Biselado y radio de canto en barra colectora

La barra colectora rectangular sale de laminación con las esquinas vivas y sale de la cizalla o de la punzonadora con una rebaba encima. La mayoría de los fabricantes matan esos cantos. Pregunte por qué y obtendrá respuestas variadas: lo pidió la gente del aislamiento, el plano dice R3, evita que los operarios se corten las manos. Las tres son válidas, y piden radios distintos.

El rango de trabajo en el sector va aproximadamente de R2 a R10 mm, elegido según las dimensiones de la barra, la clase de tensión y el entorno de instalación. Eso es una descripción de la práctica, no una prescripción normativa, y la distinción importa más de lo que parece.

Lo que dicen realmente las normas

Bastantes páginas de fabricantes de máquinas y de barra afirman que IEC 61439 «exige que las barras de cobre estén biseladas», y algunas van más allá y citan un mínimo de R3 para sistemas por encima de 800 V, atribuyéndolo conjuntamente a IEC 61439 y a UL 891.

Eso es falso, y conviene decirlo sin rodeos, porque hay ingenieros que lo han incorporado a sus propias especificaciones internas basándose en la entrada de blog de un proveedor.

IEC 61439-1 no nombra el radio de canto en ningún punto. Lo que hace es fijar prescripciones de distancias en el aire y de líneas de fuga, tomando su lógica de dimensionado de la coordinación de aislamiento de IEC 60664-1, y exigir después que el conjunto terminado supere un ensayo de tensión soportada. El radio de canto es uno de los medios de ingeniería para cumplir esas prescripciones. No es un requisito nombrado, y no existe número de apartado que citar al respecto. Lo mismo vale para UL 891.

No es una puntualización pedante. Si usted cree que el radio es obligatorio, aplicará un R3 indiscriminado a todo y dejará de pensar. Si lo entiende como un medio, aplicará R2 donde R2 basta, R8 donde tenga un problema de campo, y nada en absoluto donde la barra vaya estañada y atornillada en plano con 25 mm de aire a cada lado.

El problema de campo, en los términos de la propia norma

IEC 60664-1 es inusual entre las normas de seguridad porque reconoce directamente la geometría de los electrodos. El apartado 5.1.3 empieza diciendo que la forma y la disposición de las partes conductoras influyen en la homogeneidad del campo y, en consecuencia, en la distancia en el aire necesaria para soportar una tensión dada.

Después divide las tablas de distancias en el aire en dos casos.

El caso A es el campo no homogéneo. El modelo de peor caso que da la propia norma es un electrodo en punta con radio de 30 µm frente a un plano de 1 m × 1 m. Las distancias del caso A pueden emplearse con independencia de la forma de las partes conductoras y sin ningún ensayo de tensión soportada. Por eso son mayores.

El caso B es el campo homogéneo, definido como un campo con gradiente de tensión esencialmente constante, y el ejemplo ilustrativo son dos esferas de radio mayor que la separación entre ellas. Las distancias del caso B son menores. Solo se admiten allí donde la forma y la disposición de las partes conductoras se han diseñado para conseguir ese gradiente constante, y cualquier distancia menor que el valor del caso A tiene que verificarse mediante ensayo de tensión soportada.

Para una tensión soportada a impulsos asignada de 2.5 kV, la diferencia entre ambos casos es la diferencia entre unos 1.5 mm y unos 0.6 mm de aire. En un conjunto compacto donde la separación entre fases es la restricción que fija el ancho del armario, eso no es un error de redondeo.

Está además la nota adjunta a la tabla de distancias en régimen permanente: en condiciones de campo no homogéneo no es posible dimensionar sin descargas parciales. Por encima de unos 2.5 kV de pico, dice la norma, dimensionar según los valores de perforación puede no dar un funcionamiento libre de efecto corona, especialmente con campos no homogéneos, y hay que emplear distancias mayores o mejorar la distribución del campo.

Mejorar la distribución del campo es justo lo que hace un radio de canto. No como sustituto de la distancia en el aire, sino como lo que le permite usar la cifra menor, y como lo que le mantiene fuera de la descarga parcial continua con la misma separación geométrica.

Conviene señalar también que la línea de fuga no funciona así. La línea de fuga la fijan la tensión de trabajo, el grado de contaminación y el grupo de materiales, y redondear el cobre no acorta el recorrido de fuga exigido. A igual línea de fuga, entonces, el radio le compra un campo más uniforme y una posibilidad de acogerse a las distancias del caso B. No le compra nada en el recorrido superficial.

