Smussatura e raggio di spigolo delle sbarre

La sbarra rettangolare esce dal laminatoio con gli spigoli vivi ed esce dalla cesoia o dalla punzonatrice con sopra una bava. La maggior parte dei costruttori smussa quegli spigoli. Se chiede perché, ottiene risposte diverse: l'ha chiesto chi si occupa dell'isolamento, il disegno dice R3, evita che gli operatori si taglino le mani. Tutte e tre reggono, e chiedono raggi diversi.

Il campo di lavoro nel settore va all'incirca da R2 a R10 mm, scelto in base alle dimensioni della barra, alla classe di tensione e all'ambiente di installazione. È la descrizione di una prassi, non una prescrizione normativa, e la distinzione conta più di quanto sembri.

Che cosa dicono davvero le norme

Parecchie pagine di costruttori di macchine e di fornitori di sbarre affermano che la IEC 61439 «richiede che le sbarre in rame siano smussate», e alcune si spingono a citare un minimo di R3 per i sistemi sopra gli 800 V, attribuendolo congiuntamente alla IEC 61439 e alla UL 891.

È falso, e vale la pena dirlo senza giri di parole, perché ci sono ingegneri che l'hanno recepito nelle proprie specifiche interne sulla base del post di un fornitore.

La IEC 61439-1 non nomina il raggio di spigolo in nessun punto. Quello che fa è fissare prescrizioni su distanze in aria e distanze superficiali, prendendo la logica di dimensionamento dal coordinamento dell'isolamento della IEC 60664-1, e poi richiedere che l'assieme finito superi una prova di tenuta dielettrica. Il raggio di spigolo è uno dei mezzi tecnici per soddisfare quelle disposizioni. Non è un requisito nominato, e non esiste alcun numero di punto da citare a riguardo. Lo stesso vale per la UL 891.

Non è una precisazione pedante. Se lei crede che il raggio sia obbligatorio, applicherà un R3 indiscriminato a tutto e smetterà di ragionare. Se lo intende come un mezzo, applicherà R2 dove R2 basta, R8 dove ha un problema di campo, e niente del tutto dove la barra sarà stagnata e imbullonata di piatto con 25 mm d'aria per parte.

Il problema di campo, nei termini della norma stessa

La IEC 60664-1 è insolita fra le norme di sicurezza perché riconosce direttamente la geometria degli elettrodi. Il punto 5.1.3 si apre dicendo che la forma e la disposizione delle parti conduttrici influenzano l'uniformità del campo e, di conseguenza, la distanza in aria necessaria a tenere una data tensione.

Poi divide in due casi le tabelle delle distanze in aria.

Il Caso A è il campo non uniforme. Il modello di caso peggiore che la norma stessa adotta è un elettrodo a punta con raggio di 30 µm di fronte a un piano da 1 m × 1 m. Le distanze in aria del Caso A si possono usare a prescindere dalla forma delle parti conduttrici e senza alcuna prova di tenuta a tensione applicata. È per questo che sono più grandi.

Il Caso B è il campo uniforme, definito come un campo a gradiente di tensione sostanzialmente costante, con l'esempio illustrativo di due sfere ciascuna di raggio maggiore della distanza che le separa. Le distanze in aria del Caso B sono più piccole. Sono ammesse solo dove forma e disposizione delle parti conduttrici sono state progettate per ottenere quel gradiente costante, e qualunque distanza in aria minore del valore del Caso A va verificata con una prova di tenuta a tensione applicata.

Per una tensione di tenuta a impulso nominale di 2,5 kV, la differenza fra i due casi è la differenza fra circa 1,5 mm e circa 0,6 mm d'aria. In un assieme compatto, dove la separazione fra le fasi è il vincolo che decide la larghezza dell'armadio, non è un errore di arrotondamento.

C'è poi la nota allegata alla tabella delle distanze in aria in regime permanente: in condizioni di campo non uniforme non è possibile dimensionare senza scariche parziali. Sopra circa 2,5 kV di picco, dice la norma, dimensionare sui valori di scarica può non dare un funzionamento esente da corona, in particolare per campi non uniformi, e occorre allora usare distanze maggiori oppure migliorare la distribuzione del campo.

Migliorare la distribuzione del campo è ciò che fa un raggio di spigolo. Non come sostituto della distanza in aria, ma come ciò che le consente di usare il numero più piccolo, e come ciò che la tiene fuori dalla scarica parziale continua a parità di distanza geometrica.

Si noti anche che la distanza superficiale non funziona così. La distanza superficiale è fissata dalla tensione di lavoro, dal grado di inquinamento e dal gruppo di materiale, e raggiare il rame non accorcia il percorso superficiale richiesto. A parità di distanza superficiale, quindi, il raggio le compra un campo più uniforme e una possibilità di rientrare nelle distanze in aria del Caso B. Sul percorso superficiale non le compra nulla.

