Biselado y radio de canto en barra colectora

Una barra colectora rectangular sale del molino con esquinas cuadradas y sale de la cizalla o la punzonadora con un rebaba encima de ellas. La mayoría de los fabricantes rompen esos cantos. Las razones varían: el aislamiento lo requiere, el plano especifica R3, o evita que los operadores se corten las manos. Las tres son válidas, y requieren diferentes radios.

El rango de trabajo en la industria es aproximadamente de R2 a R10 mm, seleccionado a partir de las dimensiones de la barra, la clase de tensión y el entorno de instalación. Esta es una descripción de la práctica, no un requisito normativo, y la distinción es más importante de lo que parece.

Lo que realmente dicen las normas

Varias páginas de proveedores de máquinas y barras colectoras afirman que IEC 61439 "requiere que las barras de cobre estén biseladas", y algunos van más allá y citan un mínimo de R3 para sistemas por encima de 800 V, atribuyéndolo conjuntamente a IEC 61439 y UL 891.

IEC 61439-1 no menciona el radio de borde en ningún lugar. Lo que hace es establecer los requisitos de distancia de cresta y superficial, tomando su lógica de dimensionado de IEC 60664-1 coordinación del aislamiento, y luego requiere que el conjunto terminado soporte una prueba de resistencia dieléctrica. El radio de borde es un medio de ingeniería para cumplir con esas disposiciones. No es un requisito específico, y no existe un número de cláusula que citar para ello. Lo mismo es cierto para UL 891.

La creencia de que el radio está mandatado lleva a una aplicación generalizada de R3 a todo y a la suspensión del análisis. La comprensión de que es un medio conduce a la aplicación de R2 donde R2 es suficiente, R8 donde existe un problema en el terreno, y nada en absoluto cuando la barra se va a estañar y atornillar plana con 25 mm de aire a cada lado.

El problema en el terreno, en los propios términos de la norma

IEC 60664-1 es inusual entre las normas de seguridad en que reconoce directamente la geometría del electrodo. La cláusula 5.1.3 comienza estableciendo que la forma y disposición de las partes conductoras influyen en la homogeneidad del campo y, en consecuencia, en la distancia de cresta necesaria para soportar una tensión determinada.

Luego divide las tablas de distancias de cresta en dos casos.

El Caso A es el campo inhomogéneo. El propio modelo de peor caso de la norma para él es un electrodo puntiforme con un radio de punta de 30 µm frente a un plano de 1 m × 1 m. Las distancias de cresta del Caso A pueden usarse independientemente de la forma de las partes conductoras, y sin ninguna prueba de resistencia a la tensión. Por eso son mayores.

El Caso B es el campo homogéneo, definido como un campo con un gradiente de tensión esencialmente constante, siendo el ejemplo ilustrativo dos esferas con un radio mayor que el espacio entre ellas. Las distancias de cresta del Caso B son menores. Solo se permiten cuando la forma y disposición de las partes conductoras se han diseñado para lograr ese gradiente constante, y cualquier distancia de cresta menor que el valor del Caso A debe verificarse mediante una prueba de resistencia a la tensión.

Para una resistencia de impulso nominal de 2.5 kV, la diferencia entre los dos casos es la diferencia entre aproximadamente 1.5 mm y aproximadamente 0.6 mm de aire. En un conjunto compacto donde la separación entre fases es la restricción determinante del ancho del armario, eso no es un error de redondeo.

Además, la nota adjunta a la tabla de distancias estáticas indica que el dimensionamiento sin descarga parcial no es posible bajo condiciones de campo inhomogéneo. Por encima de aproximadamente 2,5 kV pico, el estándar establece que el dimensionamiento a los valores de ruptura puede no garantizar una operación libre de corona, especialmente para campos inhomogéneos, y es necesario utilizar distancias mayores o mejorar la distribución del campo.

Mejorar la distribución del campo es precisamente lo que hace un radio de borde. No como sustituto de la distancia, sino como el mecanismo que permite usar el valor menor, y como el mecanismo que mantiene la inmunidad a descargas parciales continua a la misma separación geométrica.

La distancia de enlace no funciona de esta manera. La distancia de enlace se establece por el voltaje de trabajo, el grado de contaminación y el grupo del material, y el redondeo del cobre no acorta la trayectoria de enlace requerida. A igualdad de distancia de enlace, entonces, el radio proporciona un campo más uniforme y una oportunidad para la distancia del Caso B. No ofrece nada en la trayectoria superficial.

Corona, y por qué es una falla lenta

El aire se ioniza a aproximadamente 3 kV/mm a nivel del mar en un campo uniforme. Una esquina de cobre de 90° con un corte de borde nominal de 0,1 mm concentra el campo por un factor que depende de la geometría del vacío, pero la respuesta cualitativa es que el campo local en la esquina alcanza la ionización mucho antes que el campo promedio a través del vacío.

