Verificación del calentamiento según IEC 61439, vía por vía

La verificación del calentamiento es donde la calidad de fabricación de la barra colectora se convierte en un hallazgo de auditoría. Todo lo demás en la verificación de diseño de un conjunto puede zanjarlo sobre el papel alguien que no ha tocado nunca el cobre. Esto no, porque la cifra que se verifica la producen unas uniones que un montador hizo con una llave dinamométrica.

La mayor parte de la orientación publicada se queda en nombrar las tres vías. Las partes que deciden si un proyecto sale adelante son las condiciones de contorno de cada vía, qué multiplica realmente el factor de diversidad asignado y qué variables de fabricación mueven el resultado. Las referencias a apartados de más abajo son a IEC 61439-1

Las tres vías

El apartado 10.10.1 las enumera con claridad. La verificación se hará por una o varias de las siguientes:

a) Ensayo, apartado 10.10.2. Un conjunto físico, cargado, en un laboratorio acreditado.

b) Deducción de características asignadas para variantes similares a partir de un diseño ensayado, apartado 10.10.3. La vía de comparación: usted ya tiene una disposición ensayada y está asignando características a variantes de ella conforme a reglas declaradas.

c) Cálculo, por dos métodos separados con dos techos de corriente distintos. El apartado 10.10.4.2 cubre un conjunto de un solo compartimento que no supere 630 A; el apartado 10.10.4.3 cubre un conjunto que no supere 1600 A empleando el método de IEC TR 60890.

Por encima de las tres hay dos restricciones. Todas las vías están limitadas a frecuencias asignadas de hasta 60 Hz inclusive para los métodos de cálculo y, para conjuntos con frecuencia asignada superior a 60 Hz, el apartado 10.10.1 exige verificación por ensayo o por deducción a partir de un diseño ensayado a la misma frecuencia. La combinación está permitida y es normal: un conjunto de varias secciones puede tener secciones distintas verificadas por vías distintas.

La vía c) en detalle, porque es la que lleva la letra pequeña

La vía de cálculo es a la que recurre la mayoría de los fabricantes, porque no necesita laboratorio. Es también la que lleva las condiciones que con más frecuencia descalifican un proyecto después de congelar el diseño.

El método de 630 A (10.10.4.2)

Un balance de pérdidas de potencia. La pérdida total de potencia de los componentes y conductores dentro de la envolvente se compara con la capacidad de la envolvente para disiparla sin que el aire interior supere la temperatura máxima de funcionamiento de ningún aparato. Rápido, conservador y estrecho.

Condiciones, todas las cuales deben cumplirse:

• Los datos de pérdida de potencia de todos los componentes integrados están disponibles a través del fabricante del componente.
• Las pérdidas de potencia están distribuidas de forma aproximadamente uniforme dentro de la envolvente.
• La corriente asignada de cada circuito no supera el 80 % de la corriente térmica convencional al aire libre asignada (Ith), o de la corriente asignada (In), de los aparatos de maniobra y componentes de ese circuito.
• Las partes mecánicas y el equipo instalado no impiden de forma significativa la circulación de aire.
• Los conductores que llevan más de 200 A, y las partes estructurales contiguas, están dispuestos de modo que se minimicen las pérdidas por corrientes de Foucault e histéresis.
• Todos los conductores tienen una sección mínima basada en el 125 % de la corriente asignada admisible del circuito asociado.
• Se conoce el calentamiento de la envolvente en función de la pérdida de potencia instalada, ya sea a través del fabricante de la envolvente, por ensayo según 10.10.4.2.2, o a través del fabricante del equipo de refrigeración cuando haya refrigeración activa.

El método de 1600 A (10.10.4.3)

La misma desclasificación al 80 % y la misma regla del 125 % para conductores, con el calentamiento en sí determinado por el método de IEC TR 60890 en lugar de por un simple balance de pérdidas. Añade dos condiciones geométricas que pillan a los diseños de varios compartimentos:

• No hay más de tres tabiques horizontales en el conjunto o en la sección que se evalúa.
• En envolventes con compartimentos y ventilación natural, la sección de las aberturas de ventilación de cada tabique horizontal es al menos el 50 % de la sección horizontal del compartimento.

Por encima de 1600 A, ambas vías de cálculo se cierran. Se queda usted con el ensayo o con la deducción a partir de un diseño ensayado, y esa es una decisión que hay que tomar antes de construir, no después.

La norma es franca sobre por qué existen los márgenes: el apartado 10.10.4.1 declara que, como las temperaturas locales reales de las partes conductoras no pueden calcularse por estos métodos, son necesarios ciertos límites y márgenes de seguridad, y están incluidos. La desclasificación al 80 % y el dimensionado de conductores al 125 % son esos márgenes. No son un exceso de prudencia que usted pueda discutir con un análisis mejor.

