Una arandela aislante cambia la línea de fuga, no la distancia en el aire

Dos distancias, y solo una es asunto suyo

IEC 60664-1 es la norma básica de coordinación del aislamiento, y su apartado de términos separa dos magnitudes que se suelen tratar como una sola.

Leídas junto a una unión atornillada, la separación es evidente. Una arandela con collarín, un casquillo con pestaña, un manguito en el taladro: cada uno es una pieza de material aislante sólido insertada en el camino, y lo que alarga es la segunda distancia. El aire alrededor de la unión no cambia.

Qué hace realmente el herraje

La disposición habitual es una arandela de sombrerete cuyo collarín reviste el agujero de paso y cuya pestaña queda bajo la cabeza, con una arandela plana encima y a menudo otra igual en el lado opuesto. Cada superficie tiene una función, y cada una tiene su manera de no cumplirla.

• El collarín mantiene el perno separado del taladro. Es el fallo que se descubre el último, porque una vez montado es invisible. Un perno que la unión ha desplazado lateralmente, o un agujero taladrado algo desviado, pone metal contra metal dentro de una pieza que por fuera parece correcta.
• La pestaña alarga el camino superficial bajo la cabeza. Ahí trabaja la línea de fuga, y por eso importa el diámetro de la pestaña y no solo su espesor.
• El lado opuesto también tiene que estar aislado. Un extremo aislado y otro con metal contra metal forman una unión conductora con una arandela cara.
• Un recubrimiento no es el aislante. El anodizado, la pintura y el pasivado son delgados, se dañan precisamente con la presión de contacto que ejerce un elemento de fijación, y nadie los especificó como dieléctrico. Si el diseño depende de ellos, tiene un aislante sin plano.
• La imagen especular de esta página es una unión que tiene que conducir. Ahí los mismos recubrimientos son el problema desde el otro lado, y una norma publicada prohíbe las arandelas anodizadas y con recubrimiento electrolítico para la unión equipotencial por ese motivo.

La contradicción de la que nadie avisa

Hay una contradicción directa entre las dos cosas que se le piden a esta pieza, y ya está dicha en una línea de nuestra propia página sobre arandelas: las arandelas de nailon y de fibra aportan aislamiento, estanqueidad y protección superficial, y fluyen bajo carga sostenida, así que no deben ir en la trayectoria de apriete de una unión estructural. El resto de esa tabla está en las arandelas explicadas.

Ambas mitades son ciertas a la vez. El material que aísla es el material que no mantendrá su precarga. Un polímero en la trayectoria de apriete se relaja, la fuerza de apriete cae y la unión se afloja por un mecanismo en el que nada se desenrosca: el segundo modo de fallo de por qué se aflojan los tornillos.

La salida es dejar de pedir ambas cosas a una sola pieza. Coloque un casquillo metálico en la trayectoria de apriete para que la carga de compresión pase por algo que no fluye, y use el polímero solo donde tenga que interrumpir un camino conductor, no donde tenga que soportar carga. Si lo que debe ser no conductor es el elemento de fijación entero, se trata de otro diseño con sus propios límites, y lo que puede y no puede prometer un elemento de fijación de polímero está más cerca de tornillos para plástico que del contenido de un catálogo de tornillería de acero.

Y a 10 kV la norma ya se ha retirado

IEC 60664-1 fija sus propios límites en el primer párrafo de su campo de aplicación: equipos con una tensión asignada de hasta AC 1 000 V o DC 1 500 V, frecuencias de hasta 30 kHz, uso hasta 2 000 m sobre el nivel del mar. La pregunta del hilo trataba de 10 kV, un orden de magnitud por encima. Las tablas que todos consultan no son aplicables, y en esta página no aparece ninguna cifra sustitutiva, porque no somos el documento que debería aportarla.

Otras dos frases del mismo campo de aplicación merecen tenerse presentes incluso en baja tensión, porque describen las situaciones en las que las cifras dejan de ser cifras. Las distancias mínimas en el aire especificadas no se aplican donde hay gases ionizados, y el documento no trata las distancias a través de aislamiento líquido, a través de gases distintos del aire ni a través de aire comprimido. Una unión mojada, polvorienta o situada en algo que no sea aire limpio queda fuera del modelo, no en su borde.

El campo de aplicación incluye además una nota que suena a advertencia para quien aísle una unión dentro de un equipo: en los circuitos internos pueden existir tensiones más altas. La tensión asignada de la placa de características no es necesariamente la tensión que soporta su arandela.

El otro motivo por el que se pide esto

El aislamiento eléctrico no es el único motivo por el que aparece una arandela aislante en un plano. En nuestro ámbito, el más común es romper un par galvánico, en el que el elemento de fijación es a menudo la pequeña pieza anódica de una gran unión catódica y el objetivo es interrumpir el camino electrolítico, no un camino eléctrico. Es otro requisito con otro modo de fallo: la corrosión galvánica, y la clasificación que decide qué pares importan está en la tabla de índices anódicos.

Conviene separar ambas cosas en el plano, porque no piden lo mismo. Una separación galvánica requiere interrumpir el camino de la humedad en todos los puntos donde los dos metales podrían compartir un electrolito. Un aislamiento eléctrico requiere una línea de fuga y una distancia en el aire que resistan una tensión especificada. Una arandela que cumple una cosa no ha cumplido automáticamente la otra.