El resultado es una descarga parcial: una ruptura pequeña, localizada y autoextinguente que no cierra el vacío. No se activa ninguna protección. El conjunto pasa su prueba de resistencia el primer día. La descarga produce ozono y óxidos de nitrógeno, que en presencia de humedad atacan el aislamiento orgánico, y la descarga misma erosiona directamente las superficies de polímero. La falla llega algunos años más tarde como un fallo de seguimiento que no puede explicarse a partir de los registros de puesta en marcha.

Este es el argumento para el radio en los sistemas de media tensión y en los sistemas más nuevos de 800 V a 1500 V en corriente continua. No se trata de la prueba tipo. Se trata de lo que el conjunto está haciendo entre las pruebas tipo.

El aislamiento no puede girar una esquina afilada

El argumento mecánico es más concreto que el eléctrico y, para la mayoría de los constructores de tableros de baja tensión, más inmediatamente relevante.

Cada método común de aislamiento de barras colectoras falla en una esquina cuadrada de su manera particular.

El termorretráctil se encoge radialmente y no se ajusta en una transición interna de 90°. Salta la esquina. Debajo del salto queda un vacío de aire que recorre la longitud de la barra, situado exactamente en el punto de mayor campo. El tubo de pared gruesa para barras colectoras también es lo suficientemente grueso como para que un borde afilado lo corte o adelgace durante la recuperación.

La encapsulación en polvo de epoxi, aplicada electrostáticamente o por lecho fluidizado, sufre el mismo retroceso por tensión superficial que afecta a todo recubrimiento orgánico en un borde. La película se adelgaza donde más se necesita el espesor.

Una película de poliimida envuelta o laminada sobre una barra colectora se tiende sobre la esquina en lugar de seguirla, y la tensión en la película se concentra en la esquina durante el servicio.

El moldeo por sobreinyección deja una sombra de flujo en la esquina y, al enfriarse, la contracción del polímero lo aleja primero de la característica más aguda.

En los cuatro casos, el defecto es el mismo: un vacío lleno de gas en el punto de mayor campo eléctrico de la geometría. Ese es el peor lugar posible para él. En un vacío de permitividad relativa 1 incrustado en un sólido de permitividad relativa de aproximadamente 4, el campo en el vacío es varias veces mayor que el campo en el sólido circundante, mientras que la resistencia a la descarga eléctrica del gas es mucho menor que la del sólido. El vacío se descarga primero, en cada ciclo, y la descarga erosiona la pared del vacío hasta que esta desaparece.

El trabajo sobre el aislamiento de barras colectoras impregnadas con epoxi ha trazado exactamente esta secuencia: una descarga parcial dentro de un defecto en forma de burbuja descompone el epoxi, la presión del gas aumenta y la pared del vacío se fractura una vez que la presión supera su tenacidad. El sitio de iniciación es el defecto, y el defecto es donde la geometría hizo imposible que el aislamiento descansara uniformemente.

Un ángulo redondeado no mejora el aislamiento. Hace posible que el aislamiento sea tan bueno como lo es en la superficie plana.

Retirada de borde en pintura epoxi y recubrimiento en polvo

La industria del recubrimiento resolvió esta discusión hace décadas y estableció un valor numérico.

Cuando se aplica un recubrimiento polimérico a un borde agudo, ya sea en polvo o líquido, la tensión superficial durante el nivelado y el curado aleja el material del borde. El espesor seco de la película en el borde puede reducirse a una fracción del espesor en la superficie plana adyacente, razón por la cual la corrosión en el acero pintado comienza en los bordes y se extiende hacia el interior en lugar de hacerlo en sentido contrario.

ISO 8501-3 define tres grados de preparación para bordes, soldaduras e imperfecciones de superficie. El grado P3, el más minucioso, requiere que todos los bordes se redondeen con un radio no menor a 2 mm. ISO 12944-3

luego hace obligatorio el P3 para durabilidades altas y muy altas en categorías de corrosividad C4 y superiores, y para las categorías de inmersión Im1 a Im4.

Ese 2 mm es de donde proviene realmente un radio mínimo justificable, y proviene de una norma de recubrimientos en lugar de una eléctrica. Si un cliente solicita una justificación de R2, la referencia es ISO 8501-3, no IEC 61439.

Un estudio sistemático publicado en Progress in Organic Coatings midió el espesor seco de película sobre bordes redondeados de acero en secciones metalográficas pulidas y no encontró un efecto estadísticamente significativo del radio del borde en la cobertura del recubrimiento en los sistemas evaluados. Dicho estudio se realizó sobre acero estructural en lugar de barra colectora de cobre, y no invalida el mecanismo, pero es un recordatorio de que el proceso de redondeado y el sistema de recubrimiento pueden ser tan importantes como el valor del radio. Redondear el borde es necesario. No es suficiente por sí solo.

