Escalonamento, flangeamento e placa de junção: como se faz uma junta de barramento blindado

Quase tudo o que se publica sobre barramento blindado descreve o sistema pronto: correntes nominais, unidades de derivação, grau IP, sequência de instalação. Muito pouco descreve como a junta é de fato formada, o que é estranho, porque a junta é a parte que o fabricante tem de produzir e a parte que decide se o trecho passa em um ensaio de elevação de temperatura. Três operações de conformação transformam condutor bruto em pontas de barramento blindado: o escalonamento, o flangeamento e a placa de junção. Eis o que cada uma faz e o que exige da máquina que a executa.

A pilha tem um passo no trecho e outro passo na junta

O barramento blindado tipo sanduíche empacota os seus condutores face a face, com um filme isolante fino entre eles. É esse o ponto da construção: espaçamento mínimo significa área de laço mínima, o que significa baixa reatância e baixa queda de tensão mesmo com fator de potência ruim. Em um trecho de quatro polos com barras de 6 mm e isolamento de 0.5 mm, os centros dos condutores ficam a cerca de 6.5 mm um do outro.

Na junta esse espaçamento não se sustenta. Cada par de condutores tem de ser apertado entre duas placas condutoras, e o par de placas de cada fase tem de ser separado da fase seguinte por um isolador espesso o bastante para atender às distâncias de isolamento e de escoamento que o projeto declara. O passo entre condutores dentro de um bloco de junta é tipicamente de três a quatro vezes o passo do trecho. Os condutores, portanto, têm de ser afastados uns dos outros ao se aproximarem da ponta de junta, cada um por um valor diferente, e cada um tem de chegar exatamente na altura que o bloco de junta espera.

Esse deslocamento é o escalonamento. São duas dobras acopladas no mesmo sentido, que transladam a barra do seu plano de trecho para o seu plano de junta deixando as duas faces paralelas. A barra A sobe 9 mm, a barra B sobe 3 mm, a barra C desce 3 mm, a barra D desce 9 mm. Os valores dependem inteiramente do bloco de junta, mas o padrão é simétrico em relação à linha de centro da pilha e todas as faces de ponta terminam na referência que o bloco define. Erre o deslocamento de uma barra em meio milímetro e as suas placas de junção entram tortas, a pilha de arruelas Belleville carrega de forma desigual, e aquela fase trabalha mais quente que as outras três pela vida inteira do trecho.

Força de conformação do escalonamento

O escalonamento parece pequeno no desenho e não é pequeno na prensa. Duas coisas governam a força. A primeira é a seção: a força na dobra escala com a largura e com o quadrado da espessura. A segunda é subestimada com mais frequência. As duas dobras de um escalonamento ficam próximas, então a abertura efetiva da matriz é curta, e um vão curto exige força alta para uma dada deflexão, do mesmo jeito que uma viga curta exige mais carga que uma longa.

Uma verificação de ordem de grandeza deixa isso claro. Tome Cu-ETP de 300 mm × 6 mm na têmpera meio-dura, R240/H065 conforme a EN 13601, resistência à tração de 240–300 N/mm². A capacidade de tração da seção cheia dessa barra fica em torno de 480 kN. A dobra plástica local exige uma fração disso, mas não uma fração pequena, uma vez que a abertura da matriz é curta e o material já está encruado pela primeira dobra antes de a segunda começar. Uma máquina de conformação de barramento blindado com 300 kN na estação de escalonamento, como a linha EMAC-BDM, é dimensionada exatamente para isso: deslocamentos repetidos em cobre largo e duro sem que o martelo deflita o bastante para mudar o deslocamento de uma barra para a seguinte.

O retorno elástico importa aqui tanto quanto na dobra de barramento comum, e é mais difícil de compensar. Uma dobra isolada tem um ângulo a corrigir. Um escalonamento tem duas dobras cujos retornos se cancelam parcialmente, e o residual se expressa como erro de deslocamento em vez de erro de ângulo, então o operador vê uma barra que encaixa mal, e não uma barra visivelmente no ângulo errado. É por isso que os deslocamentos de escalonamento são ajustados como cota programada contra um batente, e não corrigidos a olho.

O flangeamento é uma entrada, não um segundo escalonamento

O escalonamento define onde a barra fica. O flangeamento é uma dobra angular rasa bem na ponta do condutor, abrindo-se para longe da linha de centro da junta, e a sua função é deixar a barra encontrar a sua fenda. Montar em obra uma junta de barramento blindado significa deslizar as pontas nuas de condutor de um trecho para dentro do bloco já montado no trecho vizinho, no alto, sobre uma plataforma, muitas vezes em ângulo desconfortável. Sem uma conicidade de entrada, a barra prende na borda da placa de junção ou no isolador e o montador força, o que risca o revestimento e empurra limalha de cobre para dentro da junta.

