Post on 20-Feb-2016
description
86 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013
Nota técnica
Las soldaduras cuproaluminotérmicas para puestas a tierra y sus ensayos
eléctricos de calentamiento
Se analiza el ensayo de calen-
tamiento eléctrico de una solda-
dura cuproaluminotérmica -SCAT-
de un cable de cobre a muy alta
temperatura (1.000° aproximada-
mente) propuesta por los autores
en el estudio actual de la norma
IRAM 2315, en reemplazo de otro
ensayo de fusión del cable con una
SCAT (realizada a mitad del cable)
anteriormente propuesto en el
IRAM. En el Anexo A se dan las de-
finiciones normalizadas e ilustra-
das de las SCAT como una posible
introducción a esta nota técnica.
1. Los ensayos eléctricos de las SCAT en la norma IRAM 2315 [1]
Eran tres los ensayos propues-
tos hasta mayo de 2013:
- Ensayo de calentamiento/en-
friamiento (8.2.1 del esquema
2 de IRAM 2315)
- Ensayo de calentamiento y fu-
sión del conductor de cobre
con una unión soldada mode-
lo SS (8.2.2)
- Ensayo de calentamiento a muy
alta temperatura (teórica de
unos 1.000 °C) del conductor de
cobre de una unión soldada SS
2. Eliminación del ensayo 8.2.2 de fusión del conductor [2] [3]2.1 Este ensayo era el que está
en el recuadro
2.2 Razones de los autores para
proponer la eliminación del
ensayo 8.2.2
Al estudiar el tema, los autores
encontraron las razones siguientes:
A) El ensayo de fusión no está en
ninguna norma que trate del tema.
El que sí está es el de ~1.000 °C, en
la ANSI/UL 467:2004-09-03 (EE. UU.).
B) En la adjunta figura 1 pre-
sentamos la temperatura (teóri-
ca) θ (°C) en función de la energía
electrotérmica Q (kJ/kg) (kilojoule/
kilo de masa). Esta energía está de-
sarrollada, en el tiempo de ensayo,
por la corriente alterna de valor efi-
caz I (A), y comprende lo siguiente:
Por Ing. Juan Carlos Arcioni, IRAM, CGN, CEE; Ing. Jorge Francisco Giménez, CITEDEF
8.2.2 Calentamiento y fusión del conductor de cobre
8.2.2.1 Se utiliza la unión soldada del modelo SS, realizada en el centro de
un conductor de cobre de siete alambres, de una sección mínima nominal
de 4 mm2 y de un largo mínimo de 1 m.
8.2.2.2 Se hace circular la corriente de fusión del conductor hasta que fun-
da en un tiempo de 15 s como máximo
8.2.2.3 Se mide la corriente de fusión en su verdadero valor eficaz y el tiem-
po de duración de su aplicación, que se registran en el informe de ensayo.
8.2.2.4 El ensayo se da por aprobado si no se han fundido ni destruido las
soldaduras de una muestra de tres especímenes. Si algún espécimen falla-
ra se repite el ensayo con otra muestra de tres especímenes nuevos.
Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 87
- el calor de masa para el calenta-
miento Qm del cable de Cu (cobre)
de 1 x 4 mm2- (1 metro) (IRAM 2004)
con su soldadura SS ubicada al me-
dio, por ejemplo. Este calor Qm ca-
lienta al conductor + SS hasta llegar
a θf = 1.100 °C de fusión del conduc-
tor de cobre (ver la figura 1).
- el calor latente de fusión Lf a la
temperatura de 1083 °C (teórica) que
permanece constante durante el lap-
so de fusión del metal cobre (Cu)
En la figura 1, con θ = f (Q), y el
la figura 2, con Q = F (t), se puede
apreciar que las funciones “f” y “F”
son matemáticamente disconti-
nuas porque el calor Lf introduce
la discontinuidad por el cambio de
estado físico: sólido (Cu) a líquido
(Cu) a la temperatura constante θf.
Este hecho físico (“fenómeno fí-
sico”) complica el ensayo y el man-
tenimiento de sus condiciones de
seguridad personal y técnica.
C) En la ANSI/UL 467-2004, en
su apartado 14.1 - short-time test
currents [en la columna tercera
(S mm2 – Cu), cuarta (tiempo, s) y
quinta (corriente de ensayo, A) se
especifica una función tabulada:
Ie = F [S (mm2 – Cu); t (s)]
representada en nuestra figu-
ra 3, que responde a un ensayo
de calentamiento adiabático que
debe ser resistido (o soportado)
por la unión soldada SS en nuestro
caso (ver 14.1 de la ANSI/UL 467-
2004: “The fitting shall not crack,
break or melt”).
3. Propuesta de los autores para el ensayo 8.2.3 de IRAM 2315
8.2.3 Ensayos de calentamien-
to a muy alta temperatura (teórica
de ≅ 1.000 °C) del conductor de
cobre de una unión soldada SS.
8.2.3.1 Se debe ensayar una
muestra de tres (o de cinco) espe-
címenes de uniones soldadas SS
(ver el 8.2.3.3).