Corona, e perché è un guasto lento

L'aria si ionizza a circa 3 kV/mm a livello del mare in campo uniforme. Uno spigolo di rame a 90° con una smussatura nominale di 0,1 mm concentra il campo di un fattore che dipende dalla geometria della distanza, ma la risposta qualitativa è che il campo locale sullo spigolo arriva alla ionizzazione molto prima del campo medio lungo la distanza.

Il risultato è una scarica parziale: una scarica piccola, localizzata e autoestinguente che non attraversa la distanza. Nulla interviene. L'assieme supera la prova di tenuta il primo giorno. Quello che succede invece è che la scarica produce ozono e ossidi di azoto che, in presenza di umidità, attaccano l'isolamento organico, mentre la scarica stessa erode direttamente le superfici polimeriche. Il guasto arriva qualche anno dopo, sotto forma di un cedimento per tracciamento che nessuno riesce a spiegare a partire dai verbali di messa in servizio.

È questo l'argomento a favore del raggio in media tensione e nei più recenti sistemi da 800 V a 1500 V in corrente continua. Non riguarda la prova di tipo. Riguarda quello che l'assieme fa fra una prova di tipo e l'altra.

L'isolamento non riesce a girare uno spigolo vivo

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

Ogni metodo di isolamento comunemente usato sulle sbarre fallisce su uno spigolo vivo, ciascuno a modo suo.

La guaina termorestringente si ritira in senso radiale e non si conforma a una transizione interna a 90°. Scavalca lo spigolo. Sotto lo scavalcamento resta un vuoto d'aria che corre per tutta la lunghezza della barra, proprio nel punto di campo più alto. La guaina a parete spessa per sbarre è anche abbastanza spessa perché uno spigolo vivo la tagli o l'assottigli durante il ritiro.

L'incapsulamento con polvere epossidica, applicato per via elettrostatica o a letto fluido, soffre lo stesso arretramento per tensione superficiale che affligge qualunque rivestimento organico su uno spigolo. Il film si assottiglia proprio dove servirebbe più spessore.

Il film di poliimmide avvolto o laminato su una barra si tende a ponte sullo spigolo invece di seguirlo, e in servizio la tensione nel film si concentra sullo spigolo.

Il sovrastampaggio lascia un'ombra di flusso sullo spigolo e, al raffreddamento, il ritiro del polimero lo stacca per primo proprio dal punto più acuto.

In tutti e quattro i casi il difetto è lo stesso: un vuoto pieno di gas nel punto di campo più alto della geometria. È il posto peggiore possibile. In un vuoto di permittività relativa 1 immerso in un solido di permittività relativa attorno a 4, il campo nel vuoto è diverse volte quello nel solido circostante, mentre la rigidità dielettrica del gas è molto più bassa di quella del solido. Il vuoto scarica per primo, a ogni ciclo, e la scarica erode la parete del vuoto finché la parete non c'è più.

Il lavoro sull'isolamento di sbarre impregnate in resina epossidica ha ricostruito esattamente questa sequenza: la scarica parziale dentro un difetto a bolla decompone la resina, la pressione del gas sale e la parete del vuoto si frattura quando la pressione supera la sua tenacità. Il sito di innesco è il difetto, e il difetto è dove la geometria ha reso impossibile all'isolamento di appoggiarsi.

Uno spigolo raggiato non rende migliore l'isolamento. Rende possibile all'isolamento di essere buono quanto lo è sul piano.

Ritiro sul bordo di vernice e polveri

Il settore dei rivestimenti ha chiuso questa discussione decenni fa e ha messo giù un numero.

Quando un rivestimento polimerico viene applicato a uno spigolo vivo, in polvere o liquido che sia, la tensione superficiale durante la distensione e la reticolazione tira via materiale dallo spigolo. Lo spessore del film secco sullo spigolo può scendere a una frazione dello spessore sul piano adiacente, ed è per questo che la corrosione sull'acciaio verniciato parte dagli spigoli e si propaga verso l'interno anziché il contrario.

La ISO 8501-3 definisce tre gradi di preparazione per spigoli, saldature e imperfezioni superficiali. Il grado P3, il più accurato, richiede che tutti gli spigoli siano arrotondati con raggio non inferiore a 2 mm. La ISO 12944-3

rende poi il P3 obbligatorio per durabilità alta e molto alta in categoria di corrosività C4 e superiori, e per le categorie di immersione da Im1 a Im4.

Quei 2 mm sono la vera origine di un raggio minimo difendibile, e vengono da una norma sui rivestimenti, non da una norma elettrica. Se un cliente le chiede di giustificare R2, citi la ISO 8501-3, non la IEC 61439.

