Verifica della sovratemperatura secondo la IEC 61439, via per via

La verifica dell'innalzamento di temperatura è il punto in cui la qualità della lavorazione delle sbarre diventa oggetto di audibilità. Tutti gli altri aspetti della verifica progettuale di un'apposito possono essere risolti su carta da chi non ha mai toccato il rame. Questo no, perché il valore che si verifica è prodotto da giunti che un montatore ha eseguito con una chiave dinamometrica.

La maggior parte delle linee guida pubblicate si ferma a nominare le tre vie. Le parti che determinano il successo di un progetto sono le condizioni al contorno per ciascuna via, ciò che il fattore di diversità nominale moltiplica effettivamente, e quali variabili di lavorazione influenzano il risultato. I riferimenti alle clausole sono quelli di IEC 61439-1

Le tre vie

La clausola 10.10.1 le elenca chiaramente. La verifica deve essere effettuata con una o più delle seguenti:

a) Prova, clausola 10.10.2. Un'apposito fisico, sotto carico, in un laboratorio accreditato.

b) Derivazione delle classificazioni per varianti simili da un design provato, clausola 10.10.3. La via del confronto: un insieme esistente provato, con classificazioni assegnate alle varianti secondo regole stabilite.

c) Calcolo, con due metodi separati e due limiti di corrente diversi. La clausola 10.10.4.2 tratta un'apposito a singolo scomparto non superiore a 630 A; la clausola 10.10.4.3 tratta un'apposito non superiore a 1600 A che utilizza il metodo dell'IEC TR 60890.

Due vincoli si applicano a tutte e tre le vie. Ogni via è limitata a frequenze nominali fino e comprese 60 Hz per i metodi di calcolo, e per gli apparati con frequenza nominale superiore a 60 Hz, la clausola 10.10.1 richiede la verifica per prova o per derivazione da un insieme provato alla stessa frequenza. La combinazione è permessa e normale: un'apposito multi-sezione può avere sezioni diverse verificate con vie diverse.

La via c) nel dettaglio, perché è quella con le condizioni particolari

La via del calcolo è quella a cui la maggior parte dei produttori fa ricorso, perché non richiede un laboratorio. Presenta anche le condizioni che più spesso escludono un progetto dopo che il design è stato definitivo.

Il metodo per 630 A (10.10.4.2)

Un bilancio delle perdite di potenza. La perdita di potenza totale dei componenti e dei conduttori all'interno dell'involucro viene confrontata con la capacità dell'involucro di dissiparla senza che l'aria interna superi la temperatura massima di esercizio di qualsiasi dispositivo. Veloce, conservativo e di portata limitata.

Condizioni, tutte da soddisfare simultaneamente:

• I dati di dissipazione termica di tutti i componenti integrati sono disponibili dal produttore del componente.
• Le perdite di potenza sono distribuite approssimativamente in modo uniforme all'interno dell'apparecchiatura.
• La corrente nominale di ogni circuito non supera l'80 % della corrente nominale convenzionale in aria libera (Ith) o la corrente nominale (In) degli interruttori e componenti di quel circuito.
• Le parti meccaniche e gli equipaggiamenti installati non ostacolano in modo significativo la circolazione dell'aria.
• I conduttori che trasportano più di 200 A e le parti strutturali adiacenti sono disposti in modo da minimizzare le perdite per correnti parassite e isteresi.
• Tutti i conduttori hanno una sezione minima calcolata sul 125 % della corrente ammissibile del circuito associato.
• L'innalzamento di temperatura dell'apparecchiatura in funzione della perdita di potenza installata è noto, sia dal produttore dell'apparecchiatura, da prove secondo la 10.10.4.2.2, o dal produttore dell'impianto di raffreddamento se è installato un raffreddamento attivo.

Il metodo delle 1600 A (10.10.4.3)

Si applicano le stesse regole di riduzione dell'80 % e di conduttore del 125 %, ma l'innalzamento di temperatura viene determinato con il metodo della IEC TR 60890 invece che con un semplice bilancio delle perdite di potenza. Sono aggiunte due condizioni geometriche che intercettano le tipologie a più scomparti:

• Non sono presenti più di tre partizioni orizzontali nell'apparecchiatura o nella sezione valutata.
• Per apparecchiature con scomparti e ventilazione naturale, la sezione delle aperture di ventilazione in ogni partizione orizzontale è almeno il 50 % della sezione orizzontale dello scomparto.

