UL 891 frente a IEC 61439 en la fabricación de barra colectora

Los ensambladores que exportan desde un mercado IEC hacia Norteamérica suelen descubrir la diferencia entre estas dos normas después de que el ensamblaje ha sido diseñado y verificado según IEC 61439, momento en que el trabajo no se convierte en lo que un inspector estadounidense aceptará. El camino inverso presenta el mismo problema. Los dos documentos cubren productos comparables y alcanzan resultados de seguridad comparables mediante mecanismos estructuralmente diferentes, y las diferencias afectan el taladrado y el recubrimiento de la barra colectora.

Alcance de cada norma

UL 891 aplica a cuadros eléctricos de frente muerto nominalmente calificados para 1000 V o menos, destinados a la instalación bajo el Código Eléctrico Canadiense Parte I, el Código Eléctrico Nacional (ANSI/NFPA 70) y la norma de instalaciones mexicana NOM-001-SEDE, con corriente de cortocircuito disponible de hasta 200000 A. Excluye equipos de preconfiguración e iluminación para teatros, construcción de frente vivo, equipos de control y electrificación ferroviaria, y construcciones destinadas únicamente a alojar unidades de centros de control de motores.

IEC 61439 cubre ensamblajes de aparamenta de maniobra y control de baja tensión para 1000 V CA y 1500 V CC, aplicándose como Parte 1 (reglas generales) más una parte de producto. La Parte 2 cubre ensamblajes de aparamenta de maniobra y control de potencia, la contraparte más cercana a un cuadro eléctrico UL 891.

Las categorías no son congruentes, y la falta de coincidencia tiene implicaciones comerciales. UL 891 es una de varias normas de producto norteamericanas que dividen un espacio que IEC cubre con una sola familia. La construcción de interruptores de circuito extraíbles de baja tensión de potencia cae bajo UL 1558, no bajo UL 891. Los paneles de control industriales caen bajo UL 508A. Un solo diseño de ensamblaje según IEC 61439-2 puede abarcar dos o tres de esas categorías norteamericanas, y cada categoría requiere un ejercicio de listado por separado. Determinar la categoría aplicable es la primera decisión de ingeniería del proyecto. El mapa general se encuentra en qué norma de barra colectora aplica.

Evaluación de conformidad: la diferencia que gobierna todo lo demás

Esta diferencia es procedimental y no técnica, y conduce todo lo que sigue.

Según IEC 61439, el fabricante declara las características del ensamblaje y mantiene un archivo de verificación de diseño que demuestra que se cumplen los valores declarados. La verificación se realiza por ensayo, por derivación de un diseño ensayado, o por cálculo dentro de los límites que establece la norma. No se requiere un tercero. En la UE la declaración se realiza bajo las Directivas de Baja Tensión y EMC con EN 61439 como vía armonizada. La competencia, la evidencia y la responsabilidad residen en el fabricante.

Según UL 891, el producto es listado por un laboratorio de ensayo reconocido a nivel nacional (NRTL). El NRTL evalúa la construcción, presencia o realiza los ensayos, y luego mantiene el listado mediante una inspección de seguimiento en la planta de fabricación: visitas no anunciadas que verifican que lo que se está construyendo sigue coincidiendo con lo que fue listado. La marca en la puerta no es una afirmación sobre un ensayo que ocurrió una vez. Es una afirmación de que una fábrica está bajo vigilancia continua.

De esto se derivan tres consecuencias.

El archivo de verificación no es transferible. Los datos de ensayo IEC pueden informar la evaluación de un NRTL, pero no sustituyen al listado. La vía norteamericana debe presupuestarse como un programa por separado con su propio cronograma, desde el principio.

Las modificaciones están restringidas de manera diferente. Según IEC, un diseño puede revisarse y el archivo de verificación actualizarse por la autoridad propia del fabricante, dentro de las reglas de derivación. Bajo un listado, un cambio de construcción fuera de las configuraciones listadas implica regresar al NRTL. Un taller acostumbrado a la flexibilidad de IEC encontrará que este es el mayor ajuste práctico.

