Verifica della sovratemperatura secondo la IEC 61439, via per via

La verifica della sovratemperatura è il punto in cui la qualità di lavorazione delle sbarre diventa un rilievo di audit. Tutto il resto della verifica di progetto di un quadro si può chiudere sulla carta da qualcuno che non ha mai toccato il rame. Questo no, perché il numero che si verifica è prodotto da giunzioni fatte da un montatore con una chiave dinamometrica.

La maggior parte delle guide pubblicate si ferma al nome delle tre vie. Le parti che decidono se una commessa riesce sono le condizioni al contorno di ciascuna via, che cosa moltiplichi davvero il fattore di contemporaneità nominale e quali variabili di fabbricazione spostino il risultato. I riferimenti ai punti qui sotto sono alla IEC 61439-1

Le tre vie

Il punto 10.10.1 le elenca senza giri di parole. La verifica deve essere fatta con una o più delle seguenti:

a) Prova, punto 10.10.2. Un quadro fisico, caricato, in un laboratorio accreditato.

b) Derivazione dei valori nominali per varianti simili a partire da un progetto provato, punto 10.10.3. La via del confronto: si dispone già di una configurazione provata e si assegnano valori nominali a sue varianti secondo regole dichiarate.

c) Calcolo, con due metodi distinti e due tetti di corrente diversi. Il punto 10.10.4.2 copre un quadro a scomparto unico non superiore a 630 A; il punto 10.10.4.3 copre un quadro non superiore a 1600 A usando il metodo della IEC TR 60890.

Due vincoli stanno sopra tutte e tre. Ogni via è limitata a frequenze nominali fino a 60 Hz compresi per i metodi di calcolo e, per quadri con frequenza nominale superiore a 60 Hz, il punto 10.10.1 richiede la verifica per prova o per derivazione da un progetto provato alla stessa frequenza. La combinazione è ammessa ed è normale: un quadro a più sezioni può avere sezioni diverse verificate per vie diverse.

La via c) nel dettaglio, perché è quella con le clausole in piccolo

La via di calcolo è quella a cui la maggior parte dei costruttori ricorre, perché non richiede un laboratorio. Porta anche le condizioni che più spesso squalificano una commessa dopo che il progetto è stato congelato.

Il metodo fino a 630 A (10.10.4.2)

Un bilancio di perdite di potenza. La perdita di potenza totale di componenti e conduttori dentro l'involucro viene confrontata con la capacità dell'involucro di dissiparla senza che l'aria interna superi la massima temperatura di funzionamento di un qualsiasi dispositivo. Rapido, conservativo e stretto.

Condizioni, che devono essere tutte soddisfatte:

• I dati di perdita di potenza di tutti i componenti incorporati sono disponibili dal costruttore del componente.
• Le perdite di potenza sono distribuite in modo approssimativamente uniforme dentro l'involucro.
• La corrente nominale di ciascun circuito non supera l'80 % della corrente termica convenzionale nominale in aria libera (Ith), o della corrente nominale (In), degli apparecchi di manovra e dei componenti di quel circuito.
• Le parti meccaniche e le apparecchiature installate non ostacolano in modo significativo la circolazione dell'aria.
• I conduttori che portano più di 200 A, e le parti strutturali adiacenti, sono disposti in modo da minimizzare le perdite per correnti parassite e per isteresi.
• Tutti i conduttori hanno una sezione minima basata sul 125 % della corrente nominale ammessa del circuito associato.
• È nota la sovratemperatura dell'involucro in funzione della perdita di potenza installata, sia dal costruttore dell'involucro, sia da prova secondo 10.10.4.2.2, sia dal costruttore dell'impianto di raffreddamento dove è previsto un raffreddamento attivo.