La desclasificación al 80 % en la práctica

La desclasificación no es una nota en el expediente. Cambia la lista de materiales.

Un circuito de 200 A no puede usar un aparato de 200 A. Necesita uno cuya corriente al aire libre sea al menos de 250 A, ajustado o fijado en 200 A, o un calibre mayor regulado más bajo. La pérdida de potencia empleada en el cálculo es la pérdida a 200 A, pero el propio aparato tiene que ser de calibre 250 A o superior. La regla de los conductores lo agrava: un circuito de barra principal de 200 A se dimensiona sobre 1.25 × 200 = 250 A, y eso se aplica a todos los conductores internos del conjunto.

Y después la iteración. Las secciones de conductor se eligen primero para una temperatura de aire interior supuesta. Una vez que el cálculo produce las temperaturas reales del aire, puede que haya que cambiar componentes y conductores y volver a lanzar el cálculo. Dos o tres pasadas es lo normal, y cada una puede mover el tamaño de la barra, lo que mueve el patrón de agujeros, lo que mueve el utillaje. Cierre la vía de verificación antes de detallar el cobre, no después.

El factor de diversidad asignado y lo que hace realmente

El RDF es el término peor entendido de la norma, y la mayor parte del malentendido viene de suponer que es un descuento que se aplica dentro del cálculo. No lo es.

El apartado 5.4 lo define: el valor por unidad de la corriente asignada, asignado por el fabricante del conjunto, al que los circuitos de salida pueden cargarse de forma continua y simultánea, teniendo en cuenta las influencias térmicas mutuas. Puede declararse para grupos de circuitos o para el conjunto entero. Dos cláusulas de la definición hacen el trabajo. El RDF multiplicado por la corriente asignada de los circuitos debe ser igual o mayor que la carga supuesta de los circuitos de salida, y el RDF se aplica con el conjunto funcionando a su corriente asignada InA.

Así que el RDF es una característica declarada, no una entrada del cálculo. El apartado 10.10.1 lo dice exactamente: la capacidad de conducción de corriente de los circuitos que se van a verificar la determinan la corriente asignada y el RDF. Define lo que usted está verificando.

Dónde entra el RDF en la vía de ensayo

En los métodos de ensayo, el RDF es explícito y físico.

• Apartado 10.10.2.3.5, verificación del conjunto completo: los circuitos de entrada y de salida se cargan a sus corrientes asignadas, lo que la norma declara equivalente a un factor de diversidad asignado de 1. Rápido, conservador, y no demuestra nada sobre la diversidad porque no supuso ninguna.
• Apartados 10.10.2.3.6 y 10.10.2.3.7 d): el conjunto se verifica cargando el circuito de entrada a su corriente asignada y las unidades funcionales de salida a su corriente asignada multiplicada por el factor de diversidad. Aquí es donde un RDF declarado por debajo de 1 se gana de verdad.

El anexo O plantea el intercambio: el método a) necesita menos ensayos, pero la disposición de ensayo es más severa de lo necesario y el resultado se aplica solo a esa disposición.

Dónde no entra el RDF: la vía de cálculo

Ambos apartados de cálculo dicen lo mismo: las pérdidas de potencia efectivas de todos los circuitos, incluidos los conductores de interconexión, se calcularán a partir de la corriente asignada de los circuitos. No hay ningún multiplicador de RDF. La diversidad entra por otra puerta. La pérdida total de potencia se calcula teniendo en cuenta que la corriente de carga total está limitada a la corriente asignada del conjunto.

La nota resuelta de la propia norma lo hace concreto. Un conjunto de un solo compartimento con 100 A asignados, limitado por las barras de distribución, lleva 20 circuitos de salida con 8 A supuestos cada uno. La pérdida de potencia efectiva total se calcula para 12 circuitos de salida a 8 A cada uno, porque 12 × 8 = 96 A es lo que la corriente de entrada asignada de 100 A distribuirá realmente. Doce circuitos a plena carga, no veinte circuitos con un factor de diversidad.

Esa distinción es la que cuenta en la práctica. La orientación publicada por BEAMA sobre verificación sin ensayo lo dice con la mayor claridad que nadie ha empleado: el factor de diversidad asignado no se considera al verificar el calentamiento por cálculo, y se emplea la combinación de pérdidas de potencia más severa de circuitos funcionando a su corriente asignada para distribuir la corriente asignada del conjunto. Quien haya estado aplicando un descuento por RDF dentro de una hoja de cálculo de TR 60890 ha estado calculando un calentamiento menor del que la norma le permite declarar.