La modificación en campo funciona de manera diferente. Una derivación de barra colectora añadida en sitio a un conjunto IEC es responsabilidad del fabricante original evaluarla. La misma derivación en un tablero certificado puede anular la certificación y activar una evaluación en campo. Esto tiene consecuencias directas en la fabricación: diseñar posiciones de pad de reserva y provisiones para derivaciones en fábrica, porque incorporarlas después es desproporcionadamente costoso.

Aumento de temperatura y la decisión de galvanizado que impulsa

Ambas normas limitan el aumento de temperatura. Eligen números muy diferentes, a partir de condiciones de referencia distintas, por razones distintas. Esta es la única diferencia que altera la fabricación de cobre.

IEC 61439-1 establece sus límites en la Tabla 6. Los terminales para conductores aislados externos se limitan a 70 K, y la nota es importante: ese valor de 70 K se basa en la prueba convencional, y donde el terminal de un componente incorporado es también el terminal para un conductor externo, se aplica el menor entre el límite del fabricante del componente y 70 K.

Para las propias barras colectoras, la Tabla 6 no proporciona un número único. La fila indica que el límite lo determinan la resistencia mecánica del material conductor, el posible efecto en equipos adyacentes, el límite de temperatura permisible de los materiales aislantes en contacto con el conductor, el efecto de la temperatura del conductor sobre el aparato conectado a ella y, para contactos enchufables, la naturaleza y tratamiento superficial del material del contacto. La cifra de 105 K aparece en la nota g, como un tope sobre esos criterios: suponiendo que se cumplan todos los criterios listados, no se debe exceder un aumento de temperatura máximo de 105 K para barras colectoras y conductores de cobre desnudo. La nota 1 explica el origen de los 105 K: es la temperatura por encima de la cual el revenido del cobre se vuelve probable. Es un límite metalúrgico, no eléctrico.

La referencia ambiental es una media de 35 °C en servicio, con el ambiente de prueba permitido en cualquier punto entre 10 °C y 40 °C.

La práctica norteamericana se deriva de una base diferente. Los límites se derivan de la capacidad de corriente de los dispositivos y conductores conectados, mandatados a través del Artículo 110.14(C) del NEC. IEC 61439-1 los tabula en el Anexo M informativo, y los dos valores para barras colectoras son los que hay que memorizar: 50 K para barras sin galvanizar y 65 K para barras galvanizadas. Los terminales se limitan a 50 K excepto en los casos que califica el anexo. La referencia ambiental en la práctica de tableros norteamericanos es de 40 °C.

Lado a lado, el tope del IEC para cobre desnudo es 105 K; el límite norteamericano para la misma barra sin galvanizar es 50 K. Esto es menos de la mitad, antes de cualquier discusión sobre la referencia ambiental. El galvanizado recupera 15 K de esa diferencia.

Se derivan dos consecuencias de fabricación, y apuntan en direcciones opuestas.

Para un trabajo norteamericano, el galvanizado se convierte en un requisito de diseño a cualquier densidad de corriente seria. La brecha de 15 K entre 50 K y 65 K compra una fracción sustancial del tamaño de una barra en todo un tablero. El estaño sobre cobre es la elección común; la plata se usa donde la estabilidad de la resistencia de contacto importa más que el costo.

Para un trabajo IEC, el consejo habitual va por el camino contrario. La guía de la Asociación para el Desarrollo del Cobre es no galvanizar las caras de unión de cobre con cobre a menos que el entorno lo exija, porque el galvanizado blando puede fluir a temperaturas elevadas y relajar la presión de contacto de la que depende la unión. Ese consejo es válido para el régimen IEC y erróneo para el norteamericano, y la razón no es una discrepancia metalúrgica. Los dos regímenes están limitando cosas diferentes. IEC protege al cobre del revenido; Norteamérica protege al cable y a los dispositivos conectados del calor conducido fuera del conjunto.

