Scalinatura, svasatura e piastra di giunzione: come si fa un giunto di blindosbarra

Quasi tutto ciò che si pubblica sulle blindosbarre descrive il sistema finito: valori nominali, unità di derivazione, grado IP, sequenza di installazione. Molto poco descrive come il giunto venga davvero formato, il che è strano, perché il giunto è la parte che un costruttore deve fabbricare ed è la parte che decide se la tratta supera una prova di sovratemperatura. Tre operazioni di formatura trasformano il conduttore grezzo in estremità di blindosbarra: la scalinatura, la svasatura e la piastra di giunzione. Ecco che cosa fa ciascuna e che cosa chiede alla macchina che la esegue.

Il pacco ha un passo nella tratta e un passo diverso al giunto

La blindosbarra sandwich impacchetta i conduttori faccia contro faccia con un film isolante sottile in mezzo. È tutto il senso di quella costruzione: distanza minima significa area di spira minima, il che significa bassa reattanza e caduta di tensione bassa anche con fattore di potenza scadente. In una tratta a quattro poli con barre da 6 mm e isolamento da 0,5 mm, i centri dei conduttori distano circa 6,5 mm.

Al giunto quella distanza non può reggere. Ogni coppia di conduttori deve essere serrata fra due piastre conduttrici, e la coppia di piastre di ciascuna fase deve essere separata dalla fase successiva da un isolatore abbastanza spesso da soddisfare le distanze in aria e superficiali che il progetto dichiara. Il passo dei conduttori dentro un blocco di giunzione è tipicamente da tre a quattro volte il passo di tratta. I conduttori devono quindi essere allontanati fra loro man mano che si avvicinano all'estremità di giunzione, ciascuno di una quantità diversa, e ciascuno deve arrivare esattamente all'altezza che il blocco di giunzione si aspetta.

Quello spostamento è la scalinatura. È una coppia di pieghe accoppiate nello stesso verso che traslano la barra dal proprio piano di tratta al proprio piano di giunzione lasciando parallele le due facce. La barra A sale di 9 mm, la barra B sale di 3 mm, la barra C scende di 3 mm, la barra D scende di 9 mm. I valori dipendono interamente dal blocco di giunzione, ma lo schema è simmetrico rispetto alla mezzeria del pacco e le facce di estremità finiscono tutte sul riferimento che il blocco definisce. Sbagli di mezzo millimetro lo spostamento di una barra e le sue piastre di giunzione entrano storte, il pacco di molle a tazza carica in modo disuniforme e quella fase lavora più calda delle altre tre per tutta la vita della tratta.

Forza di formatura della scalinatura

La scalinatura sembra piccola su un disegno e non è piccola su una pressa. A guidare la forza sono due cose. La prima è la sezione: la forza in piegatura scala con la larghezza e con il quadrato dello spessore. La seconda viene sottovalutata più spesso. Le due pieghe di una scalinatura stanno vicine fra loro, quindi l'apertura di matrice effettiva è corta, e una campata corta richiede forza elevata per una data freccia allo stesso modo in cui una trave corta richiede più carico di una lunga.

Una verifica di ordine di grandezza chiarisce il punto. Prenda Cu-ETP 300 mm × 6 mm allo stato semicrudo, R240/H065 secondo la EN 13601, resistenza a trazione 240–300 N/mm². La capacità a trazione della sezione piena di quella barra è attorno a 480 kN. La flessione plastica locale ne richiede una frazione, ma non una frazione piccola quando l'apertura di matrice è corta e il materiale è incrudito dalla prima piega prima che cominci la seconda. Una macchina di formatura per blindosbarre con 300 kN alla stazione di scalinatura, come la linea EMAC-BDM, è dimensionata esattamente per questo: spostamenti ripetuti in rame largo e duro senza che la slitta si deformi abbastanza da cambiare lo spostamento da una barra alla successiva.

Il ritorno elastico conta qui quanto nella normale piegatura delle sbarre, ed è più difficile da compensare. Una piega singola ha un solo angolo da correggere. Una scalinatura ha due pieghe i cui ritorni elastici si annullano in parte, e il residuo si esprime come errore di spostamento e non come errore d'angolo, quindi l'operatore vede una barra che accoppia male e non una barra visibilmente fuori angolo. È per questo che gli spostamenti di scalinatura si impostano come quota programmata contro un arresto e non si ritoccano a occhio.

La svasatura è un imbocco, non una seconda scalinatura

La scalinatura decide dove sta la barra. La svasatura è una piega angolata poco profonda proprio sulla punta del conduttore, aperta verso l'esterno rispetto alla mezzeria del giunto, e il suo compito è far trovare alla barra la propria sede. Montare in cantiere un giunto di blindosbarra significa infilare le estremità nude dei conduttori di una tratta nel blocco già installato sulla tratta adiacente, in alto, su una piattaforma, spesso con un angolo scomodo. Senza un imbocco svasato la barra si impunta sul bordo della piastra di giunzione o sull'isolatore e il montatore la forza, cosa che riga il rivestimento e spinge truciolo di rame dentro il giunto.

