bien, por seguridad humana. (El sistema maneja 300 A de corriente, y quiero estar seguro de que si hay una falla interna en la unidad que hace que un panel del gabinete se energice, se quemará un fusible en lugar de que el panel se vuelva letal al tocarlo).

Por supuesto, el aluminio forma una capa de óxido de aluminio de 4 nm dentro de los 100 picosegundos de contacto con el aire , y el óxido de aluminio es un aislante eléctrico con una resistividad de 1x10^14 Ω·cm .

Ponerlos juntos significa que hay una resistencia de 31,5 megaohmios entre una pieza de aluminio y un disco conductor de 0,5" (como una arandela de metal) en perfecto contacto con él si la capa de óxido de aluminio está intacta.

Sé que (por ejemplo) apretar mecánicamente las cosas, particularmente usando una arandela de seguridad con dientes, puede penetrar fácilmente la capa de óxido de aluminio, pero estoy buscando especificaciones de la industria o las mejores prácticas para elegir arandelas y apretar los conectores para garantizar que esto suceda. Es posible que también sea necesario quitar y reemplazar estos conectores a tierra cuando se realiza el mantenimiento del equipo, y quiero proporcionar especificaciones para reinstalarlos para asegurarme de que esto se haga correctamente para garantizar que se perfore la capa de óxido de aluminio y se mantenga la conductividad.

Como ejemplo, me gustaría poder escribir en el manual de reparación, con cálculos basados ​​en las fuentes que puedo citar, algo como "reemplace la arandela de seguridad por una nueva, número de pieza XXXXX, luego apriete el perno a YYYY Newton metros de torque, lo que garantizará una resistencia eléctrica al gabinete de menos de 2,5 mΩ. Verifique esto tomando una medición de resistencia de cuatro puntos entre los puntos de prueba 17 y 29, que debe ser de 5,0 mΩ o menos".

También estaría interesado en cosas tales como grasas conductoras, que podría poner en pernos autorroscantes, que podrían funcionar particularmente bien en aluminio para evitar la formación de la capa de óxido, y luego podrían dejarse en su lugar.

¿Alguien puede ofrecer algunos consejos sobre los recursos que podría usar para aprender las mejores prácticas para trabajar con aluminio como conductor, y que podría usar para desarrollar un conjunto de pautas para la reparación y reelaboración de conductores eléctricos en contacto con aluminio?

