Smussatura e raggio di spigolo delle sbarre

Le sbarre rettangolari escono dal laminatoio con angoli squadrati e lasciano la cesoia o la punzonatrice con una bava sulle estremità. La maggior parte dei costruttori elimina queste bave. Le motivazioni sono diverse: l'isolamento lo richiede, il disegno specifica R3, o serve per evitare che gli operatori si fermino le mani. Tutte e tre le ragioni sono valide e richiedono raggi diversi.

L'intervallo di lavoro nel settore va indicativamente da R2 a R10 mm, in funzione delle dimensioni della barra, della classe di tensione e dell'ambiente di installazione. Si tratta di una descrizione della pratica, non di un requisito normativo, e la distinzione è più importante di quanto possa sembrare.

Cosa dicono realmente le norme

Diverse pagine di fornitori di macchine e di sbarre sostengono che IEC 61439 "richieda la smussatura delle sbarre di rame", e alcune vanno oltre citando un minimo di R3 per sistemi con tensione superiore a 800 V, attribuendolo congiuntamente a IEC 61439 e UL 891.

IEC 61439-1 non meniona in nessun punto il raggio di smussatura. Ciò che fa è impostare i requisiti di distanza di aria e di sgusciamento, prendendo la logica dimensionale da IEC 60664-1 coordinamento dell'isolamento, e quindi richiedere che l'assemblaggio finale superi una prova di tenuta dielettrica. Il raggio di smussatura è uno strumento ingegneristico per soddisfare tali disposizioni. Non è un requisito nominale e non esiste un numero di clausola da citare al riguardo. Lo stesso vale per UL 891.

La convinzione che il raggio sia imposto per norma porta all'applicazione generalizzata di R3 a qualsiasi caso e alla cessazione dell'analisi. La comprensione che si tratti di uno strumento porta all'applicazione di R2 dove R2 è sufficiente, di R8 dove esiste un problema sul campo, e di nulla dove la barra sarà stagnata e bullonata piatta con 25 mm di aria su entrambi i lati.

Il problema sul campo, nei termini della norma stessa

IEC 60664-1 è anomala tra le norme di sicurezza perché riconosce direttamente la geometria degli elettrodi. La clausola 5.1.3 inizia affermando che la forma e la disposizione delle parti conduttrici influenzano l'omogeneità del campo e di conseguenza la distanza di aria necessaria per sopportare una data tensione.

Le tabelle delle distanze di aria sono poi suddivise in due casi.

Il Caso A è il campo non omogeneo. Il modello peggiore della norma stessa prevede un elettrodo a punta con raggio di 30 µm fronteggiante un piano di 1 m × 1 m. Le distanze di aria del Caso A possono essere utilizzate indipendentemente dalla forma delle parti conduttrici e senza alcuna prova di tenuta a tensione. Ecco perché sono maggiori.

Il Caso B è il campo omogeneo, definito come campo con gradiente di tensione essenzialmente costante; l'esempio illustrativo sono due sfere ciascuna con raggio superiore alla distanza tra di esse. Le distanze di aria del Caso B sono più ridotte. Sono ammesse solo dove la forma e la disposizione delle parti conduttrici sono state progettate per ottenere quel gradiente costante, e qualsiasi distanza inferiore al valore del Caso A deve essere verificata con una prova di tenuta a tensione.

Per una resistenza nominale a impulso di 2,5 kV, la differenza tra i due casi corrisponde a quella tra circa 1,5 mm e circa 0,6 mm di aria. In un assemblaggio compatto dove la separazione tra fasi è il vincolo che determina la larghezza del quadro, non si tratta di un errore di arrotondamento.

Esiste poi la nota allegata alla tabella delle distanze in regime stazionario: il dimensionamento in assenza di scariche parziali non è possibile in condizioni di campo disomogeneo. Oltre circa 2,5 kV di picco, lo standard afferma che il dimensionamento ai valori di breakdown può non garantire un funzionamento senza corona, specialmente per campi disomogenei, e occorre utilizzare distanze maggiori oppure migliorare la distribuzione del campo.

Migliorare la distribuzione del campo è ciò che fa un raggio di smusso. Non come sostituto della distanza, ma come meccanismo che consente di utilizzare il valore più basso e come meccanismo che mantiene l'immunità continua alle scariche parziali alla stessa distanza geometrica.

Lo strisciamento non funziona in questo modo. Lo strisciamento è determinato dalla tensione operativa, dal grado di inquinamento e dal gruppo di materiale, e l'applicazione di un raggio sul rame non accorcia il percorso di strisciamento richiesto. A parità di strisciamento, il raggio fornisce pertanto un campo più uniforme e l'opportunità di utilizzare la distanza del Caso B. Non apporta nulla sul percorso superficiale.

Corona, e perché è un guasto lento

L'aria si ionizza a circa 3 kV/mm al livello del mare in un campo uniforme. Un angolo a 90° in rame con un bordo nominale di 0,1 mm concentra il campo di un fattore che dipende dalla geometria dell'intercapedine, ma la risposta qualitativa è che il campo locale all'angolo raggiunge l'impatto ionizzazione molto prima che il campo medio attraverso l'intercapedine.