Oltre 1600 A, entrambe le vie di calcolo si precludono. Resta solo la prova o la derivazione da un progetto già collaudato, e questa via va definita in fase di progetto, non dopo aver costruito l'apparecchiatura.

Lo standard dichiara apertamente il motivo di questi margini: la clausola 10.10.4.1 stabilisce che, poiché le temperature locali effettive delle parti in cui scorre corrente non possono essere calcolate con questi metodi, sono necessari e inclusi alcuni limiti e margini di sicurezza. La riduzione dell'80 % e la dimensionamento dei conduttori al 125 % sono tali margini. Un'analisi più raffinata non li elimina.

La riduzione dell'80 % nella pratica

La riduzione non è un'annotazione a margine del calcolo. Modifica la distinta materiali.

Un circuito da 200 A non può utilizzare un apparecchio da 200 A. Serve uno con una classificazione in aria libera di almeno 250 A, regolato o fisso a 200 A, o un apposito di taglia superiore regolato più basso. La perdita di potenza usata nel calcolo è quella a 200 A, ma l'apparecchio stesso deve essere di telaio da 250 A o superiore. La regola dei conduttori la aggrava: un circuito principale da 200 A per barre viene dimensionato su 1,25 × 200 = 250 A, e ciò si applica a ogni conduttore interno dell'apparecchiatura.

Segue l'iterazione. Le sezioni dei conduttori vengono prima scelte per una temperatura dell'aria interna presunta. Una volta che il calcolo fornisce le temperature dell'aria effettive, componenti e conduttori possono necessitare di sostituzione e il calcolo deve essere rieseguito. Due o tre passaggi sono normali, e ciascuno può modificare la dimensione della barra, il che modifica lo schema dei fori, il che modifica l'utensile. La via di verifica va definita prima di dettagliare il rame, non dopo.

Il fattore di diversità nominale, e cosa fa effettivamente

L'RDF è il termine più frainteso della norma, e gran parte del malinteso deriva dal presupporre che si tratti di uno sconto applicato all'interno del calcolo. Non lo è.

La clausola 5.4 lo definisce: il valore per unità della corrente nominale, assegnato dal costruttore dell'assemblaggio, a cui i circuiti in uscita possono essere caricati in modo continuo e simultaneo, tenendo conto delle influenze termiche reciproche. Può essere indicato per gruppi di circuiti o per l'intero assemblaggio. Due clausole nella definizione fanno il lavoro. L'RDF moltiplicato per la corrente nominale dei circuiti deve essere uguale o superiore al carico presunto dei circuiti in uscita, e l'RDF si applica con l'assemblaggio operante alla sua corrente nominale InA.

Quindi l'RDF è una potenza nominale dichiarata, non un input di calcolo. La clausola 10.10.1 lo enuncia esattamente: la capacità di trasporto di corrente dei circuiti da verificare è determinata dalla corrente nominale e dall'RDF. Definisce ciò che viene verificato.

Dove l'RDF entra nel percorso di prova

Nei metodi di prova, l'RDF è esplicito e fisico.

• Clausola 10.10.2.3.5, verifica dell'assemblaggio completo: i circuiti in ingresso e in uscita vengono caricati alle loro correnti nominali, che la norma dichiara equivalenti a un fattore di diversità nominale di 1. Veloce, conservativo, ma non dimostra nulla sulla diversità perché non ne assume nessuna.
• Clausole 10.10.2.3.6 e 10.10.2.3.7 d): l'assemblaggio viene verificato caricando il circuito in ingresso alla sua corrente nominale e le unità funzionali in uscita alla loro corrente nominale moltiplicata per il fattore di diversità. È qui che un'RDF dichiarato inferiore a 1 viene effettivamente guadagnato.

