Escalonado, abocardado y placa de unión: cómo se hace una unión de canalización

Casi todo lo que se publica sobre canalización prefabricada describe el sistema acabado: valores asignados, unidades de derivación, grado IP, secuencia de montaje. Muy poco describe cómo se forma realmente la unión, lo cual es curioso, porque la unión es la parte que un fabricante tiene que hacer y la parte que decide si el tendido supera un ensayo de calentamiento. Tres operaciones de conformado convierten el conductor en bruto en extremos de canalización: el escalonado, el abocardado y la placa de unión. Esto es lo que hace cada una y lo que exige de la máquina que la ejecuta.

El paquete tiene un paso en el tendido y otro distinto en la unión

La canalización tipo sándwich apila sus conductores cara contra cara con una película aislante fina entre ellos. Ese es todo el sentido de la construcción: separación mínima significa área de lazo mínima, lo que significa reactancia baja y caída de tensión baja incluso con mal factor de potencia. En un tendido de cuatro polos con barras de 6 mm y aislamiento de 0.5 mm, los centros de conductor quedan a unos 6.5 mm.

En la unión esa separación no puede mantenerse. Cada par de conductores tiene que quedar apretado entre dos placas conductoras, y el par de placas de cada fase tiene que separarse de la fase siguiente por un aislador lo bastante grueso para satisfacer las distancias en el aire y las líneas de fuga que el diseño declara. El paso entre conductores dentro de un bloque de unión es normalmente de tres a cuatro veces el paso del tendido. Los conductores tienen por tanto que separarse a medida que se acercan al extremo de unión, cada uno una cantidad distinta, y cada uno tiene que llegar a la altura exacta que el bloque de unión espera.

Ese desplazamiento es el escalonado. Son dos dobleces acoplados en el mismo sentido que trasladan la barra de su plano de tendido a su plano de unión dejando las dos caras paralelas. La barra A sube 9 mm, la barra B sube 3 mm, la barra C baja 3 mm y la barra D baja 9 mm. Las cifras dependen enteramente del bloque de unión, pero el patrón es simétrico respecto de la línea central del paquete y las caras extremas acaban todas en la referencia que define el bloque. Equivóquese medio milímetro en el desplazamiento de una barra y sus placas de unión entrarán torcidas, el paquete de arandelas Belleville cargará de forma desigual y esa fase funcionará más caliente que las otras tres durante toda la vida del tendido.

Fuerza de conformado del escalonado

El escalonado parece pequeño en un plano y no es pequeño en una prensa. Dos cosas gobiernan la fuerza. La primera es la sección: la fuerza en doblado escala con el ancho y con el cuadrado del espesor. La segunda se subestima con más frecuencia. Los dos dobleces de un escalonado quedan muy juntos, así que la abertura de matriz efectiva es corta, y un vano corto necesita una fuerza alta para una flecha dada, igual que una viga corta necesita más carga que una larga.

Una comprobación de orden de magnitud lo deja claro. Tome Cu-ETP de 300 mm × 6 mm en temple semiduro, R240/H065 según EN 13601, con resistencia a tracción de 240–300 N/mm². La capacidad a tracción de la sección completa de esa barra ronda los 480 kN. El doblado plástico local necesita una fracción de eso, pero no una fracción pequeña cuando la abertura de matriz es corta y el material está endurecido por deformación por el primer doblez antes de que empiece el segundo. Una máquina de conformado de canalización con 300 kN en la estación de escalonado, como la línea de canalización EMAC-BDM, está dimensionada exactamente para esto: desplazamientos repetidos en cobre ancho y duro sin que el carro flexe lo suficiente para cambiar el desplazamiento de una barra a la siguiente.

La recuperación elástica importa aquí tanto como en el doblado de barra corriente, y es más difícil de compensar. Un doblez único tiene un ángulo que corregir. Un escalonado tiene dos dobleces cuyas recuperaciones se cancelan parcialmente, y el residuo se expresa como error de desplazamiento en lugar de como error de ángulo, así que el operario ve una barra que encaja mal y no una barra que esté visiblemente en el ángulo equivocado. Por eso los desplazamientos de escalonado se fijan como cota programada contra un tope y no se retocan a ojo.

El abocardado es una entrada, no un segundo escalonado

El escalonado fija dónde se sitúa la barra. El abocardado es un doblez angular poco pronunciado en la punta misma del conductor, que se abre alejándose de la línea central de la unión, y su cometido es dejar que la barra encuentre su ranura. Montar en obra una unión de canalización significa deslizar los extremos desnudos del conductor de un tramo dentro del bloque ya montado en el tramo contiguo, en altura, sobre una plataforma elevadora y muchas veces en una postura incómoda. Sin una entrada cónica, la barra engancha en el canto de la placa de unión o en el aislador y el montador la fuerza, lo que raya el recubrimiento y mete viruta de cobre en la unión.

