Chanframento e raio de aresta em barramento

O barramento retangular sai da laminação com cantos vivos e sai da tesoura ou do punção com uma rebarba por cima deles. A maioria dos fabricantes quebra essas arestas. Pergunte por quê e você recebe uma variedade de respostas: o pessoal do isolamento pediu, o desenho diz R3, evita que os operadores cortem as mãos. As três se sustentam, e cada uma pede um raio diferente.

A faixa de trabalho no setor vai aproximadamente de R2 a R10 mm, escolhida a partir das dimensões da barra, da classe de tensão e do ambiente de instalação. Isso é uma descrição de prática, não uma prescrição normativa, e a distinção importa mais do que parece.

O que as normas realmente dizem

Várias páginas de fabricantes de máquina e de barramento afirmam que a IEC 61439 "exige que os barramentos de cobre sejam chanfrados", e algumas vão além e citam um mínimo de R3 para sistemas acima de 800 V, atribuindo isso conjuntamente à IEC 61439 e à UL 891.

Isso está errado, e ser direto a respeito importa, porque há engenheiros que escreveram essa afirmação nas próprias especificações internas com base em um post de blog de fornecedor.

A IEC 61439-1 não menciona raio de aresta em lugar nenhum. O que ela faz é fixar prescrições de distâncias de isolamento e de escoamento, tomando a lógica de dimensionamento da coordenação de isolamento da IEC 60664-1, e em seguida exigir que o conjunto acabado sobreviva a um ensaio de suportabilidade dielétrica. O raio de aresta é um meio de engenharia para atender a essas prescrições. Não é um requisito nomeado, e não existe número de seção que se possa citar para ele. O mesmo vale para a UL 891.

Não é uma questão de pedantismo. Se você acredita que o raio é obrigatório, vai aplicar um R3 indiscriminado em tudo e parar de pensar. Se você o entende como um meio, vai aplicar R2 onde R2 basta, R8 onde há um problema de campo, e nada onde a barra vai ser estanhada e parafusada plana com 25 mm de ar de cada lado.

O problema de campo, nos termos da própria norma

A IEC 60664-1 é incomum entre as normas de segurança por reconhecer diretamente a geometria dos eletrodos. A seção 5.1.3 começa dizendo que a forma e o arranjo das partes condutoras influenciam a homogeneidade do campo e, por consequência, a distância de isolamento necessária para suportar uma dada tensão.

Ela então divide as tabelas de distância de isolamento em dois casos.

O caso A é o campo não homogêneo. O modelo de pior caso da própria norma é um eletrodo pontual com raio de ponta de 30 µm diante de um plano de 1 m × 1 m. As distâncias do caso A podem ser usadas independentemente da forma das partes condutoras e sem nenhum ensaio de suportabilidade de tensão. É por isso que são maiores.

O caso B é o campo homogêneo, definido como um campo com gradiente de tensão essencialmente constante, tendo como exemplo ilustrativo duas esferas, cada uma com raio maior que o entreferro entre elas. As distâncias do caso B são menores. Só são admitidas onde a forma e o arranjo das partes condutoras tenham sido projetados para alcançar esse gradiente constante, e qualquer distância menor que o valor do caso A tem de ser verificada por ensaio de suportabilidade de tensão.

Para uma tensão suportável de impulso nominal de 2.5 kV, a diferença entre os dois casos é a diferença entre cerca de 1.5 mm e cerca de 0.6 mm de ar. Em um conjunto compacto, onde a separação entre fases é a restrição que fixa a largura do armário, isso não é erro de arredondamento.

E há a nota anexa à tabela de distâncias em regime permanente: sob condições de campo não homogêneo, não é possível dimensionar sem descargas parciais. Acima de aproximadamente 2.5 kV de pico, diz a norma, dimensionar pelos valores de ruptura pode não dar operação livre de corona, especialmente para campos não homogêneos, e é preciso ou usar distâncias maiores ou melhorar a distribuição de campo.

Melhorar a distribuição de campo é o que um raio de aresta faz. Não como substituto da distância de isolamento, mas como aquilo que permite usar o número menor, e como aquilo que mantém o conjunto fora de descarga parcial contínua com o mesmo espaçamento geométrico.

Note também que a distância de escoamento não funciona assim. Ela é fixada pela tensão de trabalho, pelo grau de poluição e pelo grupo de material, e arredondar o cobre não encurta o caminho de escoamento exigido. Com igual distância de escoamento, portanto, o raio compra um campo mais uniforme e uma chance de usar a distância de isolamento do caso B. Não compra nada no caminho superficial.