No puede responder con la autoridad que necesita y desea. Pero la idea del semental suena prometedora. Si el montante también tiene una especie de hombro, en realidad podría servir como punto de contacto para lo que sea que esté asegurando. Entonces, tiene un conductor en contacto directo con un perno que no es de aluminio y un perno en contacto con el chasis de aluminio.
¿Podría soldar protuberancias de acero al gabinete?
Al pintar aluminio, existe una técnica en la que aplica su imprimación a base de epoxi y luego la lija mientras está húmeda. Este lijado húmedo atraviesa la capa de óxido, pero como el epoxi está allí, no puede volver a formarse. No sé si eso es un cuento de viejas o no. Pero si pone algún tipo de grasa conductora o simplemente adhesivo simple en un tornillo autorroscante, parece que haría un buen contacto y la capa de óxido nunca sería un problema.
@IgnacioVazquez-Abrams: el gabinete está compuesto por seis piezas separadas que deben conectarse a tierra y, lamentablemente, actualmente no tenemos pasos de soldadura en nuestro proceso de producción, por lo que puede tener un costo prohibitivo. Pero, aparte del tema del costo, sin duda es una opción a considerar.
No se necesita mucho esfuerzo para romper la capa de óxido (porque es muy delgada), para probarlo, coloque una moneda sobre el metal y presione ligeramente con una sonda multimétrica, mida la resistencia del aluminio con la otra sonda, usted no necesitará presionar con fuerza para obtener un buen contacto, he visto muchas fuentes de alimentación con carcasa de aluminio donde es solo un tornillo apretado a prueba de sacudidas en el chasis, parece funcionar bastante bien.
@mkeith: la idea del hombro es buena, y seguramente haremos algo así si vamos con los postes. En cuanto al pensamiento de epoxi/lijado en húmedo, si hay una grasa conductora en el mercado que enumere dicho procedimiento en sus casos de uso, ¡estaría por todas partes! O, más precisamente, estaría sobre mis tachuelas. :-)
Encontré esto, para lo que sea que valga: henkel-adhesives.com/…
@Tom: no estoy en desacuerdo. Si pudiera encontrar una fuente autorizada que diga exactamente eso, consideraría esto resuelto y seguiría adelante. Quizás el NEC menciona algo al respecto. Me he esforzado mucho por evitar confiar en cualquier investigación original para los problemas de diseño de seguridad, ya que hay muchos factores que son fáciles de pasar por alto.
lo que debe preguntarse no es "¿existe un estándar para esto?" sino "¿cómo se hace esto en otros sistemas compatibles?" porque si un producto ha pasado las pruebas de cumplimiento, entonces su método ha sido aprobado, después de haber leído más de unos pocos manuales de reparación, puedo decir que todavía tengo que ver una sección que detalle los cálculos citables sobre el par del perno de conexión a tierra. Probablemente porque cualquier cosa más que apretar con los dedos le dará un excelente contacto y, a menos que esté construyendo una plantilla de prueba para probar interruptores industriales de impulso (impulso de 80 kA), no hay mucho que pasar por alto, apriete el perno, verifique la continuidad.
@Tom Es un sistema que maneja 300 amperios de corriente. Quiero asegurarme de que todos los paneles de la carcasa externa estén correctamente conectados a tierra, de modo que si uno se cortocircuitara con algo debido a una falla interna, se quemaría un fusible en lugar de que un panel se energice y se vuelva potencialmente letal al tocarlo.
No creo que encuentre mucha literatura sobre esto, ya que no puedo ver muchos problemas potenciales, incluso si estuviera anodizado (lo que espesaría la capa de óxido), no es difícil romperlo, 4 nm son solo alrededor de 30 átomos (Al atomic radio 143pm), eso lo vas a poder atravesar con la uña, el óxido no va a ofrecer mucha resistencia hasta que tenga varias micras de espesor. De la misma manera que no ve pautas sobre a qué temperatura soldar los cables de alimentación para obtener la máxima conductancia, esto no es algo de lo que deba preocuparse, averigüe cuál es el nivel de par ajustado y utilícelo si lo desea.
Bueno, ahora sé que su sistema necesita manejar 300 A, es un poco diferente, pero no mucho, un área de contacto grande, 5-15 Nm debería ser suficiente, la mayoría de las superficies serán atómicamente ásperas y esto romperá la capa de óxido cuando tensas los pernos. Si todavía está preocupado, agregue algunos pernos más (la redundancia es el nombre del juego), pruébelo y/o hable con su regulador eléctrico apropiado, ce, rcm, ul, etc. Es posible que puedan darle un buen consejo. ya que ellos son los que deciden lo que es seguro
@Tom: verificar con UL y CE es una muy buena idea. No estoy seguro de cuánto podría costar eso, pero lo consideraré como una vía para encontrar una respuesta a esto. (También edité mi pregunta para mencionar la corriente involucrada, en caso de que afecte las respuestas futuras).
Podrían dar consejos gratis. Tenga en cuenta que, incluso a 100 miliohmios, 300 A caerán unos 30 V, lo que no es letal pero sigue siendo un poco alto para condiciones de falla. lo más importante es si su conexión puede manejar la corriente de falla completa que puede exceder fácilmente la corriente de funcionamiento (los interruptores automáticos de 3kA se prueban con una falla de 80kA), siempre que tenga una barra de 1" por 1/4" ( mi soldadora por puntos 3000A tiene pernos de 4 1/2" en una barra de 1") firmemente atornillados con varios pernos de 3/8" o más grandes, sería difícil obtener voltajes peligrosos en el chasis.
@Tom: estoy de acuerdo con todo eso. Principalmente espero encontrar algunas pautas formales en alguna parte. Pensando en cosas como en el futuro, también, después de años de expansión y contracción térmica de los pernos a un ritmo diferente al del aluminio, y la posibilidad de que abra un espacio de unos pocos nanómetros que permita que se forme una capa de óxido entre ese barra y el recinto. (Sé que la expansión/contracción térmica y el uso de metales diferentes fue la causa de muchos incendios domésticos en los días del cableado de aluminio).
Todo lo que puedo decir es: use muchos pernos bien tensados ​​y tenga múltiples puntos de contacto, cuanto más, mejor
Este es un requisito normal del equipo de aviónica. Sugeriría mirar MIL-HBK-419A.
@PeterSmith: esa es una referencia fantástica . Incluye menciones de torque (al menos 40 pulgadas libras, 4,5 Newton metros, solo para romper inicialmente la capa de oxidación), así como diagramas detallados de cómo se debe configurar exactamente dicha conexión (de arriba a abajo: perno de aluminio, arandela de acero, arandela de seguridad de acero, conector terminal, arandela de aluminio, estructura de aluminio, arandela de aluminio, contratuerca de acero), y menciones de problemas tales como corrosión galvánica y tipos de selladores, etc. Me llevará un tiempo revisarlo todo, ¡pero tengo muchas esperanzas!