Il risultato è una scarica parziale: un breakdown piccolo, localizzato, autoestinguente che non completa l'intercapedine. Nulla scatta. L'insieme supera il suo test di tenuta il primo giorno. La scarica produce ozono e ossidi di azoto che, in presenza di umidità, attaccano l'isolamento organico, e la scarica stessa erode direttamente le superfici dei polimeri. Il guasto si manifesta qualche anno dopo come un difetto di tracciamento che non può essere spiegato dai registri di messa in servizio.

Questo è il motivo del raggio sulle linee in media tensione e sui più recenti sistemi da 800 V a 1500 V in corrente continua. Non si tratta del test di tipo. Si tratta di ciò che l'insieme fa tra un test di tipo e l'altro.

L'isolamento non può curvare un angolo vivo

L'argomento meccanico è più concreto di quello elettrico e, per la maggior parte dei costruttori di quadri in bassa tensione, più immediatamente pertinente.

Ogni comune metodo di isolamento delle barre in rame fallisce su un angolo quadrato a suo modo specifico.

Il tubo retraibile si contrae radialmente e non si adatta a una transizione interna a 90°. Copre l'angolo. Sotto la copertura si forma un vuoto d'aria lungo tutta la lunghezza della barra, posizionato esattamente nel punto di campo più intenso. Anche i tubi per barre a parete spessa sono sufficientemente spessi affinché un bordo vivo li tagli o li assottiigli durante la retrazione.

L'incapsulazione in polvere epossidica, applicata elettrostaticamente o a letto fluidizzato, soffre della stessa contrazione di tensione superficiale che affligge ogni rivestimento organico su un bordo. Il film si assottiglia dove lo spessore è più necessario.

Un film di polimmide avvolto o laminato su una sbarra tende a tendere in alto sull'angolo piuttosto che seguirlo, e la tensione nel film si concentra sull'angolo durante l'esercizio.

Lo stampaggio a iniezione lascia un'ombra di flusso all'angolo e, durante il raffreddamento, la contrazione del polimero lo allontana per primo dalla caratteristica più spigolosa.

In tutti e quattro i casi il difetto è lo stesso: una cavità riempita di gas nel punto di campo più alto della geometria. Questo è il posto peggiore possibile. In una cavità con permittività relativa 1 immersa in un solido con permittività relativa intorno a 4, il campo nella cavità è di varias volte superiore al campo nel solido circostante, mentre la resistenza allo svuotamento del gas è molto inferiore a quella del solido. La cavità si scarica per prima ad ogni ciclo e la scarica erode la parete della cavità finché questa non scompare.

Studi sull'isolamento delle sbarre in rame impregnato con epossidico hanno tracciato esattamente questa sequenza: la scarica parziale all'interno di un difetto a bolla decompone l'epossidico, la pressione del gas aumenta e la parete della cavità si frattura quando la pressione supera la sua tenacità. Il sito di innesco è il difetto, e il difetto è nel punto dove la geometria rendeva impossibile che l'isolamento si adagiasse.

Un angolo con raggio di curvatura non rende l'isolamento migliore. Lo rende possibile affinché sia buono come quello sul lato piatto.

Ritorno del bordo della vernice e della verniciatura a polvere

L'industria delle vernici ha risolto questo dibattito decenni fa e ha scritto un valore.

Quando un rivestimento polimerico viene applicato su un bordo tagliente, che sia a polvere o liquido, la tensione superficiale durante lo scorrimento e la polimerizzazione allontana il materiale dal bordo. Lo spessore del film asciutto sul bordo può scendere a una frazione dello spessore sul lato piatto adiacente, ed è per questo che la corrosione sulla vernice inizia ai bordi e si propaga verso l'interno piuttosto che viceversa.

L'ISO 8501-3 definisce tre gradi di preparazione per bordi, saldature e imperfezioni superficiali. Il grado P3, il più completo, richiede che tutti i bordi siano arrotondati con un raggio non inferiore a 2 mm. L'ISO 12944-3

rende poi P3 obbligatorio per le durate elevate e molto elevate in category di corrosività C4 e superiore, e per le categorie di immersione da Im1 a Im4.

Questo 2 mm è la fonte effettiva di un raggio minimo difendibile, e proviene da una norma sulle vernici piuttosto che da una norma elettrica. Se un cliente richiede una giustificazione per R2, il riferimento è l'ISO 8501-3, non l'IEC 61439.

Uno studio sistematico pubblicato su Progress in Organic Coatings ha misurato lo spessore del film asciutto su bordi di acciaio arrotondati su sezioni metallografiche lucidate e non ha trovato un effetto statisticamente significativo del raggio del bordo sulla copertura del rivestimento nei sistemi testati. Quel lavoro riguardava l'acciaio strutturale piuttosto che le sbarre in rame e non ribalta il meccanismo, ma ricorda che il processo di arrotondatura e il sistema di rivestimento possono avere un'importanza pari al valore del raggio. L'arrotondatura del bordo è necessaria. Non è di per sé sufficiente.