La terminologia cambia da costruttore a costruttore. Alcuni chiamano svasatura tutta l'operazione di formatura dell'estremità, alcuni riservano la svasatura alla rastrematura di punta e la scalinatura allo spostamento, e alcuni cataloghi di macchine usano entrambe le parole per la stessa stazione. Quello che conta in officina è che le due lavorazioni hanno tolleranze diverse. Lo spostamento è una quota di accoppiamento e deve tenere entro qualche decimo di millimetro. L'angolo di svasatura è una lavorazione di montabilità e un grado in più o in meno non cambia nulla, ed è per questo che le macchine che lo formano lo fanno di norma con un angolo programmabile anziché con un utensile dedicato. Sulla EMAC-BDM la corsa di svasatura è di 30 mm con l'angolo impostato nel programma, così un cambio di blocco di giunzione non comporta un cambio utensile.

Una conseguenza per la pianificazione della produzione: poiché il conduttore viene tagliato a misura e formato nello stesso bloccaggio, il riferimento di lunghezza e il riferimento dello spostamento coincidono. Se taglio e formatura avvengono su macchine separate con attrezzature separate, ogni trasferimento aggiunge un errore di accumulo a una quota che non ha margine.

Piastre di giunzione e la sequenza punzonare, stirare, tagliare

La piastra di giunzione (piastra di collegamento, piastra di connessione o barretta di giunzione, a seconda di chi ha fatto il disegno) è la striscia conduttrice che scavalca lo spazio fra due conduttori affacciati e porta la corrente attraverso il giunto. In un giunto di testa porta l'intera corrente di fase per la lunghezza della sovrapposizione, il che rende la sua sezione, il suo rivestimento e la sua planarità parametri elettrici e non meccanici.

Il materiale è di norma la stessa lega del conduttore, Cu-ETP per i sistemi in rame, in spessore più sottile: da 3 a 4,5 mm è la fascia abituale, contro 5-10 mm per il conduttore stesso. I sistemi in alluminio usano piastre in alluminio per la stessa ragione. Una piastra di rame su una barra di alluminio mette una coppia di metalli diversi nel punto più caldo e meno accessibile della tratta.

La sequenza di formatura su una macchina dedicata alle piastre di giunzione è punzonare, stirare, tagliare. L'operazione centrale porta più intenzione progettuale di quanta ne suggerisca il nome.

Punzonare apre il foro di passaggio del bullone attraverso la striscia. Lavoro ordinario di punzonatura, salvo che la posizione del foro è l'unico elemento autoriferente del giunto, quindi la sua tolleranza è la tolleranza dell'intero assieme.

Stirare, operazione a volte chiamata bugnatura o goffratura, ricava dalla piastra un rilievo attorno al foro o accanto a esso. Quel rilievo è un distanziale. Quando due piastre si affacciano con i rilievi che si toccano, l'altezza del rilievo fissa la luce fra di esse, e quella luce è la sede in cui entra il conduttore. Funziona anche da arresto meccanico contro l'inserimento eccessivo, così un montatore non può spingere una barra tanto dentro da schiacciare l'isolatore di fase dietro la piastra. La tecnica è vecchia e ben documentata: il brevetto statunitense 5760339 descrive linguette distanziatrici formate dal materiale spostato quando si esegue il foro, che mantengono la separazione fra le piastre e limitano la profondità di inserimento esattamente in questo modo. Ricavare il distanziale dalla piastra stessa toglie un componente dalla distinta base e toglie un accumulo di tolleranze dalla catena.

Tagliare cesoia la piastra finita dalla striscia. Poiché la striscia viene lavorata in continuo e cesoiata per ultima, fra una piastra e l'altra non c'è sfrido.

Perché la precisione del passo fori si accumula

Una macchina dedicata alle piastre di giunzione è specificata sulla precisione del passo fori anziché sulla forza, e la ragione è l'errore cumulativo.

Prenda prima il caso interno al giunto. Tutte le piastre di un blocco di giunzione condividono un solo bullone. Se il foro di una piastra sta 0,3 mm fuori posizione, quella piastra non riesce a centrarsi sul bullone, quindi le molle a tazza la caricano in modo eccentrico. La resistenza di contatto di una giunzione bullonata è fissata dall'area di contatto reale sulle punte delle asperità, che è una piccola frazione dell'area di sovrapposizione apparente, e quell'area reale è fissata da come è distribuita la pressione. Sbilanci la pressione e perde contatto da un lato della piastra più in fretta di quanto ne guadagni dall'altro. Il giunto si monta comunque, supera comunque una prova di continuità e lavora qualche kelvin più caldo dei vicini. Su una vita di progetto misurata in decenni di cicli di carico, è così che i giunti degradano.