Una precisazione, per non vendere l'argomento più di quanto valga. Uno studio sistematico pubblicato su Progress in Organic Coatings ha misurato lo spessore del film secco sopra spigoli d'acciaio arrotondati, su sezioni metallografiche lucidate, e non ha trovato alcun effetto statisticamente significativo del raggio di spigolo sulla copertura del rivestimento nei sistemi provati. Quel lavoro riguardava acciaio da carpenteria e non sbarre in rame, e non ribalta il meccanismo, ma ricorda che il processo di arrotondamento e il sistema di rivestimento possono contare quanto il numero del raggio. Raggiare lo spigolo è necessario. Da solo non è sufficiente.

Smusso o raggio

Non sono la stessa cosa, e la differenza vale due minuti di riflessione in fase di disegno.

Uno smusso è una bisellatura piana. Uno smusso da 1 mm × 45° sostituisce uno spigolo a 90° con due spigoli a 135°. Toglie la bava, elimina il taglio nel rischio di movimentazione e aiuta un po' il rivestimento. Sul piano elettrico aiuta molto meno di quanto si creda, perché sulla superficie restano comunque due discontinuità e il campo continua a concentrarsi lì, solo in modo meno severo.

Un raggio è un arco vero, tangente a entrambe le facce, senza alcuna discontinuità. È ciò che vuole il campo, ed è ciò che vogliono la guaina termorestringente e il sovrastampaggio.

Per la sicurezza in movimentazione e per una barra che verrà imbullonata e lasciata nuda, uno smusso va bene ed è più rapido da produrre. Per tutto ciò che sarà isolato, incapsulato o funzionerà sopra qualche centinaio di volt con passo fra le fasi stretto, prescriva un raggio e lo scriva sul disegno, perché «smusso 1 mm» e «R1» verranno prodotti con utensili diversi e non renderanno allo stesso modo.

Il costo in rame

Raggiare toglie sezione, e la sezione è portata.

L'area asportata a ogni spigolo è R²(1 − π/4), ossia circa 0,215 R². Su una barra da 100 × 10 mm, cioè 1000 mm², quattro spigoli a R5 tolgono all'incirca 21,5 mm², poco più del 2%. A R3 su una barra da 60 × 10 mm si è attorno all'1,3%. Uno smusso da 1 mm × 45° sulla stessa barra da 100 × 10 toglie 2 mm², cioè lo 0,2%.

Il due per cento di conduttore non è catastrofico, ma non è nemmeno niente su una barra dimensionata senza margine, e si somma al declassamento che ha già subito per involucro e raggruppamento. Se è vicino al limite, faccia girare la geometria nel calcolatore di portata delle sbarre con e senza la perdita agli spigoli prima di impegnarsi su un raggio grande in una barra molto caricata.

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

Un bordo di rame cesoiato con una bava da 0,2 mm apre un guanto da arco elettrico. Apre anche una mano. La sbarra è pesante, viene movimentata più volte durante il montaggio e spesso viene messa in posizione con il montatore che ci mette sopra il proprio peso.

È questa la ragione per cui il trattamento degli spigoli viene prescritto su assiemi dove non esiste alcun argomento di concentrazione di campo, ed è una ragione del tutto valida. Ed è anche quella che si finisce per misurare, perché il consumo di guanti e il registro degli infortuni sono cose che un responsabile di stabilimento già segue.

Produrlo in modo ripetibile

La ragione per cui in molte officine il raggio di spigolo viene trattato come facoltativo è che una volta era un'operazione manuale, con lima o smerigliatrice a penna: quindi incostante, lenta e sgradevole.

Due categorie di macchine se ne occupano. La smussatura usa un mandrino di fresatura con utensile di forma per ricavare uno smusso o un raggio definito lungo lo spigolo della barra, compresi i bordi dei fori punzonati e le estremità. Il centro di smussatura EMAC-XT porta un mandrino BT40 fino a 6000 rpm con cambio utensile automatico a sei posizioni, lavora barre da 3 a 15 mm di spessore e da 30 a 230 mm di larghezza e tiene ±0,05 mm su posizionamento e ripetibilità. Qui il cambio utensile conta: avere nello stesso programma un utensile per smusso, un utensile di forma per il raggio e un utensile per i bordi dei fori significa che l'operatore non resta alla macchina a cambiare pinze fra una lavorazione e l'altra.

La sbavatura è un'operazione diversa con uno scopo diverso. Toglie la bava e lascia su tutto, bordi dei fori compresi, una piccola smussatura non controllata, in un solo passaggio. La sbavatrice BND800-2 prende barre da 0,5 a 50 mm di spessore e da 100 a 800 mm di larghezza a 5–30 m/min. È quella produttività a rendere praticabile sbavare ogni barra invece delle sole barre che qualcuno ha segnalato.

La distinzione da tenere presente: la sbavatura rende la barra sicura da movimentare e toglie il metallo sollevato che altrimenti si interporrebbe fra due facce accoppiate in una giunzione bullonata. Non produce un raggio controllato. Se un disegno prescrive R3 e qualcuno fa passare la barra su una linea di sbavatura e spunta la casella, il problema di isolamento che voleva risolvere è ancora tutto lì.