El efecto corona y por qué es un fallo lento

El aire se ioniza a unos 3 kV/mm a nivel del mar en campo uniforme. Una esquina de cobre a 90° con un canto matado nominal de 0.1 mm concentra el campo en un factor que depende de la geometría del entrehierro, pero la respuesta cualitativa es que el campo local en la esquina alcanza la ionización mucho antes que el campo medio a través del entrehierro.

El resultado es una descarga parcial: una perforación pequeña, localizada y autoextinguible que no llega a puentear el entrehierro. No dispara nada. El conjunto supera su ensayo de tensión soportada el primer día. Lo que ocurre, en cambio, es que la descarga produce ozono y óxidos de nitrógeno que, en presencia de humedad, atacan el aislamiento orgánico, y la propia descarga erosiona directamente las superficies poliméricas. El fallo llega unos años después como un fallo por trazado superficial que nadie sabe explicar a partir de los registros de puesta en servicio.

Este es el argumento a favor del radio en media tensión y en los sistemas más recientes de 800 V a 1500 V CC. No va del ensayo de tipo. Va de lo que el conjunto hace entre ensayos de tipo.

El aislamiento no puede doblar una esquina viva

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

Todos los métodos habituales de aislar barra fallan en una esquina viva, cada uno a su manera.

El tubo termorretráctil se contrae radialmente y no se adapta a una transición interior de 90°. Puentea la esquina. Bajo el puente queda un hueco de aire que recorre toda la longitud de la barra, situado justo en el punto de mayor campo. El tubo de pared gruesa para barra es además lo bastante grueso como para que un canto vivo lo corte o lo adelgace durante la retracción.

El encapsulado en polvo epoxi, aplicado electrostáticamente o en lecho fluidizado, sufre la misma retracción por tensión superficial que afecta a todo recubrimiento orgánico sobre un canto. La película se adelgaza justo donde más espesor hace falta.

La película de poliimida enrollada o laminada sobre una barra tiende un puente sobre la esquina en lugar de seguirla, y en servicio la tensión de la película se concentra en la esquina.

El sobremoldeo deja una sombra de flujo en la esquina y, al enfriarse, la contracción del polímero lo despega primero del detalle más agudo.

En los cuatro casos el defecto es el mismo: un hueco lleno de gas en el punto de mayor campo de la geometría. Es el peor sitio posible. En un hueco de permitividad relativa 1 embebido en un sólido de permitividad relativa en torno a 4, el campo en el hueco es varias veces el campo en el sólido circundante, mientras que la rigidez dieléctrica del gas es muy inferior a la del sólido. El hueco descarga primero, en cada ciclo, y la descarga erosiona la pared del hueco hasta que la pared desaparece.

Trabajos sobre aislamiento de barra impregnado en epoxi han seguido exactamente esta secuencia: la descarga parcial dentro de un defecto de burbuja descompone el epoxi, la presión del gas sube y la pared del hueco se fractura en cuanto la presión supera su tenacidad. El punto de inicio es el defecto, y el defecto está donde la geometría hizo imposible que el aislamiento se asentara.

Una esquina redondeada no mejora el aislamiento. Hace posible que el aislamiento sea tan bueno como lo es sobre la cara plana.

Retracción del recubrimiento en polvo y de la pintura en los cantos

El sector de los recubrimientos zanjó esta discusión hace décadas y puso una cifra por escrito.

Cuando se aplica un recubrimiento polimérico sobre un canto vivo, sea en polvo o líquido, la tensión superficial durante la extensión y el curado retira material del canto. El espesor de película seca en el canto puede bajar hasta una fracción del espesor en la zona plana contigua, y por eso la corrosión en el acero pintado empieza en los cantos y avanza hacia dentro, y no al revés.

ISO 8501-3 define tres grados de preparación para cantos, cordones de soldadura e imperfecciones superficiales. El grado P3, el más exigente, requiere que todos los cantos estén redondeados con un radio no inferior a 2 mm. ISO 12944-3

hace después obligatorio el P3 para durabilidad alta y muy alta en categoría de corrosividad C4 y superiores, y para las categorías de inmersión Im1 a Im4.

De ahí sale realmente un radio mínimo defendible de 2 mm, y sale de una norma de recubrimientos, no de una norma eléctrica. Si un cliente le pide justificar R2, cite ISO 8501-3, no IEC 61439.