Il metodo fino a 1600 A (10.10.4.3)

Stesso declassamento all'80 % e stessa regola del 125 % sui conduttori, con la sovratemperatura determinata dal metodo della IEC TR 60890 anziché da un semplice bilancio di perdite. Aggiunge due condizioni geometriche che colpiscono i progetti a più scomparti:

• Non ci sono più di tre setti orizzontali nel quadro o nella sezione in esame.
• Per involucri con scomparti e ventilazione naturale, la sezione delle aperture di ventilazione in ciascun setto orizzontale è almeno il 50 % della sezione orizzontale dello scomparto.

Sopra i 1600 A entrambe le vie di calcolo si chiudono. Restano la prova o la derivazione da un progetto provato, ed è una decisione da prendere prima di costruire, non dopo.

La norma è franca sul perché esistano quei margini: il punto 10.10.4.1 dichiara che, poiché con questi metodi non è possibile calcolare le temperature locali effettive delle parti percorse da corrente, alcuni limiti e margini di sicurezza sono necessari e sono inclusi. Il declassamento all'80 % e il dimensionamento dei conduttori al 125 % sono quei margini. Non sono un eccesso di prudenza che si possa smontare con un'analisi migliore.

Il declassamento all'80 % nella pratica

Il declassamento non è una nota nel fascicolo. Cambia la distinta base.

Un circuito da 200 A non può usare un dispositivo da 200 A. Ne serve uno la cui corrente in aria libera sia almeno 250 A, regolato o fissato a 200 A, oppure una taglia più grande regolata più in basso. La perdita di potenza usata nel calcolo è quella a 200 A, ma il dispositivo dev'essere di taglia 250 A o superiore. La regola sui conduttori ci si somma: un circuito di sbarre principali da 200 A si dimensiona su 1,25 × 200 = 250 A, e questo vale per ogni conduttore interno del quadro.

Poi c'è l'iterazione. Le sezioni dei conduttori si scelgono all'inizio per una temperatura dell'aria interna assunta. Una volta che il calcolo produce le temperature effettive dell'aria, componenti e conduttori possono richiedere modifiche e il calcolo va rifatto. Due o tre passaggi sono normali, e ognuno può spostare la misura della barra, che sposta lo schema di foratura, che sposta gli utensili. Definisca la via di verifica prima che il rame sia dettagliato, non dopo.

Il fattore di contemporaneità nominale, e che cosa fa davvero

L'RDF è il termine più frainteso della norma, e gran parte del fraintendimento nasce dall'assumere che sia uno sconto applicato dentro il calcolo. Non lo è.

Il punto 5.4 lo definisce: il valore per unità della corrente nominale, assegnato dal costruttore del quadro, al quale i circuiti in uscita possono essere caricati con continuità e simultaneamente, tenendo conto delle mutue influenze termiche. Può essere dichiarato per gruppi di circuiti o per l'intero quadro. Nella definizione sono due le clausole che fanno il lavoro. L'RDF moltiplicato per la corrente nominale dei circuiti deve essere uguale o superiore al carico assunto dei circuiti in uscita, e l'RDF si applica con il quadro che funziona alla propria corrente nominale InA.

Quindi l'RDF è un valore nominale dichiarato, non un dato di ingresso del calcolo. Il punto 10.10.1 lo dice esattamente: la capacità di portata dei circuiti da verificare è determinata dalla corrente nominale e dall'RDF. Definisce che cosa si sta verificando.

Dove l'RDF entra nella via di prova

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

• Punto 10.10.2.3.5, verifica del quadro completo: i circuiti in arrivo e in uscita vengono caricati alle rispettive correnti nominali, cosa che la norma dichiara equivalente a un fattore di contemporaneità nominale pari a 1. Rapido, conservativo, e non dimostra nulla sulla contemporaneità perché non ne ha assunta alcuna.
• Punti 10.10.2.3.6 e 10.10.2.3.7 d): il quadro viene verificato caricando il circuito in arrivo alla propria corrente nominale e le unità funzionali in uscita alla loro corrente nominale moltiplicata per il fattore di contemporaneità. È qui che un RDF dichiarato inferiore a 1 viene davvero guadagnato.