Respuestas (3)

Voy a elaborar un poco para que esto se convierta en una respuesta.

El equipo de aviónica típico tiene un requisito de enlace típico de 2,5 a 5 metro Ω alrededor de un chasis. Existen diferentes clases de unión y puesta a tierra con su propio conjunto de requisitos, según la amenaza y la aplicación.

Hay una excelente encuesta de la NASA sobre los métodos utilizados a lo largo de los años y la razón detrás de ellos.

Como ya se señaló, MIL-HDBK-419A Volumen 1 y Volumen 2 contienen una gran cantidad de asistencia para la aplicación.

En cuanto a la oxidación, es habitual utilizar un recubrimiento de conversión química para evitar que el aluminio se oxide tanto en aviones como a bordo de barcos; esto tiene la ventaja de reducir los artefactos de corrosión en general, ya que una cara acoplada podría ser del mismo metal que el nuevo revestimiento.

Tenga en cuenta que la corrosión galvánica (también conocida como corrosión de metales disímiles) puede ser un problema importante en las aeronaves, y buscamos minimizarla (o eliminarla) ya que agrega costos al operador del sistema porque la corrosión galvánica eventualmente requerirá reparaciones .

No siempre es evidente que una gran cantidad de asistencia puede estar disponible para este tipo de problema, a menos que esté (o haya estado) en una de las industrias que lo requieren.

Hay arandelas especializadas diseñadas para producir conexiones herméticas al gas a través de capas de anodización. http://www.we-llc.com/docs/librariesprovider3/default-document-library/code-obediente-weeb-info-for-inspectors.pdf?sfvrsn=0

Me sentiría tentado a anodizar la carcasa, ya que no estoy seguro de que la capa de óxido de aluminio sea equivalente a la anodización. Estoy seguro de que los fabricantes de las lavadoras WEEB podrían decírtelo.

También puede probar la soldadura por descarga capacitiva o la soldadura por arco corto que se emplea actualmente para cajas eléctricas de acero y se puede hacer también en aluminio. Este es un sistema muy rápido y seguro. Generalmente quien construye cajas para electrónica podría hacer esto, pregúntale. Recuerde también que la alúmina es muy frágil y el aluminio es muy blando, por lo que cuando aprieta un perno, la presión local rompe la capa y hace un buen contacto con el metal base.

¿Cómo puedo garantizar contactos a tierra de baja resistencia en una caja de aluminio?
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