Verificação de elevação de temperatura na IEC 61439, caminho por caminho

A verificação de elevação de temperatura é onde a qualidade de fabricação do barramento vira constatação de auditoria. Todo o resto da verificação de projeto de um conjunto pode ser resolvido no papel por alguém que nunca tocou no cobre. Esta não pode, porque o número que está sendo verificado é produzido por juntas que um montador fez com um torquímetro.

A maior parte da orientação publicada para em nomear os três caminhos. As partes que decidem se um projeto dá certo são as condições de contorno de cada caminho, o que o fator de diversidade nominal de fato multiplica, e quais variáveis de fabricação movem o resultado. As referências de seção abaixo são à IEC 61439-1

Os três caminhos

A seção 10.10.1 os lista com clareza. A verificação deve ser feita por um ou mais dos seguintes:

a) Ensaio, seção 10.10.2. Um conjunto físico, carregado, em laboratório acreditado.

b) Dedução de valores nominais para variantes semelhantes a partir de um projeto ensaiado, seção 10.10.3. O caminho da comparação: você já tem um arranjo ensaiado e está atribuindo valores nominais a variantes dele conforme regras declaradas.

c) Cálculo, por dois métodos distintos com dois tetos de corrente diferentes. A seção 10.10.4.2 cobre um conjunto de compartimento único não excedendo 630 A; a seção 10.10.4.3 cobre um conjunto não excedendo 1600 A pelo método da IEC TR 60890.

Duas restrições ficam acima dos três. Todo caminho é limitado a frequências nominais até 60 Hz inclusive para os métodos de cálculo e, para conjuntos com frequência nominal acima de 60 Hz, a seção 10.10.1 exige verificação por ensaio ou por dedução a partir de um projeto ensaiado na mesma frequência. Combinar é permitido e normal: um conjunto de várias seções pode ter seções diferentes verificadas por caminhos diferentes.

O caminho c) em detalhe, porque é o das letras miúdas

O caminho de cálculo é o que a maioria dos fabricantes procura primeiro, porque não exige laboratório. É também o que traz as condições que mais frequentemente desqualificam um projeto depois de o projeto estar congelado.

O método de 630 A (10.10.4.2)

Um balanço de perdas de potência. A perda total de potência de componentes e condutores dentro do invólucro é comparada com a capacidade do invólucro de dissipá-la sem que o ar interno ultrapasse a temperatura máxima de operação de qualquer dispositivo. Rápido, conservador e estreito.

Condições, todas as quais têm de ser atendidas:

• Há dados de perda de potência de todos os componentes embutidos, fornecidos pelo fabricante do componente.
• As perdas de potência estão aproximadamente distribuídas de forma uniforme dentro do invólucro.
• A corrente nominal de cada circuito não excede 80 % da corrente térmica convencional nominal ao ar livre (Ith), ou da corrente nominal (In), dos dispositivos de manobra e componentes daquele circuito.
• Partes mecânicas e equipamentos instalados não impedem significativamente a circulação de ar.
• Condutores que conduzem mais de 200 A, e as partes estruturais adjacentes, estão dispostos de modo a minimizar perdas por correntes parasitas e por histerese.
• Todos os condutores têm seção mínima baseada em 125 % da corrente nominal admissível do circuito associado.
• A elevação de temperatura do invólucro em função da perda de potência instalada é conhecida, seja pelo fabricante do invólucro, por ensaio conforme 10.10.4.2.2, ou pelo fabricante do equipamento de refrigeração onde houver resfriamento ativo.

O método de 1600 A (10.10.4.3)

A mesma redução de 80 % e a mesma regra de 125 % para condutores, com a elevação de temperatura em si determinada pelo método da IEC TR 60890 em vez de por um balanço simples de perdas. Ele acrescenta duas condições geométricas que pegam projetos de vários compartimentos:

• Não há mais que três separações horizontais no conjunto ou na seção sob avaliação.
• Para invólucros com compartimentos e ventilação natural, a seção das aberturas de ventilação em cada separação horizontal é de pelo menos 50 % da seção horizontal do compartimento.

Acima de 1600 A, os dois caminhos de cálculo se fecham. Você fica com ensaio ou dedução a partir de um projeto ensaiado, e essa é uma decisão a tomar antes de construir, não depois.

A norma é franca sobre por que as margens existem: a seção 10.10.4.1 declara que, como as temperaturas locais reais das partes condutoras de corrente não podem ser calculadas por esses métodos, alguns limites e margens de segurança são necessários e estão incluídos. A redução de 80 % e o dimensionamento de condutor a 125 % são essas margens. Não são conservadorismo que se possa afastar com uma análise melhor.

A redução de 80 % na prática

A redução não é uma nota no arquivo. Ela muda a lista de materiais.