Los valores tabulados

Cuando el fabricante y el usuario no han acordado corrientes de carga reales, las partes de producto dan valores de carga supuesta por defecto, indexados al número de circuitos principales o de salida. En las partes 1 y 2 el valor empieza en 1,0 para un circuito de entrada y va bajando a medida que sube el número de salidas, hasta llegar a 0,6 con diez o más circuitos. En la parte 3, para cuadros de distribución manejados por personas ordinarias, la escalera queda un peldaño más abajo en todo su recorrido y toca fondo en 0,5.

Circula mucho por internet una cifra de 0,4 como fondo de este rango. No aparece en los valores tabulados de carga supuesta de las partes 1, 2 ni 3. Un fabricante puede, por supuesto, declarar un RDF inferior al valor tabulado por defecto, ya que el RDF lo asigna el fabricante y la tabla solo se aplica a falta de acuerdo. Pero si una especificación cita 0,4 como procedente de la norma, pregunte de dónde.

El anexo E de la parte 1 resuelve ejemplos con valores de RDF como 0,68. La cifra no es un valor redondo de una tabla; sale de la aritmética de la carga.

Los límites contra los que usted verifica

La tabla 6 de IEC 61439-1 dice más que las dos cifras que se suelen citar de ella.

Los bornes para conductores externos aislados están limitados a 70 K. La nota al pie lo matiza dos veces. Los 70 K son un valor basado en el ensayo convencional del apartado 10.10, y un conjunto usado en condiciones reales de instalación puede tener conexiones cuyo tipo y disposición difieran del ensayo, produciendo un calentamiento de borne distinto que puede ser exigido o aceptado. Y cuando los bornes de un componente integrado son a la vez los bornes para conductores externos aislados, gobierna el menor de los dos límites aplicables: el límite del fabricante del componente y los 70 K, tomando el más pequeño.

Las barras y los conductores no reciben una cifra única en la tabla. La fila establece que el límite lo fijan la resistencia mecánica del material conductor, los posibles efectos sobre el equipo contiguo, el límite de temperatura admisible de los materiales aislantes en contacto con el conductor, el efecto de la temperatura del conductor sobre el aparato conectado a él y, para los contactos enchufables, la naturaleza y el tratamiento superficial del material de contacto.

Los 105 K aparecen en la nota g, como techo por encima de esos criterios: suponiendo que se cumplen todos los criterios enumerados, no se superará un calentamiento máximo de 105 K para barras y conductores de cobre desnudo. La nota 1 da la razón: los 105 K se refieren a la temperatura por encima de la cual es probable que se produzca el recocido del cobre. Es un límite metalúrgico. Alcáncelo y la barra ablanda, lo que es un modo de fallo mecánico y no eléctrico.

Debajo de todo ello están las hipótesis de ambiente. Los límites de la tabla 6 se aplican para una temperatura media del aire ambiente de hasta 35 °C en servicio. El anexo O añade el pico: temperatura ambiente media diaria y de pico que no superen 35 °C y 40 °C respectivamente. Durante el propio ensayo el ambiente debe estar entre 10 °C y 40 °C, medido con al menos dos sensores alrededor del conjunto, aproximadamente a media altura y a alrededor de 1 m de distancia, protegidos de corrientes de aire y de radiación.

Dos lecturas prácticas. Primera, el techo de 105 K rara vez es la restricción que manda. El material aislante en contacto con la barra, o el aparato en el que la barra aterriza, suele morder antes. Segunda, un conjunto destinado a un entorno más caliente que una media de 35 °C necesita adaptar sus límites, y el apartado 9.2 señala que si los límites se cambian para cubrir un ambiente distinto, puede que haya que cambiar con ellos las corrientes asignadas de las barras y de las unidades funcionales.

Qué cuesta cada vía y cuánto tarda

No existen listas de precios publicadas para el ensayo acreditado de calentamiento, porque el coste lo domina el número de disposiciones de ensayo y lo que usted tenga que construir. La estructura del coste es lo que necesita para decidir, de todas formas.

• Ensayo: usted construye uno o varios conjuntos representativos con la disposición más severa, los envía y paga tiempo de laboratorio. El ensayo se prolonga hasta que el calentamiento alcanza un valor constante, que el apartado 10.10.2.3.1 define en la práctica como una variación en todos los puntos medidos, ambiente incluido, que no supere 1 K/h. Eso es normalmente casi una jornada de trabajo por disposición, antes de la instrumentación y la preparación. La corriente se aporta a través de conductores de ensayo que la norma especifica en detalle. Por encima de 800 A eso significa barras de cobre de tamaños declarados con longitudes mínimas de conexión de 3 m, reducibles a 2 m solo bajo una condición de temperatura declarada. Por encima de 4000 A, el fabricante de origen determina la disposición y esta forma parte del informe. El coste lo dominan la construcción de la muestra y el número de disposiciones. El retraso lo domina la cola del laboratorio, meses en lugar de semanas para trabajo de alta corriente. No reserve la fecha antes de que sus uniones se hagan como se van a hacer en producción.