Corona, e por que é uma falha lenta

O ar ioniza a aproximadamente 3 kV/mm ao nível do mar em campo uniforme. Um canto de cobre a 90° com quebra de aresta nominal de 0.1 mm concentra o campo por um fator que depende da geometria do entreferro, mas a resposta qualitativa é que o campo local no canto atinge a ionização muito antes de o campo médio ao longo do entreferro atingir.

O resultado é uma descarga parcial: uma ruptura pequena, localizada e autoextinguível, que não vence o entreferro. Nada atua. O conjunto passa no seu ensaio de suportabilidade no primeiro dia. O que acontece, em vez disso, é que a descarga produz ozônio e óxidos de nitrogênio, que na presença de umidade atacam o isolamento orgânico, e a própria descarga erode diretamente as superfícies poliméricas. A falha chega alguns anos depois, como uma falha por trilhamento que ninguém consegue explicar a partir dos registros de comissionamento.

Esse é o argumento a favor do raio em média tensão e nos sistemas mais recentes de 800 V a 1500 V CC. Não é sobre o ensaio de tipo. É sobre o que o conjunto está fazendo entre um ensaio de tipo e outro.

O isolamento não consegue contornar um canto vivo

O argumento mecânico é mais concreto que o elétrico e, para a maior parte dos painelistas de baixa tensão, mais imediatamente relevante.

Todo método comum de isolamento de barramento falha em um canto vivo à sua maneira particular.

O tubo termorretrátil retrai radialmente e não se conforma a uma transição interna de 90°. Ele faz ponte sobre o canto. Sob a ponte fica um vazio de ar percorrendo o comprimento da barra, situado exatamente no ponto de campo mais alto. O tubo de parede grossa para barramento também é espesso o bastante para que uma aresta viva o corte ou o afine durante a retração.

A encapsulação por pó epóxi, aplicada por via eletrostática ou por leito fluidizado, sofre o mesmo recuo por tensão superficial que aflige todo revestimento orgânico em uma aresta. O filme afina justamente onde você mais precisa de espessura.

O filme de poliimida enrolado ou laminado sobre a barra forma uma tenda sobre o canto em vez de acompanhá-lo, e a tração no filme se concentra no canto em serviço.

A sobremoldagem deixa uma sombra de fluxo no canto e, no resfriamento, a contração do polímero o afasta primeiro do detalhe mais agudo.

Nos quatro casos o defeito é o mesmo: um vazio preenchido de gás no ponto de campo mais alto da geometria. É o pior lugar possível para ele. Em um vazio de permissividade relativa 1 embutido em um sólido de permissividade relativa em torno de 4, o campo no vazio é várias vezes o campo no sólido ao redor, ao passo que a rigidez dielétrica do gás é muito menor que a do sólido. O vazio descarrega primeiro, a cada ciclo, e a descarga erode a parede do vazio até que a parede desapareça.

Trabalhos sobre isolamento de barramento impregnado com epóxi rastrearam exatamente essa sequência: a descarga parcial dentro de um defeito de bolha decompõe o epóxi, a pressão do gás sobe, e a parede do vazio fratura assim que a pressão excede a sua tenacidade. O sítio de início é o defeito, e o defeito está onde a geometria tornou impossível ao isolamento assentar.

Um canto com raio não torna o isolamento melhor. Torna possível que o isolamento seja tão bom quanto já é no plano.

Recuo de revestimento em pó e tinta na aresta

A indústria de revestimentos resolveu essa discussão décadas atrás e anotou um número.

Quando um revestimento polimérico é aplicado a uma aresta viva, seja em pó ou líquido, a tensão superficial durante o espalhamento e a cura puxa material para longe da aresta. A espessura de película seca na aresta pode cair a uma fração da espessura no plano adjacente, e é por isso que a corrosão em aço pintado começa nas arestas e se espalha para dentro, e não o contrário.

A ISO 8501-3 define três graus de preparação para arestas, soldas e imperfeições superficiais. O grau P3, o mais rigoroso, exige que todas as arestas sejam arredondadas com raio não inferior a 2 mm. A ISO 12944-3

então torna o P3 obrigatório para durabilidade alta e muito alta na categoria de corrosividade C4 e acima, e para as categorias de imersão Im1 a Im4.

É daí que vem, de fato, um raio mínimo defensável, e vem de uma norma de revestimentos, não de uma norma elétrica. Se um cliente pedir para você justificar R2, cite a ISO 8501-3, não a IEC 61439.

Uma ressalva, no interesse de não vender isso além do que vale. Um estudo sistemático publicado em Progress in Organic Coatings mediu a espessura de película seca sobre arestas arredondadas de aço em seções metalográficas polidas e não encontrou efeito estatisticamente significativo do raio de aresta sobre a cobertura do revestimento nos sistemas ensaiados. Aquele trabalho foi feito em aço estrutural, não em barramento de cobre, e não derruba o mecanismo, mas serve de lembrete de que o processo de arredondamento e o sistema de revestimento podem importar tanto quanto o número do raio. Arredondar a aresta é necessário. Não é, por si só, suficiente.