Qué decidir antes de elegir el herraje

• Diga cuál de las dos distancias es el problema. Si es la distancia en el aire, un herraje dentro del agujero no lo resolverá y habrá que cambiar la geometría.
• Diga qué soporta la fuerza de apriete. Si es el aislante, la precarga tiene los días contados. Un casquillo metálico separa las dos funciones.
• Diga si el lado opuesto también está aislado y si se impide que el perno toque el taladro.
• No deje que un recubrimiento sea el aislante. Si hay anodizado o pintura en la trayectoria de aislamiento, debe especificarse e inspeccionarse como aislamiento, o bien no debe soportar carga en esa superficie.
• Compruebe si la unión era también un camino de equipotencialidad. Aislarla elimina la continuidad que aportaba, y es una cuestión que conviene resolver deliberadamente en vez de descubrirla.

Este artículo no pertenece a un solo paso de los seis: abarca varios o aparece después del montaje. Las decisiones se explican en el artículo inglés Specifying a screw.

Preguntas frecuentes

¿Qué diferencia hay entre distancia en el aire y línea de fuga?

IEC 60664-1 las define por separado. La distancia en el aire es la distancia más corta en el aire entre dos partes conductoras. La línea de fuga es la distancia más corta a lo largo de la superficie de un material aislante sólido entre dos partes conductoras. Una arandela, casquillo o manguito aislante es material aislante sólido colocado en el camino, así que actúa sobre la línea de fuga. El camino por el aire alrededor de la unión no se ve afectado.

¿Una arandela aislante con collarín aísla una unión de alta tensión?

Actúa sobre el camino que atraviesa el elemento de fijación y no sobre el que lo rodea, así que por sí sola la respuesta en alta tensión suele ser que no. Es lo que decían las mejores respuestas del hilo original cuando proponían cambiar el diseño en lugar de añadir herrajes. Además, IEC 60664-1 solo cubre equipos de hasta AC 1000 V o DC 1500 V; a 10 kV, la norma que normalmente se consultaría para obtener cifras no se aplica, y esta página no ofrece una cifra sustitutiva.

¿Puedo poner una arandela de nailon en una unión atornillada estructural?

No en la trayectoria de apriete, si la unión debe conservar su precarga. Las arandelas de polímero fluyen bajo carga sostenida, la fuerza de apriete cae con ellas y la unión se afloja sin que nada haya girado. La disposición habitual es un casquillo metálico que soporta la carga de compresión, con el polímero solo donde tiene que interrumpir un camino conductor, de modo que la pieza que aísla no sea también la que mantiene unida la unión.

¿Una arandela aislante es la misma solución que una arandela de aislamiento galvánico?

Se solapan, pero no son el mismo requisito. El aislamiento eléctrico se especifica mediante una tensión y necesita una línea de fuga y una distancia en el aire que la resistan. El aislamiento galvánico consiste en interrumpir un camino electrolítico, así que necesita cortar el paso de la humedad en todos los puntos donde los dos metales podrían compartir un electrolito, incluidos lugares por los que una tensión nunca habría saltado. Una pieza que cumple uno no ha cumplido automáticamente el otro, y el plano debe decir cuál se pide.

¿El anodizado cuenta como aislamiento eléctrico?

No, salvo que alguien lo haya especificado y verificado como aislamiento. Los recubrimientos son delgados, su comportamiento dieléctrico no es el motivo por el que se compró el acabado, y la presión de contacto bajo un elemento de fijación es justo la condición que los daña. Si un diseño depende de un recubrimiento para aislar una unión, el aislante no tiene plano ni inspección, que es un problema distinto del que la arandela debía resolver.

Referencias

• IEC 60664-1:2020 — coordinación del aislamiento de los equipos en sistemas de alimentación de baja tensión; apartado 1, campo de aplicación, y 3.1.4 y 3.1.5, que definen distancia en el aire y línea de fuga
• IEC 60050-151 — Vocabulario Electrotécnico Internacional, la fuente que IEC 60664-1 cita para la definición de línea de fuga

IEC 60664-1:2020 se leyó en la vista previa en PDF de acceso público, que contiene completo el campo de aplicación y el apartado de términos y definiciones, incluidas las dos definiciones citadas aquí. La vista previa no incluye las tablas de distancias en el aire y líneas de fuga, y ningún valor de ellas aparece en esta página; tampoco se aplicarían al caso de 10 kV del hilo original, que está un orden de magnitud por encima del límite de tensión asignada de la norma. La cifra de rigidez dieléctrica del aire citada en ese hilo no se reproduce aquí a propósito: el valor citado habitualmente corresponde a un campo uniforme al nivel del mar, y las puntas, aristas, la humedad, la presión y la contaminación lo modifican, de modo que una sola cifra induciría a error precisamente en la situación que plantea la pregunta. El número de catálogo de IEC 60050-151 no se cotejó con una segunda fuente. Si aislar una unión altera un camino de equipotencialidad de protección se plantea aquí como una pregunta que hay que responder, no como un requisito citado de ningún código.