• Deducción a partir de un diseño ensayado: la más barata y rápida cuando usted ya posee el diseño ensayado, que es por lo que los proveedores de sistemas de conjuntos lo venden como parte del paquete. Manténgase dentro de sus reglas y la mayor parte del trabajo está hecha. Salga de ellas y vuelve al ensayo.

• Cálculo: sin laboratorio, así que el coste es tiempo de ingeniería más datos de componentes. El coste invisible es la recopilación de datos: la condición a) exige datos de pérdida de potencia de todos los componentes integrados, y perseguirlos con cada proveedor de aparatos para una lista de materiales mixta lleva más tiempo que el propio cálculo. Presupueste días en lugar de horas para un primer conjunto, y menos después, a medida que se acumulan los datos de componentes. El riesgo real es descubrir al final de la iteración que necesitaba un calibre mayor o una barra mayor, así que haga pronto una pasada aproximada.

Por qué la calidad de fabricación decide el resultado

Todas las vías miden en último término la misma cosa física, y el apartado 10.10.2.3.3 la nombra directamente: se prestará especial atención a las uniones en conductores y bornes dentro de los circuitos principales. Las uniones son puntos de medida nombrados.

La resistencia de la unión tiene dos partes. La resistencia de dispersión, por la desviación de la corriente a través del solape, es función de la relación entre solape y espesor y del patrón de agujeros: los agujeros de tornillo a lo ancho de la barra la penalizan más que los agujeros alineados a lo largo. La resistencia de contacto es función del estado superficial y de la presión.

El área de contacto no es el área de solape. Solo en torno al 1 % del solape aparente conduce, a través de contactos discretos entre rugosidades. La resistencia de contacto cae con fuerza al subir la presión hasta unos 10 N/mm² y se aplana en torno a 30 N/mm²; por debajo de unos 7 N/mm² no es aconsejable trabajar en absoluto. Como la presión no se puede medir en obra, se deduce del par mediante el coeficiente de apriete, que varía de unos 0.20–0.22 en seco hasta 0.15–0.16 con lubricante de contorno. El mismo ajuste de llave sobre roscas engrasadas da en torno a un 30 % más de apriete previo que sobre roscas secas. Los valores de par y las instrucciones de lubricación tienen que venir de la misma fuente, o la cifra de su procedimiento es ficción.

La preparación superficial es la variable más barata y la que más veces se salta. Las caras deben estar planas y recién abrasionadas inmediatamente antes del montaje, de modo que la presión de apriete rompa el óxido y forme contacto metal-metal en tantos puntos como sea posible. Una rebaba dejada en la cara de unión hace lo contrario: mantiene las barras separadas, y el área de contacto que usted calculó no es el área de contacto que obtiene. Por eso el desbarbado corresponde a la ruta de proceso y no a las manos del montador, y por eso existe una línea como la BND800-2, que trata barra de 0.5 a 50 mm de espesor a 5 a 30 m/min.

El estampado es la otra palanca, y la infrautilizada. Levantar una superficie de contacto controlada concentra el apriete previo disponible sobre un área definida y plana, en lugar de dejar que se reparta por un solape que puede estar o no en contacto. Cuando una unión queda térmicamente ajustada, una superficie de contacto diseñada es a menudo mejor respuesta que otro tornillo.

La precisión del patrón de agujeros alimenta directamente todo lo anterior. Un error de paso en una unión de varios tornillos significa tornillos peleándose entre sí en agujeros sobredimensionados y apriete previo mal repartido. Un punzonado que mantiene la posición con precisión no cuesta nada más por agujero y elimina una variable de un ensayo que usted está pagando a un laboratorio. Un centro de procesamiento como el IMAC-CENTER 80 trabaja a ±0.05 mm. La página del proceso de punzonado cubre el lado de utillaje, y el artículo sobre patrones de agujeros cubre la distancia al canto y el paso.

Antes de comprometerse con una vía

Dimensione la barra contra una fuente de corrientes asignadas con sus factores de corrección intactos y no contra una tabla en condiciones de referencia. DIN 43671 asigna la barra de cobre a 35 °C de ambiente y 65 °C de temperatura de barra, con correcciones para ambiente de 0 a 60 °C, temperatura de servicio hasta 125 °C y factores por disposición de barras y por número de barras por fase. Dentro de una envolvente con 55 °C de aire interior, esas correcciones son la diferencia entre una barra que verifica y otra que no.

Nuestra calculadora de capacidad de corriente aplica las correcciones en lugar de suponer condiciones de referencia. Cuando el conjunto va a un mercado norteamericano, los límites cambian por completo y la barra también. Esa comparación está en UL 891 frente a IEC 61439.