A cada espécimen de unión sol-
dada del tipo (o modelo) SS realiza-
da sobre un conductor de cobre de
4 mm2 (siete alambres) se le aplica la
corriente Ie durante el tiempo Te de
corta duración, según la tabla XYZ.
8.2.3.2 Cada unión soldada, en-
sayada según el 8.2.3.1 no se debe
rajar, quebrar, romper o fundir
como consecuencia del calenta-
miento con la corriente Ie de corta
duración te.
8.2.3.3 Por convenio previo en-
tre fabricante y usuario se podrán
elegir otras secciones de cables de
cobre según la tabla XYZ.
Tabla XYZ - Ensayos de co-
rrientes Ie de corta duración te re-
sistida por uniones soldadas en
conductores de cobre
Sección nominal (cobre)
Corriente de ensayo Ie (valor
eficaz)
Tiempo te de
duración de Ie
mm2 A s2,5 350 44 570 46 850 410 1.160 616 1.850 625 2.900 635 4.060 650 4.700 970 6.580 995 8.930 9120 11.280 9150 14.100 9185 17.390 9
4. Complemento explicativo de la propuesta de 3
4.1 Tabla XYZ incorporando
las densidades de corriente Je en
el tiempo te
Nota: Tabla calculada según la tabla 14.1 de la norma ANSI/UL 467:2004-09-03 (USA)
Sección nominal (cobre)
Corriente de ensayo Ie (valor eficaz)
Tiempo te de duración de Ie
Densidad de corriente Je en el tiempo te
mm2 A s A/mm2
2,5 350 41424 570 4
6 850 410 1.160 6
11616 1.850 625 2.900 635 4.060 650 4.700 9
94
70 6.580 995 8.930 9120 11.280 9150 14.100 9185 17.390 9
Nota: Tabla calculada según la tabla 14.1 de la norma ANSI/UL 467:2004-09-03 (USA)
88 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013
Nota técnica
4.2 Tabla UVW
Análisis termodinámico de
la tabla 14,1 (pág. 16) de la nor-
ma ANSI/UL 467 (2004/09/03),
reproducida en las tres primeras
columnas que siguen.
S cobre
t I ensayo
K Jt
mm2 s A As½/mm2
A/mm2
2,1 4 300 286 1453,3 4 470 285 1425,3 4 750 283 1428,4 4 1.180 281 14213,3 6 1.530 282 11521,2 6 2.450 283 11626,7 6 3.100 284 11633,6 6 3.900 284 11642,4 6 4.900 283 11653,5 9 5.050 283 9467,4 9 6.400 285 9585 9 8.030 283 94
107 9 10.100 283 94127 9 1.200 283 94
4.3 Cálculos para la tabla UVW
según el Anexo A, IRAM 2281-3,
año 2012:
4.3.1 Cálculo de la temperatura
final θf
K = K0 √ln(β+θf)/(β+θi); K = (I √t)/S
ln [(β+θf)/(β+θi)] = (K/K0)2
(β+θf)/(β+θi) = exp (K/K0)2
β+θf = (β+θi) exp (K/K0)2
Nota: se adoptaron, para calcular la tabla XYZ, los
valores subrayados de la densidad de corriente Jt
(A/mm2) de corriente Ie durante el tiempo t.
θf = (β+θi) exp (K/K0)2 - β
4.3.2 Cálculos de θf = F (K, θi)
a) Sea K = 281, 283, 285, calcu-
lar θf si θi = 30 °C
K θf (°C)281 1.007283 1.034285 1.062
b) Fusión de cobre: θf = 1.083 °C,
siendo θi = 30 °C
K = K0 √ln(β+θf)/(β+θi) =
226.1,267 ≅ 286,4 ∴ Kf ≅ 286-287
5. AgradecimientosLos autores de este artículo
agradecen al ingeniero Jorge Clapes
por su colaboración tecnológica en
el IRAM, y a Alejandro Menéndez de
Jesús, Romina Simone y Alejandra
Bocchio por la confección editorial.