L'Allegato O illustra lo scambio: il metodo a) richiede il minor numero di prove, ma la disposizione di prova è più gravosa del necessario e il risultato si applica solo a tale disposizione.

Dove l'RDF non entra: il percorso di calcolo

Entrambe le clausole di calcolo affermano lo stesso principio: le perdite di potenza effettive di tutti i circuiti, compresi i conduttori interconnettenti, devono essere calcolate sulla base della corrente nominale dei circuiti. Non c'è moltiplicatore RDF. La diversità entra da un'altra porta. La perdita di potenza totale viene calcolata tenendo conto del fatto che la corrente di carico totale è limitata alla corrente nominale dell'assemblaggio.

La nota illustrativa della norma stessa lo rende concreto. Un assemblaggio a singolo scomparto con potenza nominale di 100 A, limitata dalle sbarre di distribuzione, è dotato di 20 circuiti in uscita ciascuno presunto a 8 A. La perdita di potenza effettiva totale viene calcolata per 12 circuiti in uscita a 8 A ciascuno, perché 12 × 8 = 96 A è ciò che la potenza nominale in ingresso di 100 A distribuirà effettivamente. Dodici circuiti a pieno carico, non venti circuiti con un fattore di diversità.

Questa distinzione è quella pratica. La guida pubblicata da BEAMA sulla verifica non mediante prove lo enuncia chiaramente quanto chiunque altro: il fattore di diversità nominale non viene considerato durante la verifica dell'innalzamento di temperatura per calcolo, e la combinazione di perdite di potenza più gravosa di circuiti operanti alla loro corrente nominale viene utilizzata per distribuire la corrente nominale dell'assemblaggio. Chiunque abbia applicato uno sconto RDF all'interno di un foglio di calcolo per TR 60890 ha calcolato un innalzamento di temperatura inferiore a quello che la norma gli consente di dichiarare.

I valori tabulati

Qualora produttore e utilizzatore non abbiano concordato i valori effettivi delle correnti di carico, le parti del prodotto forniscono valori di fallback del carico presunto, indicizzati al numero di circuiti principali o di uscita. Nelle Parti 1 e 2 il valore parte da 1,0 per un circuito di ingresso e decresce al crescere delle vie in uscita, raggiungendo 0,6 con dieci o più circuiti. Nella Parte 3, per quadri di distribuzione utilizzati da persone non specializzate, la scala è sistematicamente di un passo inferiore e si ferma a 0,5.

Un valore di 0,4 circola ampiamente online come limite inferiore di questa range. Non compare nei valori tabulati di carico presunto delle Parti 1, 2 o 3. Un produttore può自然mente dichiarare un RDF inferiore al fallback tabulato, poiché l'RDF è assegnato dal produttore e la tabella si applica solo in assenza di accordo. Tuttavia, se una specifica cita 0,4 come proveniente dallo standard, è opportuno chiedere da dove.

L'Allegato E della Parte 1 presenta esempi con valori RDF come 0,68. Il numero non è un valore arrotondato da una tabella; deriva dal calcolo del carico.

I limiti applicabili

La Tabella 6 della IEC 61439-1 dice più dei due numeri solitamente citati.

I morsetti per conduttori isolati esterni sono limitati a 70 K. La nota li qualifica due volte. I 70 K sono un valore basato sul prova convenzionale della clausola 10.10, e un'assemblea utilizzata in condizioni reali di installazione può avere collegamenti il cui tipo e disposizione differiscono dalla prova, producendo un diverso aumento di temperatura del morsetto che può essere richiesto o accettato. E dove i morsetti di un componente integrato sono anche i morsetti per conduttori isolati esterni, governa il minore dei due limiti applicabili: il limite del produttore del componente e 70 K, prendendo il valore più basso.

Le sbarre e i conduttori non hanno un singolo numero nella tabella. La riga afferma che il limite è determinato dalla resistenza meccanica del materiale conduttore, dai possibili effetti sugli apparecchi adiacenti, dal limite di temperatura permesso dei materiali isolanti a contatto con il conduttore, dall'effetto della temperatura del conduttore sugli apparecchi collegati ad esso e, per i contatti a spina, dalla natura e dal trattamento superficiale del materiale di contatto.