A terminologia varia entre fabricantes. Alguns chamam de flangeamento toda a operação de conformação de ponta, outros reservam flangeamento para a conicidade de ponta e escalonamento para o deslocamento, e alguns catálogos de máquina usam as duas palavras para a mesma estação. O que importa no chão de fábrica é que os dois detalhes têm tolerâncias diferentes. O deslocamento é uma cota de montagem e precisa se manter em poucos décimos de milímetro. O ângulo de flangeamento é um recurso de manuseio e um grau para mais ou para menos não muda nada, e é por isso que as máquinas que o formam normalmente o fazem com ângulo programável em vez de ferramenta dedicada. Na EMAC-BDM o curso de flangeamento é de 30 mm, com o ângulo definido no programa, então trocar de bloco de junta não significa trocar de ferramental.

Uma consequência para o planejamento de produção: como o condutor é cortado no comprimento e conformado na mesma fixação, a referência de comprimento e a referência de deslocamento são a mesma. Se o corte e a conformação acontecem em máquinas separadas com dispositivos separados, cada transferência acrescenta um erro de empilhamento a uma cota que não tem folga nenhuma.

Placas de junção e a sequência furar, estirar, cortar

A placa de junção (placa de emenda, placa de conexão ou barra de junta, conforme o desenho que você estiver lendo) é a tira condutora que faz a ponte entre dois condutores encostados e conduz a corrente através da junta. Em uma junta de topo, ela conduz a corrente plena da fase ao longo da sobreposição, o que torna a sua seção, o seu revestimento e a sua planeza parâmetros elétricos, e não mecânicos.

O material normalmente é a mesma liga do condutor, Cu-ETP em sistemas de cobre, em bitola mais fina: de 3 a 4.5 mm é a faixa usual, contra 5 a 10 mm do próprio condutor. Sistemas de alumínio usam placas de alumínio pela mesma razão. Uma placa de cobre sobre uma barra de alumínio coloca um par de metais diferentes na parte mais quente e menos acessível do trecho.

A sequência de conformação em uma máquina dedicada a placas de junção é furar, estirar, cortar. A operação do meio carrega mais intenção de projeto do que o nome sugere.

Furar faz o furo de passagem do parafuso na tira. Trabalho comum de furação, exceto que a posição do furo é o único recurso de autolocalização da junta, então a tolerância dela é a tolerância do conjunto inteiro.

Estirar, às vezes chamado de estufamento ou estampagem, puxa um ressalto elevado da placa, ao redor do furo ou ao lado dele. Esse ressalto é um espaçador. Quando duas placas se enfrentam com os ressaltos se tocando, a altura do ressalto fixa a fresta entre elas, e essa fresta é a fenda em que o condutor entra. Ele também funciona como batente rígido contra inserção excessiva, de modo que o montador não consiga empurrar a barra tão fundo a ponto de esmagar o isolador de fase atrás da placa. A técnica é antiga e bem documentada: a patente norte-americana 5760339 descreve abas espaçadoras formadas a partir do material deslocado quando o furo é feito, mantendo a separação das placas e limitando a profundidade de inserção exatamente desse jeito. Formar o espaçador a partir da própria placa retira uma peça da lista de materiais e retira um empilhamento de tolerância da cadeia.

Cortar secciona a placa acabada da tira. Como a tira é processada continuamente e cortada por último, não há retalho entre placas.

Por que a precisão de passo de furo se acumula

Uma máquina dedicada a placas de junção é especificada por precisão de passo de furo, e não por força, e a razão é o erro cumulativo.

Tome primeiro o caso dentro da junta. Toda placa de um bloco de junta compartilha um único parafuso. Se o furo de uma placa fica 0.3 mm fora de posição, essa placa não consegue se centrar no parafuso, então as arruelas Belleville a carregam excentricamente. A resistência de contato em uma junta parafusada é fixada pela área real de contato nas pontas das asperezas, que é uma fração pequena da área aparente de sobreposição, e essa área real é fixada pela distribuição da pressão. Incline a pressão e você perde contato de um lado da placa mais rápido do que ganha do outro. A junta ainda monta, ainda passa em uma verificação de continuidade, e trabalha alguns kelvin mais quente que as vizinhas. Ao longo de uma vida de projeto medida em décadas de ciclagem de carga, é assim que juntas se degradam.

Agora o caso ao longo do trecho. O barramento blindado é implantado contra a geometria do prédio: o trecho começa em um quadro e termina em um ponto fixo, e a soma de todos os comprimentos de trecho mais todas as frestas de junta tem de cair nesse ponto. Uma tira processada com ±0.1 mm/m acumula no máximo 0.6 mm de ponta a ponta em um comprimento de 6 m. Uma máquina que mantém ±0.5 mm/m acumula 3 mm na mesma tira. Ao longo de um trecho de 60 m montado com seções de 3 m, são aproximadamente vinte juntas. Se o erro for sistemático em vez de aleatório, o trecho deriva vinte vezes o erro por seção no mesmo sentido, e erro de máquina em geral é sistemático, porque vem de um fuso ou de um encoder, não de ruído. Seis milímetros de deriva são absorvidos pela folga da junta. Trinta não são, e a última seção não encaixa.