Fabricar para ambos mercados convierte al galvanizado en una decisión por proyecto, vinculada al destino, que se incluye en la tarjeta de ruta, no en una instrucción de trabajo permanente.

Separaciones frente a distancias de aislamiento por aire y por superficie

UL 891 especifica separaciones: distancias mínimas en aire y sobre superficie, entre partes de polaridad opuesta y desde partes activas a tierra, consultadas en una tabla indexada por rango de tensión. Los valores están en pulgadas, los rangos son discretos y no se permite la interpolación entre ellos.

IEC no tabula las distancias de esa manera. Las distancias de aislamiento por aire y por superficie en la IEC 61439 se derivan a través de la IEC 60664-1: la distancia de aislamiento por aire a partir de la tensión de impulso soportada nominal junto con el grado de contaminación y la altitud; la distancia de aislamiento por superficie a partir de la tensión de servicio, el grado de contaminación y el índice de trazabilidad comparativa del material aislante.

La diferencia práctica radica en la sensibilidad de cada sistema. Dos conjuntos eléctricos IEC a la misma tensión nominal pueden tener distancias mínimas diferentes porque uno se encuentra en un ambiente más contaminado o a mayor altitud. Una tabla de separaciones UL no plantea esas preguntas con ese nivel de detalle. Algunas normas UL ahora permiten la UL 840, que está alineada con la IEC 60664, como alternativa a la tabla tradicional, pero los propios requisitos de construcción de la UL 891 son los que se evalúan para la certificación.

Para un fabricante, la consecuencia es el diseño de la disposición de las barras colectoras. Un diseño dispuesto según las distancias de aislamiento por aire de la IEC al grado de contaminación 3 generalmente cumplirá con las separaciones UL, y un diseño dispuesto según las separaciones UL a 600 V generalmente cumplirá con la IEC al grado de contaminación 2. "Generalmente," en ambas direcciones, no es un método de diseño. Si un único diseño físico debe servir para ambos, debe disponerse según el envolvente de ambos, aceptando el ancho adicional.

Aquí también se aclara una reclamación común de proveedores: la IEC 61439 no exige el chaflanado. No hay ninguna cláusula que requiera un radio de borde. La geometría del borde es un medio de ingeniería para cumplir con las disposiciones de distancia de aislamiento por aire, por superficie y dieléctrica, y se justifica porque la tensión de campo se concentra en una esquina aguda. Es una buena práctica por buenas razones, y esas razones se sostienen cuando el ingeniero de un cliente pregunta.

Refuerzo y resistencia a cortocircuito

Ambas normas requieren que el conjunto resista la corriente de falla, y la caracterizan de manera diferente.

La IEC 61439 declara la corriente nominal de soporte a cortocircuito a corto tiempo (Icw) para una duración establecida, la corriente nominal de soporte a pico (Ipk) y, cuando sea aplicable, la corriente nominal condicional de cortocircuito (Icc). El ensayo en las barras colectoras principales es prescriptivo respecto a la geometría: la longitud de la barra colectora principal bajo ensayo se fija en (2 ± 0,4) m y debe incluir al menos una unión donde las barras colectoras se pretende que sean extensibles. Los criterios de aceptación son igualmente específicos: las distancias de aislamiento por aire y por superficie deben seguir cumpliéndose después del ensayo, los soportes de la barra colectora no deben haberse separado ni agrietado, y no debe haber aflojamiento de las piezas utilizadas para la conexión de los conductores.

La UL 891 asigna una clasificación de corriente de cortocircuito de hasta 200000 A, establecida con los dispositivos de protección contra sobrecorriente especificados instalados, y la clasificación de una sección del tablero eléctrico está limitada a la clasificación más baja en la ruta de la serie. El refuerzo es un atributo constructivo marcado en lugar de un parámetro eléctrico declarado, y cuando los cables que se enrutan a través del tablero eléctrico necesitaron refuerzo durante el ensayo, ese requisito se marca en el equipo. El ensayo estándar es breve, unos pocos ciclos adaptados al tiempo de despeje de un dispositivo termomagnético, con una duración más larga requerida cuando se necesita una clasificación a corto tiempo para coordinación selectiva. La UL 891 también proporciona una vía de reglas de construcción en su Anexo G para una clasificación de 100,000 A sin un ensayo de cortocircuito, que es el análogo norteamericano más cercano a las opciones de verificación sin ensayo de la IEC.