Chamfer o radio

No son lo mismo, y la diferencia merece dos minutos de reflexión en la etapa de diseño.

Un chaflán es un bisel plano. Un chaflán de 1 mm × 45° reemplaza un canto recto de 90° por dos esquinas de 135°. Elimina el rebaba, reduce el peligro de corte al manipular y ayuda ligeramente al recubrimiento. Eléctricamente ayuda mucho menos de lo que se suele asumir, ya que dos discontinuidades permanecen en la superficie y el campo se concentra en ellas igualmente, aunque con menor intensidad.

Un chaflán redondo es un arco verdadero, tangente a ambas caras, sin discontinuidad alguna. Eso es lo que el campo eléctrico necesita y lo que los tubos retráctiles y el sobremoldeado exigen.

Para la seguridad en la manipulación y para una barra que se va a atornillar y dejar sin recubrir, un chaflán plano es suficiente y es más rápido de producir. Para cualquier barra que vaya a ser aislada, encapsulada o a operar por encima de unos pocos cientos de voltios con espaciado de fase reducido, se debe especificar un chaflán redondo y indicarlo en el plano, ya que "chaflán 1 mm" y "R1" se producirán con herramientas diferentes y no tendrán el mismo comportamiento.

El costo en cobre

Redondear los cantos elimina sección, y la sección es capacidad ampérica.

El área eliminada en cada esquina es R²(1 − π/4), o aproximadamente 0.215 R². En una barra de 100 × 10 mm con una sección de 1000 mm², cuatro esquinas con R5 eliminan aproximadamente 21.5 mm², poco más del 2%. Con R3 en una barra de 60 × 10 mm, es alrededor del 1.3%. Un chaflán de 1 mm × 45° en la misma barra de 100 × 10 mm elimina 2 mm², o 0.2%.

Un dos por ciento del conductor no es catastrófico, pero tampoco es insignificativo en una barra dimensionada sin margen, y se suma a la reducción de capacidad ya aplicada por agrupamiento y confinamiento en cubículo. Si el diseño está cerca del límite, es prudente simular la geometría en la calculadora de capacidad ampérica de barras colectoras con y sin la pérdida en las esquinas antes de comprometerse con un radio grande en una barra muy cargada.

Manos, guantes y la razón por la que la mayoría de talleres lo hacen

Un borde de cobre cortado a cizalla con una rebaba de 0.2 mm rasgará un guante contra arco eléctrico. También rasgará una mano. La barra colectora es pesada, se manipula repetidamente durante el ensamblaje y a menudo se mueve a su posición con el peso del montador por detrás.

Esta es la razón por la que se especifica el tratamiento de bordes en ensamblajes donde no hay ningún argumento de concentración de campo, y es una razón completamente válida. También resulta ser la que se mide, porque el consumo de guantes y los registros de primeros auxilios son cosas que un jefe de planta ya controla.

Producción repetible

La razón por la que el radio de canto en la barra colectora se considera opcional en muchos talleres es que solía ser una operación manual con una lima o una rectificadora, lo que la hacía inconsistente, lenta y desagradable.

Dos categorías de máquinas lo abordan. La chaflanadora utiliza un husillo de fresadora con una herramienta conformada para cortar un chaflán o radio definido a lo largo del borde de la barra, incluyendo los bordes de los agujeros punzonados y a lo largo de los extremos. La chaflanadora EMAC-XT opera con un husillo BT40 a 6000 rpm, cuenta con un cambiador automático de herramientas de seis posiciones, trabaja con barras de 3 a 15 mm de espesor y 30 a 230 mm de ancho, y mantiene ±0.05 mm en posicionamiento y repetibilidad. El cambiador de herramientas es importante aquí: una herramienta de chaflanado, una herramienta conformada para radios y una herramienta para bordes de agujeros en el mismo programa significan que el operador no está parado en la máquina cambiando portabrocas entre características.

La desbarbatadora es una operación diferente con un propósito distinto. Elimina el rebaba y realiza un pequeño limado de borde no controlado en todo, incluyendo los bordes de los agujeros, en un solo paso. La desbarbatadora BND800-2 acepta barras de 0.5 a 50 mm de espesor y 100 a 800 mm de ancho a velocidades de 5 a 30 m/min. Esa productividad es lo que hace viable desbarrar cada barra en lugar de solo las que alguien ha señalado.

La distinción a recordar: la desbarbatada hace que la barra sea segura para manipular y elimina el metal elevado que, de otro modo, quedaría entre dos caras de contacto en una unión atornillada. No produce un radio controlado. Si un dibujo especifica R3 y la barra se procesa en una línea de desbarbatado, el problema de aislamiento que se está resolviendo sigue estando ahí.