Um circuito de 200 A não pode usar um dispositivo de 200 A. Precisa de um cuja corrente ao ar livre seja de pelo menos 250 A, ajustado ou fixado em 200 A, ou de um invólucro de dispositivo maior ajustado mais baixo. A perda de potência usada no cálculo é a perda a 200 A, mas o dispositivo em si tem de ser de classe 250 A ou acima. A regra do condutor agrava: um circuito de barramento principal de 200 A é dimensionado em 1.25 × 200 = 250 A, e isso vale para todo condutor interno do conjunto.

E então a iteração. As seções dos condutores são escolhidas primeiro para uma temperatura de ar interno admitida. Uma vez que o cálculo produz as temperaturas de ar reais, componentes e condutores podem precisar de troca e o cálculo tem de ser refeito. Duas ou três passagens é o normal, e cada uma pode mover o tamanho da barra, que move o padrão de furos, que move o ferramental. Resolva o caminho de verificação antes de detalhar o cobre, não depois.

O fator de diversidade nominal, e o que ele de fato faz

O RDF é o termo mais mal compreendido da norma, e a maior parte do mal-entendido vem de supor que ele é um desconto aplicado dentro do cálculo. Não é.

A seção 5.4 o define: o valor por unidade da corrente nominal, atribuído pelo fabricante do conjunto, com o qual os circuitos de saída podem ser carregados contínua e simultaneamente, levando em conta as influências térmicas mútuas. Pode ser declarado para grupos de circuitos ou para o conjunto inteiro. Duas cláusulas da definição fazem o trabalho. O RDF multiplicado pela corrente nominal dos circuitos deve ser igual ou maior que o carregamento admitido dos circuitos de saída, e o RDF se aplica com o conjunto operando na sua corrente nominal InA.

Ou seja, o RDF é um valor nominal declarado, não uma entrada de cálculo. A seção 10.10.1 diz exatamente isso: a capacidade de condução de corrente dos circuitos a verificar é determinada pela corrente nominal e pelo RDF. Ele define o que você está verificando.

Onde o RDF entra no caminho de ensaio

Nos métodos de ensaio, o RDF é explícito e físico.

• Seção 10.10.2.3.5, verificação do conjunto completo: os circuitos de entrada e de saída são carregados nas suas correntes nominais, o que a norma declara equivalente a um fator de diversidade nominal de 1. Rápido, conservador, e não prova nada sobre diversidade, porque não admitiu nenhuma.
• Seções 10.10.2.3.6 e 10.10.2.3.7 d): o conjunto é verificado carregando o circuito de entrada na sua corrente nominal e as unidades funcionais de saída na sua corrente nominal multiplicada pelo fator de diversidade. É aqui que um RDF declarado abaixo de 1 é de fato conquistado.

O Anexo O expõe a troca: o método a) exige o menor número de ensaios, mas o arranjo de ensaio é mais oneroso do que o necessário e o resultado se aplica apenas àquele arranjo.

Onde o RDF não entra: o caminho de cálculo

As duas seções de cálculo dizem a mesma coisa: as perdas efetivas de potência de todos os circuitos, incluindo os condutores de interligação, devem ser calculadas com base na corrente nominal dos circuitos. Não há multiplicador de RDF. A diversidade entra por outra porta. A perda total de potência é computada levando em conta que a corrente total de carga é limitada à corrente nominal do conjunto.

A própria nota trabalhada da norma torna isso concreto. Um conjunto de compartimento único com corrente nominal de 100 A, limitado pelas barras de distribuição, é equipado com 20 circuitos de saída, cada um admitido em 8 A. A perda efetiva total de potência é calculada para 12 circuitos de saída a 8 A cada, porque 12 × 8 = 96 A é o que a corrente nominal de entrada de 100 A vai de fato distribuir. Doze circuitos em carga plena, e não vinte circuitos sob um fator de diversidade.

Essa distinção é a que importa na prática. A orientação publicada pela BEAMA sobre verificação sem ensaio coloca isso com a maior clareza que alguém já colocou: o fator de diversidade nominal não é considerado na verificação de elevação de temperatura por cálculo, e usa-se a combinação mais onerosa de perdas de potência de circuitos operando na sua corrente nominal para distribuir a corrente nominal do conjunto. Quem vinha aplicando um desconto de RDF dentro de uma planilha de TR 60890 vinha calculando uma elevação de temperatura menor do que a norma lhe permite declarar.

Os valores tabelados

Onde fabricante e usuário não acordaram correntes de carga reais, as partes de produto dão valores de recurso de carregamento admitido, indexados ao número de circuitos principais ou de saída. Nas Partes 1 e 2 o valor começa em 1,0 para um circuito de entrada e desce em degraus conforme cresce o número de saídas, chegando a 0,6 em dez ou mais circuitos. Na Parte 3, para quadros de distribuição operados por pessoas comuns, a escada fica um degrau abaixo em todo o percurso e termina em 0,5.