La terminología varía entre fabricantes. Algunos llaman abocardado a toda la operación de conformado del extremo, otros reservan abocardado para el cono de la punta y escalonado para el desplazamiento, y algunos catálogos de máquinas usan las dos palabras para la misma estación. Lo que importa en el taller es que los dos detalles tienen tolerancias distintas. El desplazamiento es una cota de montaje y tiene que mantenerse en unas décimas de milímetro. El ángulo de abocardado es un detalle de manipulación y un grado arriba o abajo no cambia nada, por lo que las máquinas que lo forman suelen hacerlo con un ángulo programable en lugar de con una herramienta dedicada. En la EMAC-BDM la carrera de abocardado es de 30 mm con el ángulo fijado en el programa, de modo que un cambio de bloque de unión no supone un cambio de utillaje.

Una consecuencia para la planificación de producción: como el conductor se corta a medida y se conforma en el mismo amarre, la referencia de longitud y la referencia de desplazamiento son la misma. Si el corte y el conformado se hacen en máquinas distintas con utillajes distintos, cada trasiego añade un error de acumulación a una cota que no tiene ninguna holgura.

Placas de unión y la secuencia de punzonado, estirado y corte

La placa de unión (placa de empalme, placa de conexión o barra de unión, según de quién sea el plano que esté leyendo) es la tira conductora que puentea el hueco entre dos conductores enfrentados y lleva la corriente a través de la unión. En una unión a tope lleva toda la corriente de fase a lo largo del solape, lo que convierte su sección, su recubrimiento y su planitud en parámetros eléctricos y no mecánicos.

El material es normalmente la misma aleación que el conductor, Cu-ETP en sistemas de cobre, con menos espesor: de 3 a 4.5 mm es la banda habitual, frente a 5 a 10 mm del propio conductor. Los sistemas de aluminio usan placas de aluminio por la misma razón. Una placa de cobre sobre una barra de aluminio coloca un par de metales distintos en la parte más caliente y menos accesible del tendido.

La secuencia de conformado en una máquina específica de placas de unión es punzonar, estirar y cortar. La operación intermedia lleva más intención de diseño de lo que su nombre sugiere.

Punzonar hace el agujero de paso del tornillo a través de la tira. Trabajo de punzonado corriente, salvo que la posición del agujero es el único elemento autoposicionante de la unión, así que su tolerancia es la tolerancia de todo el conjunto.

Estirar, a veces llamado abombado o estampado, saca un resalte en relieve de la placa alrededor del agujero o junto a él. Ese resalte es un separador. Cuando dos placas se enfrentan con sus resaltes en contacto, la altura del resalte fija la separación entre ambas, y esa separación es la ranura en la que entra el conductor. Actúa además como tope duro frente a una inserción excesiva, de modo que un montador no puede meter una barra tan adentro como para aplastar el aislador de fase que hay detrás de la placa. La técnica es antigua y está bien documentada: la patente estadounidense 5760339 describe lengüetas separadoras formadas con el material desplazado al hacer el agujero, que mantienen la separación entre placas y limitan la profundidad de inserción exactamente de esta manera. Formar el separador con la propia placa elimina una pieza de la lista de materiales y elimina una acumulación más de la cadena de tolerancias.

Cortar cizalla la placa acabada separándola de la tira. Como la tira se procesa de forma continua y se cizalla al final, no hay recorte entre placas.

Por qué se acumula el error del paso entre agujeros

Una máquina específica de placas de unión se especifica por precisión del paso entre agujeros y no por fuerza, y la razón es el error acumulado.

Tomemos primero el caso dentro de la unión. Todas las placas de un bloque de unión comparten un mismo tornillo. Si el agujero de una placa queda 0.3 mm fuera de posición, esa placa no puede centrarse en el tornillo, así que las arandelas Belleville la cargan de forma excéntrica. La resistencia de contacto en una unión atornillada la fija el área real de contacto en las puntas de las rugosidades, que es una fracción pequeña del área aparente de solape, y esa área real la fija cómo se distribuye la presión. Descentre la presión y perderá contacto en un lado de la placa más deprisa de lo que lo gana en el otro. La unión se monta igual, sigue pasando una comprobación de continuidad y funciona unos kelvin más caliente que sus vecinas. A lo largo de una vida de diseño medida en décadas de ciclado de carga, así es como se degradan las uniones.