L'Allegato O espone il compromesso: il metodo a) richiede il minor numero di prove ma la configurazione di prova è più onerosa del necessario e il risultato vale solo per quella configurazione.

Dove l'RDF non entra: la via di calcolo

Entrambi i punti sul calcolo dicono la stessa cosa: le perdite di potenza effettive di tutti i circuiti, conduttori di interconnessione compresi, devono essere calcolate sulla base della corrente nominale dei circuiti. Non c'è alcun moltiplicatore RDF. La contemporaneità entra da un'altra porta. La perdita di potenza totale si calcola tenendo conto che la corrente di carico totale è limitata alla corrente nominale del quadro.

La nota svolta dalla norma stessa lo rende concreto. Un quadro a scomparto unico con corrente nominale 100 A, limitata dalle barre di distribuzione, è dotato di 20 circuiti in uscita ciascuno assunto a 8 A. La perdita di potenza effettiva totale si calcola per 12 circuiti in uscita a 8 A ciascuno, perché 12 × 8 = 96 A è quanto la corrente nominale in arrivo di 100 A distribuirà davvero. Dodici circuiti a pieno carico, non venti circuiti con un fattore di contemporaneità.

È questa la distinzione pratica. Le indicazioni pubblicate da BEAMA sulla verifica senza prova la esprimono con la massima chiarezza: il fattore di contemporaneità nominale non si considera quando si verifica la sovratemperatura mediante calcolo, e si usa la combinazione di perdite di potenza più onerosa fra i circuiti che funzionano alla propria corrente nominale per distribuire la corrente nominale del quadro. Chi ha applicato uno sconto RDF dentro un foglio di calcolo TR 60890 stava calcolando una sovratemperatura più bassa di quella che la norma gli consente di dichiarare.

I valori tabulati

Dove costruttore e utilizzatore non hanno concordato le correnti di carico effettive, le parti di prodotto danno valori di ripiego di carico assunto, indicizzati al numero di circuiti principali o in uscita. Nelle Parti 1 e 2 il valore parte da 1,0 per un circuito in arrivo e scende a gradini al crescere del numero di vie in uscita, arrivando a 0,6 con dieci o più circuiti. Nella Parte 3, per i quadri di distribuzione utilizzati da persone comuni, la scala sta un gradino più in basso su tutta la lunghezza e si ferma a 0,5.

Il valore 0,4 circola ampiamente in rete come fondo di questo intervallo. Non compare nei valori tabulati di carico assunto delle Parti 1, 2 o 3. Un costruttore può naturalmente dichiarare un RDF inferiore al ripiego tabulato, dato che l'RDF è assegnato dal costruttore e la tabella si applica solo in assenza di accordo. Ma se una specifica cita 0,4 come proveniente dalla norma, chieda da dove.

L'Allegato E della Parte 1 svolge esempi con valori di RDF come 0,68. Il numero non è tondo e non viene da una tabella: esce dai conti sul carico.

I limiti rispetto ai quali si verifica

La Tabella 6 della IEC 61439-1 dice più dei due numeri che di solito se ne citano.

I morsetti per conduttori isolati esterni sono limitati a 70 K. La nota lo qualifica due volte. I 70 K sono un valore basato sulla prova convenzionale del punto 10.10, e un quadro usato in condizioni reali di installazione può avere collegamenti di tipo e disposizione diversi da quelli di prova, con una diversa sovratemperatura al morsetto che può essere richiesta o accettata. E dove i morsetti di un componente incorporato sono anche i morsetti per i conduttori isolati esterni, governa il minore dei due limiti applicabili: il limite del costruttore del componente e i 70 K, prendendo il più piccolo.

Sbarre e conduttori non ricevono in tabella un numero unico. La riga stabilisce che il limite è fissato dalla resistenza meccanica del materiale conduttore, dai possibili effetti sulle apparecchiature adiacenti, dal limite di temperatura ammesso dei materiali isolanti a contatto con il conduttore, dall'effetto della temperatura del conduttore sull'apparecchio a cui è collegato e, per i contatti a innesto, dalla natura e dal trattamento superficiale del materiale di contatto.