Portanto, a razão para manter melhor que ±0.1 mm/m é aritmética: isso mantém o erro acumulado dentro da folga de junta com que o bloco foi projetado.

Montagem: a junta de um único parafuso

As juntas modernas de barramento blindado são de um único parafuso. Um parafuso de alta resistência atravessa a pilha inteira, isolador, placa, condutor, placa, isolador, fase após fase, e uma única operação de aperto comprime todas as interfaces de contato da junta. Valores publicados de linhas grandes de barramento blindado tipo sanduíche colocam a força de aperto desse parafuso único acima de 4 000 lbf, aproximadamente 18 kN, distribuída pelas faces de contato por arruelas cônicas de mola de grande diâmetro. Acima de aproximadamente 2000 A, essas mesmas linhas passam a dois ou três parafusos, um por grupo de condutores, porque um único parafuso já não consegue distribuir pressão uniformemente ao longo do condutor mais largo.

O parafuso normalmente é uma porca de ruptura de cabeça dupla. A cabeça externa é usinada para se romper em um torque definido, deixando a cabeça interna para trás, de modo que uma inspeção visual pode confirmar que toda junta do trecho foi apertada corretamente sem torquímetro e sem registro de calibração desse torquímetro. Alguns projetos acrescentam um disco indicador colorido que se solta quando a cabeça se rompe.

Nada disso ajuda se as peças que alimentam o bloco estiverem fora de tolerância. O bloco de junta pressupõe um condutor em uma altura conhecida com um acabamento de revestimento conhecido, uma placa de junção com furo em posição conhecida e ressalto de altura conhecida, e faces planas o bastante para que a pressão de um único parafuso alcance todas elas.

Onde ficam as normas

Dois documentos enquadram o barramento blindado na maioria dos editais, e eles não se sobrepõem do jeito que as pessoas supõem.

A UL 857 é a norma de produto norte-americana de barramento blindado. O seu escopo vai até 600 V e 6000 A, cobrindo barramento de entrada de serviço, de alimentação e de circuito terminal. A conformidade é por listagem em NRTL com inspeção de acompanhamento em fábrica, o que significa que a construção que foi ensaiada é a construção que você fica obrigado a continuar produzindo. A NEMA BU 1 fica ao lado dela como norma de produto e, com a BU 1.1, cobre manuseio e instalação de barramento blindado de 100 A e acima.

A IEC 61439-6

é a parte de sistemas de barramento blindado da série IEC 61439. Verifique o escopo dela antes de citá-la. Aplica-se a sistemas de barramento blindado até 1000 V CA ou 1500 V CC e, ao contrário da UL 857, não declara teto de corrente. Também não pode ser usada sozinha: é escrita como um delta em relação à IEC 61439-1 e tem de ser lida junto com ela, do mesmo modo que a IEC 61439-2. Substituiu a IEC 60439-2 e trouxe o barramento blindado para a estrutura de verificação que o resto da série usa: ensaio, cálculo ou comparação com um projeto de referência verificado. Para o fabricante, a consequência prática dessa terceira via é que o seu processo tem de ser repetível o bastante para que as unidades que você embarca sejam comparáveis àquela que foi verificada. A obrigação cai sobre a manufatura, não sobre o controlador de documentos.

Nenhuma das duas normas diz como formar um escalonamento. As duas fazem das consequências de formá-lo mal um problema seu.

O que a carga de data center está fazendo com a junta

Juntas de barramento blindado costumavam ser um detalhe de baixa corrente em um projeto de distribuição. Isso mudou. À medida que os racks saem de uma base de 5–15 kW para gabinetes otimizados para IA consumindo 60, 80 e mais de 100 kW, correntes nominais de derivação e de junta de 400 A contínuos e acima passaram a ser comuns em vez de excepcionais. Uma junta que passa a vida a 400 A em vez de 100 A dissipa dezesseis vezes a potência para a mesma resistência de contato, no mesmo volume fechado, com o mesmo isolador ao lado.

Isso muda o que o fabricante tem de controlar. O revestimento nas faces de contato deixa de ser um item de custo que a engenharia de valor corta. A planeza da placa de junção deixa de ser estética. E a margem de elevação de temperatura que antes absorvia uma junta relaxada não está mais lá. Se você quiser ver com que rapidez a temperatura do condutor se move com a corrente para uma dada seção, a calculadora de capacidade de corrente torna concreta a relação I²R.