Ahora el caso a lo largo del tendido. La canalización se replantea contra la geometría del edificio: el tendido empieza en un cuadro y termina en un punto fijo, y la suma de todas las longitudes de tramo más todos los huecos de unión tiene que caer en ese punto. Una tira procesada a ±0.1 mm/m acumula como mucho 0.6 mm de extremo a extremo en una longitud de 6 m. Una máquina que mantiene ±0.5 mm/m acumula 3 mm en la misma tira. En un tendido de 60 m construido con tramos de 3 m, eso son unas veinte uniones. Si el error es sistemático y no aleatorio, el tendido deriva veinte veces el error por tramo en el mismo sentido, y el error de máquina suele ser sistemático, porque viene de un husillo o de un encóder y no de ruido. Seis milímetros de deriva los absorbe la holgura de la unión. Treinta no, y el último tramo no encaja.

Así que la razón para mantenerse por debajo de ±0.1 mm/m es aritmética: mantiene el error acumulado dentro de la holgura de unión con la que se diseñó el bloque.

Montaje: la unión de un solo tornillo

Las uniones de canalización modernas son de un solo tornillo. Un tornillo de alta resistencia atraviesa todo el paquete —aislador, placa, conductor, placa, aislador, fase tras fase— y una sola operación de apriete comprime todas las interfaces de contacto de la unión. Las cifras publicadas de gamas grandes de canalización tipo sándwich sitúan la fuerza de apriete de ese único tornillo por encima de 4,000 lbf, unos 18 kN, repartida entre las caras de contacto por arandelas cónicas de muelle de gran diámetro. Por encima de unos 2,000 A esas mismas gamas pasan a dos o tres tornillos, uno por grupo de conductores, porque un solo tornillo ya no puede distribuir la presión de manera uniforme sobre el conductor más ancho.

El tornillo suele ser de doble cabeza con rotura por par. La cabeza exterior está mecanizada para romper a un par definido y dejar detrás la cabeza interior, de modo que una inspección recorriendo el tendido puede confirmar que todas las uniones se apretaron correctamente sin llave dinamométrica y sin un registro de calibración de esa llave. Algunos diseños añaden un disco indicador de color que cae cuando la cabeza rompe.

Nada de eso ayuda si las piezas que alimentan el bloque están fuera de tolerancia. El bloque de unión da por supuestos un conductor a una altura conocida y con un acabado de recubrimiento conocido, una placa de unión con el agujero en una posición conocida y un resalte de altura conocida, y unas caras lo bastante planas para que la presión de un solo tornillo llegue a todas.

Dónde se sitúan las normas

Dos documentos enmarcan la canalización en la mayoría de las licitaciones, y no se solapan como la gente supone.

UL 857 es la norma de producto norteamericana para canalización. Su alcance llega a 600 V y 6,000 A y cubre canalización de acometida, de alimentación y de circuito derivado. La conformidad es por listado NRTL con inspección de seguimiento en fábrica, lo que significa que la construcción que se ensayó es la construcción que usted está obligado a seguir fabricando. NEMA BU 1 se sitúa a su lado como norma de producto y, junto con BU 1.1, cubre la manipulación y la instalación de canalización de 100 A en adelante.

IEC 61439-6

es la parte de canalización de barras de la serie IEC 61439. Compruebe su alcance antes de citarla. Se aplica a sistemas de canalización de barras hasta 1,000 V CA o 1,500 V CC y, a diferencia de UL 857, no fija ningún techo de corriente. Tampoco puede usarse sola: está escrita como diferencia respecto de IEC 61439-1 y hay que leerla con ella, igual que IEC 61439-2. Sustituyó a IEC 60439-2 y llevó la canalización a la estructura de verificación que usa el resto de la serie: ensayo, cálculo o comparación con un diseño de referencia verificado. Para un fabricante, la consecuencia práctica de esa tercera vía es que su proceso tiene que ser lo bastante repetible como para que las unidades que expide sean comparables con la que se verificó. La obligación aterriza en fabricación, no en el responsable de documentación.

Ninguna de las dos normas le dice cómo formar un escalonado. Las dos hacen que las consecuencias de formarlo mal sean problema suyo.

Qué está haciendo la carga de los centros de datos con la unión

Las uniones de canalización solían ser un asunto secundario y de poca corriente en un diseño de distribución. Eso ha cambiado. A medida que los racks pasan de una base de 5–15 kW a armarios optimizados para IA que consumen 60, 80 y más de 100 kW, las corrientes asignadas de derivación y de unión de 400 A permanentes y más se han vuelto ordinarias en lugar de excepcionales. Una unión que pasa su vida a 400 A en lugar de a 100 A disipa dieciséis veces la potencia para la misma resistencia de contacto, en el mismo volumen cerrado y con el mismo aislador al lado.

Eso cambia lo que un fabricante tiene que controlar. El recubrimiento de las caras de contacto deja de ser una partida que se elimina para recortar costes. La planitud de la placa de unión deja de ser cosmética. Y el margen de calentamiento que antes absorbía una unión descuidada ya no está. Si quiere ver con qué rapidez se mueve la temperatura del conductor con la corriente para una sección dada, la calculadora de capacidad de corriente hace concreta la relación I²R.