I 105 K compaiono nella nota g, come tetto sopra quei criteri: assumendo che tutti i criteri elencati siano soddisfatti, non si deve superare una sovratemperatura massima di 105 K per sbarre e conduttori in rame nudo. La nota 1 ne dà la ragione: i 105 K si riferiscono alla temperatura sopra la quale è probabile che avvenga la ricottura del rame. È un limite metallurgico. Lo raggiunga e la barra rammollisce, che è un modo di guasto meccanico e non elettrico.

Sotto tutto questo stanno le ipotesi sull'ambiente. I limiti della Tabella 6 valgono per una temperatura media dell'aria ambiente in servizio fino a 35 °C. L'Allegato O aggiunge il picco: temperature ambiente media giornaliera e di picco non superiori rispettivamente a 35 °C e 40 °C. Durante la prova stessa l'ambiente deve stare fra 10 °C e 40 °C, misurato da almeno due sensori attorno al quadro, all'incirca a metà della sua altezza e a circa 1 m di distanza, schermati da correnti d'aria e irraggiamento.

Due letture pratiche. Primo, il tetto di 105 K è raramente il vincolo che decide. Di solito morde prima il materiale isolante a contatto con la barra, oppure il dispositivo su cui la barra arriva. Secondo, un quadro destinato a un ambiente più caldo di una media di 35 °C ha bisogno che i propri limiti siano adattati, e il punto 9.2 osserva che, se i limiti vengono cambiati per coprire un ambiente diverso, può essere necessario cambiare con essi le correnti nominali di sbarre e unità funzionali.

Che cosa costa ciascuna via e quanto tempo richiede

Non esistono listini pubblicati per la prova accreditata di sovratemperatura, perché il costo è dominato dal numero di configurazioni di prova e da quello che deve costruire. Del resto per la decisione le serve la struttura del costo.

• Prova: costruisce uno o più quadri rappresentativi nella configurazione più onerosa, li spedisce e paga il tempo di laboratorio. La prova gira finché la sovratemperatura non raggiunge un valore costante, che il punto 10.10.2.3.1 definisce in pratica come una variazione in tutti i punti misurati, ambiente compreso, non superiore a 1 K/h. È tipicamente gran parte di una giornata lavorativa per configurazione, prima di strumentazione e allestimento. La corrente viene portata attraverso conduttori di prova che la norma specifica in dettaglio. Sopra gli 800 A significa barre di rame di misure dichiarate con lunghezze minime di collegamento di 3 m, riducibili a 2 m solo a una condizione di temperatura dichiarata. Sopra i 4000 A è il costruttore originale a determinare la configurazione, che entra a far parte del rapporto. Il costo è dominato dalla costruzione dei campioni e dal numero di configurazioni. Il ritardo è dominato dalla coda del laboratorio, mesi anziché settimane per il lavoro ad alta corrente. Non prenoti lo slot prima che le sue giunzioni siano fatte nel modo in cui saranno fatte in produzione.

• Derivazione da un progetto provato: la più economica e la più rapida dove il progetto provato è già suo, ed è per questo che i fornitori di sistemi di quadro la vendono come parte del pacchetto. Se resta dentro le sue regole, gran parte del lavoro è fatta. Se ne esce, torna alla prova.

• Calcolo: niente laboratorio, quindi il costo è tempo tecnico più dati dei componenti. Il costo invisibile è la raccolta dei dati: la condizione a) richiede i dati di perdita di potenza per tutti i componenti incorporati, e inseguirli presso ogni fornitore di apparecchi per una distinta base mista richiede più tempo del calcolo stesso. Metta a budget giorni anziché ore per il primo quadro, meno in seguito man mano che i dati dei componenti si accumulano. Il rischio vero è scoprire alla fine dell'iterazione che le serviva una taglia più grande o una barra più grande, quindi faccia presto un passaggio approssimativo.