1] Bibliografía
2] [1] IRAM -Instituto Argentino de Normaliza-
ción y Certificación- Buenos Aires
3] Norma IRAM 2315 Materiales para puesta a
tierra. Soldadura cuproaluminotérmica
4] Primera edición 1998
5] Segunda edición 1999
6] Tercera edición en estudio (2012 y 2013)
7] [2] Arcioni, Juan Carlos, Propuesta del
ensayo de calentamiento de un cable de cobre
con una soldadura SS (IRAM 2315) a muy alta
temperatura (1.000 °C aprox.) - Anexo 2 al acta
2-2013 (18/4/2013) y Anexo 2 a acta 3-2013
(23/5/2013) del subcomité Materiales para Pues-
ta a Tierra del IRAM (coordinador Ing. Salvador
David Carmona)
8] [3] American National Standards Institute
(ANSI)/Underwriters Laboratories (UL) – USA:
ANSI/UL 467:2004/09/13: “Standard for groun-
ding and bonding equipment”
100 200
200
500
700
1000
θ =1100
θi= 30
θ(°C)
θ400 500
LfQm
Fusión
Fusión a ~ 1100 ˚C
Calentamiento
Hipóte
sis LI
NEAL θ
= F
(Qm
)
600 (kJ/kg)
Figura 1. Temperatura θ (°C) del cable de cobre con una soldadura SS en un ensayo de calentamiento y de fusión en función del calor
(energía electrotérmica) Q (kJ/kg de masa) desarrollado por la corriente alterna Ie que lo recorre durante el tiempo de ensayo te (ver figura 2)
Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 89
Q
t
( (kJkg
Qm (20 °C/1083 °C)
Lf (1083 °C)
Fusión a 1083 °C
Calor latente
Calentamiento hasta 1083 °C
10
419
628
20
100%
67%
33%
50% ~70% 100% (%)
Figura 2. Esquema del calor (energía electrotérmica) necesario para calentar un conductor de cobre desde θi = 20 °C hasta θf = 1.083 °C, y fundirlo a 1.083 °C
DatosQm (20°C/1.083 °C) = c m (θf – θi)c = 0,394 (kJ/kg K) Qm ≅ 419 kJ/kgm = 1 kgLf = 209 kJ/kg siendo θf = 1.083 °C = constQtotal = Qm + Lf = 628 kJ/kgt = tiempo de fusión (%)
Figura 3. Funciones Ie = F [S (mm2 Cu); te (s)] de corrientes Ie (A) de ensayo de cables de cobre de S (mm2) durante te (s) a muy alta temperatura (1.000 °C aprox. teórico) según la tabla 14.1 de ANSI/UL 467:2004 (EE.UU.) [3]
90 Ingeniería Eléctrica • Julio 2013
Nota técnica
Anexo ANorma IRAM 2315 (esquema 2 )
en estudio en el IRAM durante 2012 y 2013. Materiales para puesta a tierra. Soldadura cuproaluminotérmica.
Definiciones (versión de los au-tores del capítulo 3 de IRAM 2315 – Esquema 2/2012-2013)
3.1 Soldadura cuproalumino-térmica
Proceso de soldadura por ter-mofusión, donde el calor necesa-rio se obtiene por el efecto reduc-tor del aluminio sobre el óxido de cobre, que genera una reacción exotérmica de alta temperatura. El material de aporte es el cobre fundido y recalentado, resultante de dicha reacción termoquímica.
Nota: este proceso de soldadu-ra se ilustra en la figura 1.
3.2 Molde para soldaduras (ver 3.2 en figura A2)
Conjunto de piezas mecaniza-das de grafito u otro material, pro-vistas por el fabricante, necesarias
para la realización de cada tipo o modelo de soldadura.
3.3 Tipo o modelo de soldaduraSon las designadas en el anexo
C de esta norma de acuerdo con el criterio de utilización más común de la soldadura.
3.4 Carga o cartucho de sol-dadura (ver 3.4 en figura A2)
Cantidad de material de aporte (fraccionada y envasada por el fa-bricante) necesaria para cada tipo de soldadura. Se identifica conven-cionalmente por un número entero.
3.5 Elemento de ignición (ver 3.5 en la figura A2)
Elemento provisto por el fabri-cante (por ejemplo, polvo, mecha, dispositivo de chispa, etc.) conteni-do en un envase individual que se utiliza para provocar la ignición y la consecuente reacción termoquími-ca de la carga de la soldadura.
3.6 ManijasHerramientas intercambiables
de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los mol-des de dos partes, a causa de su alta temperatura de trabajo.
3.7 ArmadurasHerramientas intercambiables
de acero que permiten sujetar, manipular, abrir y cerrar los mol-des de particiones múltiples (dos o más partes) cuando tienen altas temperaturas de trabajo.
2.8 Disco metálico (ver 3.8 en la figura A2)
Pieza metálica circular cóncava que mantiene la carga de solda-dura dentro del crisol o embudo de molde y que permite (por su fusión a una temperatura prede-terminada) la colada del cobre fundido y recalentado sobre las piezas que deben ser soldadas.
Nota: en la figura A2 se da un ejemplo de una vista en corte de un molde con los elementos de soldadura definidos en 3.2, 3.4,
3.5 y 3.8.
Figura A1. Proceso de una soldadura cuproaluminotérmica
Figura A1a. Reacción exotérmica de una
soldadura
Figura A1b. Colada del material fundido
sobre las piezas a soldar
Figura A1c. Fin de la colada y formación
de la soldadura
Figura A1d. Soldadura finalizada
Ingeniería Eléctrica • Julio 2013 91
Anexo BExtracto del anexo C del es-
quema 2 de IRAM 2315:2012.
Designación de las uniones
soldadas de uso más común para
cables
Figura A2. Vista en corte de un molde de soldadura con las piezas a soldar (indicando entre paréntesis los apartados del capítulo 3, defini-ciones del esquema 2 de la norma IRAM 2315)