Ora il caso lungo la tratta. La blindosbarra viene tracciata sulla geometria dell'edificio: la tratta parte da un quadro e finisce in un punto fisso, e la somma di ogni lunghezza di tronco più ogni luce di giunto deve cadere su quel punto. Una striscia lavorata a ±0,1 mm/m accumula al massimo 0,6 mm da un capo all'altro su una lunghezza di 6 m. Una macchina che tiene ±0,5 mm/m accumula 3 mm sulla stessa striscia. Su una tratta di 60 m costruita con tronchi da 3 m si tratta all'incirca di venti giunti. Se l'errore è sistematico e non casuale, la tratta va alla deriva di venti volte l'errore per tronco nello stesso verso, e l'errore di macchina di solito è sistematico, perché viene da una vite a ricircolo o da un encoder e non dal rumore. Sei millimetri di deriva vengono assorbiti dal gioco del giunto. Trenta no, e l'ultimo tronco non entra.

Quindi la ragione per tenere meglio di ±0,1 mm/m è aritmetica: mantiene l'errore accumulato dentro il gioco di giunzione con cui il blocco è stato progettato.

Montaggio: il giunto a un solo bullone

I giunti moderni di blindosbarra sono a un solo bullone. Un bullone ad alta resistenza attraversa l'intero pacco, isolatore, piastra, conduttore, piastra, isolatore, fase dopo fase, e una sola operazione di serraggio comprime tutte le interfacce di contatto del giunto. I valori pubblicati per le grandi gamme di blindosbarra sandwich collocano la forza di serraggio di quel singolo bullone sopra i 4000 lbf, all'incirca 18 kN, distribuita sulle facce di contatto da molle a tazza coniche di grande diametro. Sopra i 2000 A circa, le stesse gamme passano a due o tre bulloni, uno per gruppo di conduttori, perché un solo bullone non riesce più a distribuire uniformemente la pressione su un conduttore più largo.

Il bullone è di norma un dado a doppia testa tranciabile. La testa esterna è lavorata per staccarsi a una coppia definita lasciando dietro di sé quella interna, così un'ispezione a vista può confermare che tutti i giunti di una tratta sono stati serrati correttamente, senza chiave dinamometrica e senza un registro di taratura per quella chiave. Alcuni progetti aggiungono un disco indicatore colorato che cade quando la testa si tranca.

Niente di tutto questo aiuta se i pezzi che alimentano il blocco sono fuori tolleranza. Il blocco di giunzione assume un conduttore a un'altezza nota con una finitura di rivestimento nota, una piastra di giunzione con il foro in una posizione nota e un rilievo di altezza nota, e facce abbastanza piane perché la pressione di un solo bullone le raggiunga tutte.

Dove stanno le norme

Due documenti inquadrano le blindosbarre nella maggior parte delle gare, e non si sovrappongono come si tende a credere.

La UL 857 è la norma di prodotto nordamericana per le blindosbarre. Il suo campo di applicazione arriva a 600 V e 6000 A e copre le blindosbarre di arrivo, di dorsale e di circuito terminale. La conformità si ottiene con certificazione NRTL e sorveglianza in fabbrica, il che significa che la costruzione che è stata provata è la costruzione che lei è obbligata a continuare a fabbricare. La NEMA BU 1 le sta accanto come norma di prodotto e, insieme alla BU 1.1, copre movimentazione e installazione delle blindosbarre da 100 A in su.

La IEC 61439-6

è la parte sui condotti sbarre della serie IEC 61439. Ne verifichi il campo di applicazione prima di citarla. Si applica ai sistemi di condotti sbarre fino a 1000 V in corrente alternata o 1500 V in corrente continua e, a differenza della UL 857, non dichiara alcun tetto di corrente. Inoltre non si può usare da sola: è scritta come integrazione rispetto alla IEC 61439-1 e va letta insieme a essa, come lo è la IEC 61439-2. Ha sostituito la IEC 60439-2 e ha portato le blindosbarre sulla struttura di verifica che usa il resto della serie: prova, calcolo o confronto con un progetto di riferimento già verificato. Per un costruttore, la conseguenza pratica di quella terza via è che il suo processo deve essere abbastanza ripetibile perché le unità che spedisce siano confrontabili con quella che è stata verificata. L'obbligo cade sulla produzione, non su chi gestisce i documenti.

Nessuna delle due norme le dice come formare una scalinatura. Entrambe rendono un suo problema le conseguenze di formarla male.

Che cosa sta facendo al giunto il carico dei data center

I giunti di blindosbarra erano un dettaglio a bassa corrente in un progetto di distribuzione. Non più. Man mano che i rack passano da una base di 5–15 kW ad armadi ottimizzati per l'IA che assorbono 60, 80 e oltre 100 kW, valori nominali di derivazione e di giunto di 400 A permanenti e oltre sono diventati ordinari anziché eccezionali. Un giunto che passa la vita a 400 A invece che a 100 A dissipa sedici volte la potenza a parità di resistenza di contatto, nello stesso volume chiuso, con lo stesso isolatore lì accanto.

Questo cambia ciò che un costruttore deve tenere sotto controllo. Il rivestimento delle facce di contatto smette di essere una voce che si toglie per contenere i costi. La planarità della piastra di giunzione smette di essere estetica. E il margine di sovratemperatura che una volta assorbiva un giunto approssimativo non c'è più. Se vuole vedere quanto rapidamente la temperatura del conduttore si muova con la corrente per una data sezione, il calcolatore di portata delle sbarre rende concreta la relazione I²R.