Perché la qualità di fabbricazione decide l'esito

Ogni via alla fine misura la stessa cosa fisica, e il punto 10.10.2.3.3 la nomina direttamente: si deve prestare particolare attenzione alle giunzioni nei conduttori e ai morsetti all'interno dei circuiti principali. Le giunzioni sono punti di misura nominati.

La resistenza di giunzione ha due parti. La resistenza di deviazione, dovuta alla corrente che devia attraverso la sovrapposizione, è funzione del rapporto fra sovrapposizione e spessore e dello schema di foratura: i fori dei bulloni disposti attraverso la larghezza della barra la penalizzano più dei fori in linea lungo la lunghezza. La resistenza di contatto è funzione di condizione superficiale e pressione.

L'area di contatto non è l'area di sovrapposizione. Solo l'1 % circa della sovrapposizione apparente conduce, attraverso contatti discreti fra asperità. La resistenza di contatto cala ripidamente con la pressione fino a circa 10 N/mm² e si appiattisce attorno ai 30 N/mm²; sotto i 7 N/mm² circa non è consigliabile lavorare affatto. Poiché la pressione non si può misurare in campo, la si deduce dalla coppia attraverso il fattore di serraggio, che varia da circa 0,20-0,22 a secco fino a 0,15-0,16 con un lubrificante a film limite. La stessa impostazione di chiave su filetti ingrassati dà all'incirca il 30 % di precarico in più che su filetti a secco. Valori di coppia e istruzioni di lubrificazione devono venire dalla stessa fonte, altrimenti il numero nella sua procedura è finzione.

La preparazione superficiale è la variabile più economica e quella che si salta più spesso. Le facce dovrebbero essere piane e abrase di fresco immediatamente prima del montaggio, così che la pressione di serraggio rompa l'ossido e formi contatto metallo-metallo nel maggior numero possibile di punti. Una bava lasciata sulla faccia di giunzione fa il contrario: tiene distanziate le barre, e l'area di contatto che ha calcolato non è l'area di contatto che ottiene. È per questo che la sbavatura appartiene al ciclo di lavoro e non alle mani del montatore, ed è per questo che una linea come la BND800-2, che lavora barre da 0,5 a 50 mm di spessore a 5–30 m/min, esiste.

La goffratura è l'altra leva, quella sottoutilizzata. Ricavare un piano di contatto controllato concentra il precarico disponibile dei bulloni su un'area definita e piana, invece di lasciarlo distribuire su una sovrapposizione che può essere o non essere in contatto. Dove una giunzione è termicamente al limite, un piano di contatto progettato è spesso una risposta migliore di un bullone in più.

La precisione dello schema di foratura alimenta direttamente tutto quanto sopra. L'errore di passo su una giunzione a più bulloni significa bulloni che si contrastano in fori maggiorati e precarico distribuito in modo disuniforme. Una punzonatura che tiene stretta la posizione non costa nulla in più per foro e toglie una variabile a una prova che sta pagando a un laboratorio. Un centro di lavoro come l'IMAC-CENTER 80 lavora a ±0,05 mm. La pagina sulla punzonatura tratta il lato utensili, e l'articolo sugli schemi di foratura tratta distanza dal bordo e passo.

Prima di impegnarsi su una via

Dimensioni la barra rispetto a una fonte di portate con i suoi fattori di correzione intatti, non rispetto a una tabella in condizioni di riferimento. La DIN 43671 classifica la barra di rame a 35 °C di ambiente e 65 °C di temperatura della barra, con correzioni per ambiente da 0 a 60 °C, temperatura di funzionamento fino a 125 °C, e fattori per la disposizione delle barre e per il numero di barre per fase. Dentro un involucro con aria interna a 55 °C, quelle correzioni sono la differenza fra una barra che verifica e una che no.

Il nostro calcolatore di portata delle sbarre applica le correzioni invece di assumere condizioni di riferimento. Dove il quadro è destinato a un mercato nordamericano, i limiti cambiano completamente e con essi cambia la barra. Quel confronto sta in UL 891 contro IEC 61439.