Um valor de 0,4 circula bastante on-line como o fundo dessa faixa. Ele não aparece nos valores tabelados de carregamento admitido das Partes 1, 2 ou 3. Um fabricante pode, claro, declarar um RDF menor que o valor de recurso tabelado, já que o RDF é atribuído pelo fabricante e a tabela só se aplica na ausência de acordo. Mas, se uma especificação cita 0,4 como vindo da norma, pergunte de onde.

O Anexo E da Parte 1 trabalha exemplos com valores de RDF como 0,68. O número não é um valor redondo de tabela; ele cai da aritmética de carregamento.

Os limites contra os quais você está verificando

A Tabela 6 da IEC 61439-1 diz mais do que os dois números que costumam ser citados dela.

Os terminais para condutores isolados externos são limitados a 70 K. A nota de rodapé qualifica isso duas vezes. Os 70 K são um valor baseado no ensaio convencional da seção 10.10, e um conjunto usado em condições reais de instalação pode ter conexões cujo tipo e disposição diferem do ensaio, produzindo uma elevação de temperatura de terminal diferente que pode ser exigida ou aceita. E, onde os terminais de um componente embutido são também os terminais para condutores isolados externos, o menor dos dois limites aplicáveis governa: o limite do fabricante do componente e os 70 K, valendo o menor.

Barramentos e condutores não recebem um número único na tabela. A linha declara que o limite é fixado pela resistência mecânica do material condutor, pelos possíveis efeitos sobre equipamentos adjacentes, pelo limite admissível de temperatura dos materiais isolantes em contato com o condutor, pelo efeito da temperatura do condutor sobre os aparelhos a ele conectados e, para contatos plug-in, pela natureza e pelo tratamento superficial do material de contato.

Os 105 K aparecem na nota g, como teto por cima desses critérios: admitindo que todos os critérios listados sejam atendidos, uma elevação máxima de temperatura de 105 K para barramentos e condutores de cobre nu não deve ser excedida. A nota 1 dá a razão: os 105 K se relacionam à temperatura acima da qual é provável ocorrer o recozimento do cobre. É um limite metalúrgico. Alcance-o e a barra amolece, o que é um modo de falha mecânico, não elétrico.

As hipóteses de ambiente estão por baixo de tudo isso. Os limites da Tabela 6 valem para uma temperatura média do ar ambiente de até 35 °C em serviço. O Anexo O acrescenta o pico: temperaturas ambientes média diária e de pico não excedendo 35 °C e 40 °C, respectivamente. Durante o próprio ensaio, o ambiente deve estar entre 10 °C e 40 °C, medido por pelo menos dois sensores ao redor do conjunto, a aproximadamente metade da sua altura e a cerca de 1 m de distância, protegidos de correntes de ar e de radiação.

Duas leituras práticas. Primeira, o teto de 105 K raramente é a restrição que aperta. O material isolante em contato com a barra, ou o dispositivo em que a barra chega, normalmente morde antes. Segunda, um conjunto destinado a um ambiente mais quente que uma média de 35 °C precisa ter os seus limites adaptados, e a seção 9.2 observa que, se os limites forem alterados para cobrir outro ambiente, as correntes nominais dos barramentos e das unidades funcionais podem precisar mudar junto.

O que cada caminho custa e quanto demora

Não existem listas de preço publicadas para ensaio acreditado de elevação de temperatura, porque o custo é dominado pelo número de arranjos de ensaio e pelo que você tem de construir. De todo modo, é a estrutura de custo que você precisa para a decisão.

• Ensaio: você constrói um ou mais conjuntos representativos no arranjo mais oneroso, os envia e paga tempo de laboratório. O ensaio roda até a elevação de temperatura atingir um valor constante, o que a seção 10.10.2.3.1 define na prática como variação em todos os pontos medidos, inclusive o ambiente, não excedendo 1 K/h. Isso tipicamente é a maior parte de um dia útil por arranjo, antes da instrumentação e da preparação. A corrente é entregue por condutores de ensaio que a norma especifica em detalhe. Acima de 800 A isso significa barras de cobre de tamanhos declarados com comprimentos mínimos de conexão de 3 m, reduzíveis a 2 m apenas sob uma condição de temperatura declarada. Acima de 4000 A o fabricante original determina o arranjo e ele passa a fazer parte do relatório. O custo é dominado pela construção da amostra e pelo número de arranjos. O atraso é dominado pela fila do laboratório, meses e não semanas para trabalho de alta corrente. Não reserve a data antes de as suas juntas serem feitas do jeito que serão feitas em produção.