Smusso o raggio

Non si tratta della stessa cosa e la differenza merita due minuti di riflessione in fase di progettazione.

Una smussatura è un piano a 45°. Una smussatura di 1 mm × 45° sostituisce un angolo di 90° con due angoli di 135°. Rimuove il barbone, elimina la pericolosità della maneggevolezza e aiuta leggermente la verniciatura. Elettricamente aiuta molto meno di quanto si pensi comunemente, perché due discontinuità rimangono nella superficie e il campo elettrico si concentra ancora su di esse, solo con intensità leggermente inferiore.

Un raccordo è un arco vero, tangente a entrambe le facce, senza alcuna discontinuità. È ciò che il campo elettrico richiede e ciò che richiedono il termorestringimento e l'incapsulamento.

Per la sicurezza nella movimentazione e per una barra che verrà bollonata e lasciata a vista, una smussatura è sufficiente ed è più rapida da produrre. Per qualsiasi cosa che verrà isolata, incapsulata o utilizzata a tensioni superiori a qualche centinaio di volt con distanziamenti di fase ridotti, dovrebbe essere specificato un raccordo tondeggiante e indicato sulla disegno, perché "smussatura 1 mm" e "R1" vengono prodotti con utensili diversi e non avranno la stessa prestazione.

Il costo in rame

Il raccordo tondeggiante asporta sezione trasversale, e la sezione trasversale è portata in ampere.

L'area asportata in ciascun angolo è R²(1 − π/4), o circa 0,215 R². Su una barra di 100 × 10 mm con 1000 mm², quattro angoli con R5 rimuovono circa 21,5 mm², poco più del 2%. Con R3 su una barra di 60 × 10 mm si rimuove circa l'1,3%. Una smussatura di 1 mm × 45° sulla stessa barra di 100 × 10 rimuove 2 mm², ovvero lo 0,2%.

Il 2% del conduttore non è catastrofico, ma non è nemmeno trascurabile su una barra dimensionata senza margine, e si somma alla riduzione di portata già applicata per l'effetto contenitore e di raggruppamento. Se il progetto è vicino al limite, è prudente eseguire il calcolo della geometria con il calcolatore di portata delle sbarre con e senza la perdita d'angolo prima di impegnarsi con un raccordo ampio su una barra fortemente caricata.

Mani, guanti e il motivo per cui la maggior parte delle officine lo fa davvero

Un taglio cesoiato sul rame con un barbone di 0,2 mm apre un guanti antiarco. Apre anche una mano. Le sbarre in rame sono pesanti, vengono maneggiate ripetutamente durante il montaggio e vengono spesso manovrate in posizione con il peso dell'installatore dietro.

Questo è il motivo per cui il trattamento del bordo viene specificato su assiemi dove non c'è alcun argomento di concentrazione di campo, ed è un motivo perfettamente valido. È anche quello che viene misurato, perché il consumo di guanti e i registri del primo soccorso sono cose che un responsabile di stabilimento già monitora.

Produrlo in modo ripetibile

Il motivo per cui il raggio di smussatura sulle sbarre in rame è considerato opzionale in molte officine è che storicamente era un'operazione manuale con una lima o un tagliente, il che la rendeva inconsistente, lenta e sgradevole.

Due categorie di macchine affrontano il problema. La smussatura utilizza un mandrino di fresatura con utensile sagomato per tagliare una smussatura o un raggio definito lungo il bordo della barra, incluso attorno ai bordi dei fori punzonati e lungo le estremità. La macchina per smussatura EMAC-XT aziona un mandrino BT40 fino a 6000 rpm con un caricatore utensili automatico a sei posizioni, gestisce barre da 3 a 15 mm di spessore e da 30 a 230 mm di larghezza e mantiene ±0.05 mm su posizionamento e ripetibilità. Il caricatore utensili è decisivo: un utensile per smussatura, uno a sagoma per il raggio e uno per i bordi dei fori nello stesso programma significano che l'operatore non deve stare alla macchina a cambiare mandrini tra le diverse lavorazioni.

La sgrassatura è un'operazione diversa con uno scopo diverso. Rimuove il barbola e applica un piccolo, incontrollato smussamento sugli spigoli di tutto, compresi i bordi dei fori, in un unico passaggio. La macchina per sgrassatura BND800-2 accetta barre da 0.5 a 50 mm di spessore e da 100 a 800 mm di larghezza a 5–30 m/min. Questa produttività è ciò che rende fattibile sgrassare ogni barra piuttosto che solo quelle che qualcuno ha segnalato.

La distinzione da ricordare: la sgrassatura rende la barra sicura da maneggiare e rimuove il metallo sporgente che altrimenti si troverebbe tra due facce di appoggio in una giunta bullonata. Non produce un raggio controllato. Se un disegno richiede R3 e la barra viene fatta passare attraverso una linea di sgrassatura, il problema dell'isolamento che si voleva risolvere rimane irrisolto.