105 K compare nella nota g, come tetto sopra quei criteri: soddisfatti tutti i criteri elencati, un aumento massimo di temperatura di 105 K per sbarre e conduttori in rame nudo non deve essere superato. La nota 1 ne dà il motivo: 105 K è la temperatura sopra la quale è probabile che il rame si ricuoca. È un limite metallurgico. Raggiungerlo rende la sbarra piuttosto, che è una modalità di guasto meccanico, non elettrico.

Le ipotesi ambientali si applicano a tutto ciò. I limiti della Tabella 6 si applicano per una temperatura media dell'aria ambiente fino a 35 °C in servizio. L'Allegato O aggiunge il picco: temperature giornaliere medie e massime dell'ambiente non superiori rispettivamente a 35 °C e 40 °C. Durante la prova stessa l'ambiente deve essere compreso tra 10 °C e 40 °C, misurato da almeno due sensori intorno all'assemblea, a circa metà della sua altezza e a circa 1 m di distanza, schermati da correnti d'aria e radiazioni.

Due letture pratiche. In primo luogo, il tetto di 105 K è raramente il vincolo vincolante. Il materiale isolante a contatto con la sbarra, o il dispositivo su cui poggia la sbarra, di solito è il primo a limitare. In secondo luogo, un'assemblea destinata a un ambiente più caldo di una media di 35 °C necessita che i suoi limiti siano adattati, e la clausola 9.2 nota che se i limiti vengono modificati per coprire un ambiente diverso, le correnti nominali delle sbarre e delle unità funzionali possono dover essere modificate di conseguenza.

Costi e tempi di ciascuna via

Non esistono listini pubblici per prove di aumento di temperatura accreditate, perché il costo è dominato dal numero di disposizioni di prova e da ciò che deve essere costruito. È la struttura del costo a informare la decisione.

• Prove: vengono costruiti uno o più campioni rappresentativi nella configurazione più onerosa, spediti e fatturati al tempo di laboratorio. La prova prosegue fino a quando l'innalzamento di temperatura raggiunge un valore costante, che la clausola 10.10.2.3.1 definisce in pratica come una variazione in tutti i punti misurati, inclusa l'ambiente, non superiore a 1 K/h. Questo corrisponde tipicamente a quasi una giornata lavorativa per configurazione, prima della strumentazione e delle operazioni di allestimento. La corrente viene fornita attraverso conduttori di prova specificati in dettaglio dalla norma. Oltre 800 A ciò significa barre di rame di dimensioni dichiarate con lunghezze minime di collegamento di 3 m, riducibili a 2 m solo in una condizione di temperatura specificata. Oltre 4000 A il costruttore originale determina la configurazione, che fa parte del rapporto. Il costo è dominato dalla costruzione del campione e dal numero di configurazioni. Il ritardo è dominato dalla coda del laboratorio, mesi piuttosto che settimane per lavorazioni ad alta corrente. Lo slot non dovrebbe essere prenotato prima che i giunti siano realizzati nel modo in cui verranno realizzati in produzione.

• Derivazione da un design già provato: il metodo più economico e rapido quando il design provato è già di proprietà, ed è per questo che i fornitori di sistemi di assemblaggio lo vendono come parte del pacchetto. All'interno delle sue regole, gran parte del lavoro è già stata svolta. Al di fuori di esse, è di nuovo necessaria una prova.

• Calcolo: nessun laboratorio, quindi il costo è il tempo di ingegneria più i dati dei componenti. Il costo nascosto è la raccolta dati: la condizione a) richiede dati sulle perdite di potenza per tutti i componenti integrati, e ottenere questi dati da ogni fornitore di dispositivi per un elenco misto di materiali richiede più tempo del calcolo stesso. Prevedere giorni piuttosto che ore per un primo assemblaggio, meno successivamente man mano che i dati sui componenti si accumulano. Il vero rischio è scoprire alla fine dell'iterazione che era necessario un telaio o una sbarra più grandi, cosa che un passaggio approssimativo iniziale porterà alla luce.