• Dedução a partir de um projeto ensaiado: o mais barato e mais rápido onde você já é dono do projeto ensaiado, e é por isso que fornecedores de sistemas de conjuntos o vendem como parte do pacote. Fique dentro das regras dele e a maior parte do trabalho está feita. Saia delas e você volta ao ensaio.

• Cálculo: sem laboratório, então o custo é tempo de engenharia mais dados de componentes. O custo invisível é o levantamento dos dados: a condição a) exige dados de perda de potência de todos os componentes embutidos, e correr atrás disso com cada fornecedor de dispositivo para uma lista de materiais mista leva mais tempo do que o cálculo. Orce dias e não horas para o primeiro conjunto, e menos depois, à medida que os dados de componentes se acumulam. O risco real é descobrir, no fim da iteração, que você precisava de um dispositivo maior ou de uma barra maior, então rode uma passagem grosseira cedo.

Por que a qualidade de fabricação decide o resultado

Todo caminho no fim mede a mesma coisa física, e a seção 10.10.2.3.3 a nomeia diretamente: atenção especial deve ser dada às juntas em condutores e terminais dentro dos circuitos principais. As juntas são pontos de medição nomeados.

A resistência da junta tem duas partes. A resistência de espalhamento, decorrente do desvio da corrente pela sobreposição, é função da razão entre sobreposição e espessura e do padrão de furos: furos de parafuso ao longo da largura da barra a penalizam mais do que furos alinhados ao longo do comprimento. A resistência de contato é função da condição da superfície e da pressão.

Área de contato não é área de sobreposição. Apenas cerca de 1 % da sobreposição aparente conduz, através de contatos discretos de aspereza. A resistência de contato cai fortemente com a pressão até aproximadamente 10 N/mm² e se achata em torno de 30 N/mm²; abaixo de cerca de 7 N/mm² não é aconselhável operar. Como a pressão não pode ser medida em campo, ela é inferida do torque pelo fator de aperto, que varia de cerca de 0.20–0.22 a seco até 0.15–0.16 com lubrificante de contorno. O mesmo ajuste de torquímetro em roscas engraxadas dá aproximadamente 30 % mais pré-carga do que em roscas secas. Valores de torque e instruções de lubrificação têm de vir da mesma fonte, ou o número no seu procedimento é ficção.

A preparação de superfície é a variável mais barata e a mais frequentemente pulada. As faces devem estar planas e recém-abrasadas imediatamente antes da montagem, para que a pressão de aperto rompa o óxido e forme contato metal-metal no maior número possível de pontos. Uma rebarba deixada na face da junta faz o contrário: mantém as barras afastadas, e a área de contato que você calculou não é a área de contato que você obtém. É por isso que a rebarbação pertence à rota de processo, e não às mãos do montador, e por que uma linha como a BND800-2, que trabalha barra de 0.5 a 50 mm de espessura a 5 a 30 m/min, existe.

A estampagem é a outra alavanca, e a subutilizada. Levantar uma área de contato controlada concentra a pré-carga disponível dos parafusos sobre uma superfície definida e plana, em vez de deixá-la se espalhar por uma sobreposição que pode ou não estar em contato. Onde uma junta está termicamente no limite, uma área de contato projetada muitas vezes é resposta melhor do que mais um parafuso.

A precisão do padrão de furos alimenta diretamente tudo isso. Erro de passo em uma junta de vários parafusos significa parafusos brigando entre si em furos folgados e pré-carga distribuída de forma desigual. Furar mantendo a posição com rigor não custa nada a mais por furo e remove uma variável de um ensaio pelo qual você está pagando a um laboratório. Um centro de processamento como o IMAC-CENTER 80 trabalha em ±0.05 mm. A página do processo de furo cobre o lado do ferramental, e o artigo sobre padrões de furação cobre distância de borda e passo.

Antes de se comprometer com um caminho

Dimensione a barra contra uma fonte de correntes admissíveis com os seus fatores de correção intactos, e não contra uma tabela de condição de referência. A DIN 43671 dá a corrente da barra de cobre a 35 °C de ambiente e 65 °C de temperatura da barra, com correções para ambiente de 0 a 60 °C, temperatura de operação até 125 °C, e fatores para o arranjo das barras e o número de barras por fase. Dentro de um invólucro com 55 °C de ar interno, essas correções são a diferença entre uma barra que verifica e uma que não verifica.

A nossa calculadora de capacidade de corrente aplica as correções em vez de admitir condições de referência. Onde o conjunto vai para um mercado norte-americano, os limites mudam completamente e a barra também. Essa comparação está em UL 891 contra IEC 61439.