Para un taller de barras colectoras, la consecuencia en la fabricación es idéntica bajo ambas normas: la unión es el punto débil. La IEC lo establece explícitamente en su criterio de aceptación, y la filosofía de refuerzo de la UL implica lo mismo. Una precarga del perno que se ha relajado, una superficie de unión que nunca hizo contacto completo, un agujero alargado por una distancia de borde insuficiente: cualquiera de estos convierte un diseño aprobado en una muestra que falla.

Qué cambia en la máquina

• Patrones de perforación: los dibujos europeos trabajan con patrones métricos derivados de DIN 43673-1. Los dibujos norteamericanos trabajan con la convención NEMA de dos agujeros: pernos de ½ pulgada sobre centros de 1¾ pulgadas (44,45 mm), con agujeros de 0,562 pulgadas. Ninguno es convertible en el otro por redondeo. Atender a ambos mercados requiere ambos juegos de herramientas, y el número de estaciones de herramientas en la máquina se convierte en una restricción comercial. Esto respalda el argumento para un centro de procesamiento de 24 estaciones como el IMAC-CENTER 80, ampliable a 36 estaciones, sobre una línea de herramientas fijas que necesita un cambio cada vez que el mercado de destino cambia. El proceso de punzonado cubre el lado de la herramienta.

• Preparación de la unión: bajo ambos regímenes, la unión decide el resultado del aumento de temperatura, pero los límites norteamericanos dejan mucho menos margen para absorber una mala unión. Se requieren superficies planas y recién lijadas al ensamblar, torque controlado con el factor de tuerca adecuado según si las rosas están lubricadas, y arandelas dimensionadas para distribuir la carga lejos del agujero. Bajo IEC, una unión mediocre podría sobrevivir a 105 K; a 50 K en barra sin platear en un tablero norteamericano, no lo hará.

• Plaquedo: determinado por el destino, no es una práctica estándar. Donde se especifica, la barra debe salir del taller limpia y sin rebabas, porque el plateado sobre una rebaba atrapa el defecto permanentemente.

• Condición de borde y rebaba: una rebaba en la superficie de unión separa las dos barras y el área de contacto calculada no es el área de contacto lograda. Por eso el desbarbado pertenece a la ruta de proceso y no a las manos del montador, y por qué existen líneas como la BND800-2 para barras de 0,5 a 50 mm de espesor y 100 a 800 mm de ancho.

• Etiquetado: el contenido de la placa de identificación difiere, y también la entidad propietaria. Una marca de listado UL se aplica bajo los términos del listado, con el contenido del campo especificado por el estándar. Una placa IEC lleva las características declaradas por el fabricante, incluido el factor de diversidad declarado, que no tiene ningún equivalente norteamericano.

Dimensionado de la barra para dos mercados

Debido a que los presupuestos de aumento de temperatura difieren tan marcadamente, la misma función produce barras diferentes en los dos regímenes, y la diferencia no es un margen pequeño. El dimensionado debe comenzar desde los límites en lugar de desde la costumbre: establecer el aumento aplicable, aplicar el ambiente de referencia correcto y luego dimensionar desde una fuente de calificaciones con sus factores de corrección intactos. DIN 43671 con sus correcciones de ambiente y disposición es la referencia de trabajo habitual, y nuestra calculadora de capacidad aplica esas correcciones en lugar de asumir condiciones de referencia.

Para el lado IEC del mismo cálculo, la ruta de verificación que se puede usar está limitada por la corriente nominal, y por encima de 1600 A la ruta de cálculo se cierra completamente. Esa restricción está establecida junto con el resto de las condiciones de contorno en nuestro artículo de verificación de aumento de temperatura.