Chanfro ou raio

Não são a mesma coisa, e a diferença merece dois minutos de reflexão na etapa de desenho.

Um chanfro é um bisel plano. Um chanfro de 1 mm × 45° substitui um canto de 90° por dois cantos de 135°. Ele remove a rebarba, tira o corte do risco de manuseio e ajuda um pouco o revestimento. Eletricamente ajuda muito menos do que se supõe, porque você continua com duas descontinuidades na superfície e o campo continua a se concentrar nelas, apenas com menos severidade.

Um raio é um arco verdadeiro, tangente às duas faces, sem nenhuma descontinuidade. É isso que o campo quer e é isso que o termorretrátil e a sobremoldagem querem.

Para segurança de manuseio e para uma barra que vai ser parafusada e deixada nua, um chanfro serve bem e é mais rápido de produzir. Para qualquer coisa que vá ser isolada, encapsulada ou operada acima de algumas centenas de volts com espaçamento apertado entre fases, especifique um raio e diga isso no desenho, porque "chanfro 1 mm" e "R1" serão produzidos com ferramentas diferentes e não vão se comportar igual.

O custo em cobre

Arredondar remove seção, e seção é capacidade de corrente.

A área removida em cada canto é R²(1 − π/4), ou cerca de 0.215 R². Em uma barra de 100 × 10 mm com 1000 mm², quatro cantos em R5 removem aproximadamente 21.5 mm², pouco mais de 2%. Em R3 numa barra de 60 × 10 mm dá em torno de 1.3%. Um chanfro de 1 mm × 45° na mesma barra de 100 × 10 remove 2 mm², ou 0.2%.

Dois por cento de condutor não é catastrófico, mas também não é nada em uma barra dimensionada sem margem, e se soma à redução que você já aplicou por invólucro e agrupamento. Se você está perto do limite, passe a geometria pela calculadora de capacidade de corrente com e sem a perda de canto antes de se comprometer com um raio grande em uma barra muito carregada.

Mãos, luvas e a razão pela qual a maioria das oficinas faz isso

Uma aresta de cobre cortada com rebarba de 0.2 mm abre uma luva para arco elétrico. Também abre uma mão. Barramento é pesado, é manuseado repetidamente durante a montagem e muitas vezes é posicionado com o peso do montador por trás.

É essa a razão pela qual o tratamento de aresta acaba especificado em conjuntos em que não existe nenhum argumento de concentração de campo, e é uma razão perfeitamente boa. Acontece também de ser a que se mede, porque consumo de luvas e registros de primeiros socorros são coisas que um gerente de planta já acompanha.

Produzir isso de forma repetível

A razão pela qual o raio de aresta em barramento é tratado como opcional em muitas oficinas é que ele costumava ser uma operação manual, com lima ou retífica, o que o tornava inconstante, lento e desagradável.

Duas categorias de máquina resolvem isso. O chanframento usa um fuso de fresamento com ferramenta de forma para cortar um chanfro ou raio definido ao longo da aresta da barra, inclusive em torno das arestas de furos puncionados e ao longo das pontas. A máquina de chanframento EMAC-XT roda um fuso BT40 até 6000 rpm com trocador automático de seis posições, trabalha barra de 3 a 15 mm de espessura e de 30 a 230 mm de largura, e mantém ±0.05 mm de posicionamento e repetibilidade. O trocador de ferramenta importa aqui: uma ferramenta de chanfro, uma ferramenta de forma para raio e uma ferramenta de aresta de furo no mesmo programa significam que o operador não fica parado na máquina trocando pinças entre um detalhe e outro.

A rebarbação é uma operação diferente, com finalidade diferente. Ela remove a rebarba e deixa uma quebra de aresta pequena e não controlada em tudo, inclusive nas arestas dos furos, em uma única passada. A máquina de rebarbação BND800-2 aceita barra de 0.5 a 50 mm de espessura e de 100 a 800 mm de largura a 5 a 30 m/min. É essa produtividade que torna viável rebarbar todas as barras, em vez de apenas aquelas que alguém marcou.

A distinção a guardar: a rebarbação torna a barra segura de manusear e remove o metal levantado que de outro modo ficaria entre duas faces de contato em uma junta parafusada. Ela não produz um raio controlado. Se um desenho pede R3 e alguém passa a barra por uma linha de rebarbação e dá o item por cumprido, o problema de isolamento que você tentava resolver continua ali.