Perché la qualità della lavorazione determina il risultato

Ogni via misura fondamentalmente la stessa grandezza fisica, e la clausola 10.10.2.3.3 la nomina direttamente: particolare attenzione va prestata ai giunti nei conduttori e nei morsetti all'interno dei circuiti principali. I giunti sono nominati come punti di misura.

La resistenza del giunto ha due componenti. La resistenza di diffusione, dovuta alla deviazione della corrente attraverso la sovrapposizione, è una funzione del rapporto tra sovrapposizione e spessore e del schema di fori: fori di bullone attraverso la larghezza della sbarra penalizzano più di fori allineati lungo la sua lunghezza. La resistenza di contatto è una funzione delle condizioni superficiali e della pressione.

L'area di contatto non è l'area di sovrapposizione. Solo circa l'1% dell'apparente sovrapposizione conduce la corrente, attraverso contatti discreti per asperità. La resistenza di contatto diminuisce rapidamente con la pressione fino a circa 10 N/mm² e si stabilizza attorno a 30 N/mm²; al di sotto di circa 7 N/mm² non è consigliabile operare affatto. Poiché la pressione non può essere misurata sul campo, viene inferita dalla coppia attraverso il fattore di bullone, che varia da circa 0,20–0,22 a secco fino a 0,15–0,16 con un lubrificante al bordo. Lo stesso impostazione di chiave su filetti unto forza circa il 30% di precarico in più rispetto a quelli a secco. I valori di coppia e le istruzioni di lubrificazione devono provenire dalla stessa fonte, altrimenti il numero nella procedura è fittizio.

La preparazione della superficie è la variabile più economica e la più spesso trascurata. Le superfici dovrebbero essere piatte e appena strofinate subito prima dell'assemblaggio, in modo che la pressione di serraggio rompa l'ossido e formi un contatto metallo-metallo il maggior numero possibile di punti. Un reb界do lasciato sulla faccia del giunto fa l'opposto: tiene le barre separate, facendo divergere l'area di contatto calcolata da quella reale. È per questo che la smussatura appartiene alla sequenza di lavorazione piuttosto che nelle mani del montatore, e perché esiste una linea come la BND800-2 che lavora barre da 0,5 a 50 mm di spessore a 5–30 m/min.

L'imbossatura è l'altra leva, e quella meno utilizzata. Sollevare una zona di contatto controllata concentra la precarico disponibile del bullone su un'area definita e piana invece di lasciarla distribuirsi su una sovrapposizione che potrebbe essere o meno in contatto. Dove un giunto è termicamente marginale, una zona di contatto progettata è spesso una soluzione migliore di un bullone in più.

La precisione dello schema dei fori incide direttamente su tutto quanto sopra. Un errore di passo in un giunto multip bullone significa bulloni che si contrastano in fori troppo grandi e precarico distribuita in modo irregolare. Una punzonatura che mantiene la posizione con precisione non costa extra per foro e rimuove una variabile da una prova di laboratorio per la quale si sta pagando. Un centro di lavorazione come l'IMAC-CENTER 80 lavora con una tolleranza di ±0,05 mm. La pagina sul processo di punzonatura tratta l'aspetto utensile, e l'articolo sullo schema dei fori tratta la distanza dal bordo e il passo.

Scelta della via

Dimensionare la sbarra confrontando con una fonte di valori nominali con i suoi fattori di correzione intatti piuttosto che con una tabella a condizioni di riferimento. DIN 43671 classifica la sbarra di rame a 35 °C ambiente e 65 °C di temperatura della sbarra, con correzioni per l'ambiente da 0 a 60 °C, la temperatura di esercizio fino a 125 °C e fattori per la disposizione della sbarra e il numero di barre per fase. All'interno di un armadio con aria interna a 55 °C, quelle correzioni fanno la differenza tra una sbarra che supera la prova e una che non la supera.

Il calcolatore di portata delle sbarre applica le correzioni anziché presupporre condizioni di riferimento. Quando l'assemblaggio è destinato al mercato nordamericano, i limiti cambiano completamente e cambia anche la sbarra. Il confronto è in UL 891 versus IEC 61439.