Una salvedad, para no venderlo por encima de lo que es. Un estudio sistemático publicado en Progress in Organic Coatings midió el espesor de película seca sobre cantos redondeados de acero en cortes metalográficos pulidos y no encontró efecto estadísticamente significativo del radio de canto sobre el recubrimiento en los sistemas ensayados. Aquel trabajo se hizo sobre acero estructural y no sobre barra de cobre, y no invalida el mecanismo, pero recuerda que el proceso de redondeo y el sistema de recubrimiento pueden importar tanto como la cifra del radio. Redondear el canto es necesario. Por sí solo no es suficiente.

Bisel o radio

No son lo mismo y la diferencia merece dos minutos de reflexión en la fase de plano.

Un bisel es un chaflán plano. Un chaflán de 1 mm × 45° sustituye una esquina de 90° por dos esquinas de 135°. Elimina la rebaba, quita filo al riesgo de manipulación y ayuda algo al recubrimiento. Eléctricamente ayuda mucho menos de lo que se supone, porque siguen quedando dos discontinuidades en la superficie y el campo sigue concentrándose en ellas, solo que con menos severidad.

Un radio es un arco verdadero, tangente a ambas caras, sin discontinuidad alguna. Eso es lo que quiere el campo y lo que quieren el termorretráctil y el sobremoldeo.

Para seguridad en la manipulación y para una barra que va a ir atornillada y desnuda, un bisel está bien y es más rápido de producir. Para cualquier cosa que vaya aislada, encapsulada o funcione por encima de unos cientos de voltios con separación de fases ajustada, especifique un radio y dígalo en el plano, porque «bisel 1 mm» y «R1» se producirán con herramientas distintas y no se comportarán igual.

El coste en cobre

Redondear retira sección, y la sección es capacidad de corriente.

El área retirada en cada esquina es R²(1 − π/4), es decir, unos 0.215 R². En una barra de 100 × 10 mm y 1000 mm², cuatro esquinas a R5 retiran unos 21.5 mm², algo más del 2 %. Con R3 en una barra de 60 × 10 mm son en torno al 1.3 %. Un chaflán de 1 mm × 45° en esa misma barra de 100 × 10 retira 2 mm², el 0.2 %.

Un dos por ciento de conductor no es catastrófico, pero tampoco es nada en una barra dimensionada sin margen, y se suma a la reducción que usted ya asumió por envolvente y por agrupación. Si va justo de límite, pase la geometría por la calculadora de capacidad de corriente con y sin la pérdida de esquina antes de comprometerse con un radio grande en una barra muy cargada.

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

Un canto de cobre cizallado con una rebaba de 0.2 mm abre un guante de protección contra arco eléctrico. También abre una mano. La barra pesa, se manipula repetidamente durante el montaje y muchas veces se coloca en posición con el peso del montador detrás.

Esta es la razón por la que se especifica tratamiento de cantos en conjuntos donde no hay ningún argumento de concentración de campo, y es una razón perfectamente buena. Resulta además que es la que se mide, porque el consumo de guantes y los partes de primeros auxilios son cosas que un jefe de planta ya lleva controladas.

Producirlo de forma repetible

La razón de que el radio de canto en barra se trate como opcional en muchos talleres es que antes era una operación manual con lima o con amoladora recta, lo que la hacía inconsistente, lenta y desagradable.

Hay dos categorías de máquina que lo resuelven. El biselado emplea un husillo de fresado con herramienta de forma para cortar un chaflán o un radio definido a lo largo del canto de la barra, incluidos los cantos de los agujeros punzonados y los extremos. La biseladora EMAC-XT lleva un husillo BT40 hasta 6000 rpm con cambiador automático de seis posiciones, admite barra de 3 a 15 mm de espesor y de 30 a 230 mm de ancho, y mantiene ±0.05 mm en posicionamiento y repetibilidad. El cambiador de herramienta importa aquí: una herramienta de chaflán, una de radio y una de canto de agujero en el mismo programa significan que el operario no está de pie junto a la máquina cambiando pinzas entre detalles.

El desbarbado es una operación distinta con una finalidad distinta. Elimina la rebaba y deja un pequeño canto matado, no controlado, en todo, incluidos los cantos de los agujeros, en una sola pasada. La máquina de desbarbado BND800-2 admite barra de 0.5 a 50 mm de espesor y de 100 a 800 mm de ancho a 5 a 30 m/min. Ese caudal es lo que hace viable desbarbar todas las barras y no solo las que alguien marcó.

La distinción que conviene retener: el desbarbado deja la barra segura de manipular y quita el metal levantado que, si no, quedaría entre dos caras de contacto en una unión atornillada. No produce un radio controlado. Si un plano exige R3 y alguien pasa la barra por una línea de desbarbado y da la casilla por buena, el problema de aislamiento que usted intentaba resolver sigue ahí.