Quanti cavi entrano in un tubo? È una questione di norma, non di geometria

Perché il limite non parla di starci dentro

Prendi il caso predefinito del calcolatore e ribalta la domanda. Tre conduttori da 12 AWG occupano il 7,49 % di un tubo EMT da tre quarti di pollice. Sedici ne occupano il 39,92 %. Perfino a sedici, tre quinti del tubo sono aria — e un tratto stipato al sessanta per cento a mano non sarebbe ancora pieno in senso di impacchettamento, perché cerchi dentro un cerchio non superano circa il novanta per cento nemmeno disposti alla perfezione, e nessuno dispone i cavi alla perfezione. La regola dunque non parla di volume. Parla di due modi di guasto.

Il primo è termico. Un conduttore percorso da corrente dissipa RI² in calore, e quel calore deve uscire attraverso l'isolante, le intercapedini d'aria, la parete del tubo e fino alla stanza. L'isolante ha una temperatura ammissibile — le due H di THHN stanno per alta resistenza al calore, 90 °C in ambiente asciutto — oltre la quale indurisce, si fessura e finisce per non isolare più. Metti un solo conduttore in un tubo: irradia liberamente in molta aria ferma. Mettine nove: quelli al centro sono circondati da altre sorgenti di calore, con gli esterni fra loro e la parete. Il limite di riempimento è un'approssimazione grossolana del lasciare abbastanza aria nel tubo perché il cuore del fascio riesca ancora a smaltire.

Il secondo è meccanico, ed è quello che colpisce durante il lavoro e non anni dopo. I conduttori si tirano nel tubo con lubrificante e, sui percorsi lunghi, con un argano. Ogni curva moltiplica la tensione necessaria all'altro capo, e più il tubo è pieno meno il fascio riesce a riorganizzarsi nella curva: si incastra. A cedere per primo è l'isolante, raschiato contro lo spigolo di un manicotto o di una boccola, e il danno è invisibile da entrambi i capi. Un conduttore con l'isolante intaccato, sepolto in un muro, è un guasto che aspetta un inverno umido. Il 40 % riguarda tanto il poter installare il cavo in sicurezza quanto l'esercirlo in sicurezza.

Quale norma applica, e i valori che ne prende

Lo strumento è uno strumento NEC, e il titolo lo dice perché nessuno debba indovinarlo. Sotto porta due tabelle riprese dal capitolo 9 del NEC. La tabella 4 dà l'area interna totale di ogni tubo in ogni misura commerciale, e lo strumento tiene cinque famiglie: EMT, PVC Schedule 40, PVC Schedule 80, metallo rigido e metallo intermedio, da mezzo pollice a quattro pollici. La tabella 5 dà l'area approssimata di un conduttore isolato, e lo strumento tiene la colonna THHN e THWN dal 14 AWG al 4/0. Entrambi gli insiemi sono stati confrontati con i valori pubblicati prima che questo articolo fosse scritto, ed entrambi corrispondono.

La famiglia di tubo conta più di quanto ci si aspetti, perché lo spessore di parete mangia lo spazio. Nove conduttori da 12 AWG danno un riempimento del 21,80 % in metallo rigido da tre quarti di pollice, 22,46 % in EMT, 23,56 % in PVC Schedule 40 e 29,27 % in PVC Schedule 80 — un terzo di riempimento in più per gli stessi fili nella stessa misura nominale, perché la parete più spessa dello Schedule 80 lascia un foro molto più stretto. Il metallo intermedio è il più generoso dei cinque, con 20,43 %. Nessuno viene bocciato, ma su un tratto vicino al limite la scelta del tubo è la differenza fra passare e salire di misura.

53, 31 e 40 non sono una serie — e con due conduttori la regola è la più severa

Leggi i tre limiti in ordine e qualcosa stona: 53 %, poi 31 %, poi si risale a 40 %. Non è un errore né una curva regolare, perché i tre casi sono geometricamente problemi diversi. Un singolo conduttore in un tubo rotondo è un cerchio dentro un cerchio e può essere piuttosto grosso prima di incastrarsi — da qui il 53 %. Due conduttori affiancati sono il caso peggiore di incastro: possono mettersi di traverso nel foro in una curva e bloccarsi, da qui il calo al 31 %. Da tre in su possono riorganizzarsi in triangolo o in fascio che rotola nella curva, e il limite si allenta al 40 %.

Il calcolatore sceglie il limite dal numero di conduttori che digiti, e lo scatto è brusco in un modo che vale la pena conoscere. Digita 2 e il limite mostrato è 31 %; digita 3 e diventa 40 % mentre il riempimento reale sale. Il gradino cattura anche gli inserimenti decimali: il numero è arrotondato prima che il limite venga scelto, quindi 2,4 conduttori è trattato come due e riceve il limite del 31 %, mentre 2,6 è trattato come tre e riceve il 40 %. E un conteggio di zero passa al 53 %, cosa aritmeticamente coerente e praticamente vuota: un tubo vuoto non è un progetto.

Il caso del nipplo è il quarto limite e il più abusato. Un tratto corto di tubo, non più di ventiquattro pollici fra due cassette, può essere riempito al 60 %, perché non c'è tiro significativo né, su una lunghezza così breve, riscaldamento significativo. Selezionalo nello strumento e il limite salta al 60 % qualunque sia il numero di conduttori. È una tolleranza autentica e non una scappatoia: venticinque pollici non è un nipplo, e un nipplo con una curva non lo è nemmeno.

Declassamento: usa lo spazio, perdi corrente

Questa è la parte che il calcolatore non fa, ed è la parte che decide se il tratto funziona. Lo stesso argomento termico che ha prodotto il limite di riempimento ne produce un secondo, più tagliente: appena più di tre conduttori attivi condividono una canalizzazione, la norma riduce la portata di ciascuno di un fattore che peggiora al crescere del numero. I gradini sono nel NEC 310.15(C)(1). Da quattro a sei conduttori conservano l'80 % del loro valore, da sette a nove il 70 %, da dieci a venti il 50 %, e si continua a scendere. Un conduttore da 12 AWG THHN dato per 30 A a 90 °C porta quindi 24 A in un gruppo di sei, 21 A in un gruppo di nove e 15 A in un gruppo di sedici. A sedici il tubo supera ancora la verifica di riempimento. I circuiti che contiene si sono dimezzati.

I due conteggi non sono lo stesso conteggio, e confonderli è un errore frequente e pesante. Per il limite di riempimento conta ogni conduttore presente nel tubo, conduttori di protezione inclusi: occupano spazio come gli altri. Per la riduzione di portata contano solo i conduttori attivi: un conduttore di protezione non conta mai, e il neutro di un circuito multipolare equilibrato di norma nemmeno, salvo che porti correnti armoniche. Un tubo con sedici conduttori può averne solo dodici attivi: il fattore di riduzione dipende dai dodici e il riempimento dai sedici. Invertire i due porta o a declassare un circuito che non ne aveva bisogno, o — molto peggio — a non declassare quello che ne aveva.

C'è un ulteriore vincolo che tiene onesta l'aritmetica. Il valore a 90 °C da cui parte la riduzione non è la corrente che si ha diritto di erogare: i morsetti degli apparecchi comuni sono omologati a 60 o 75 °C, e il circuito è limitato dal minore dei due valori — portata ridotta o tenuta dei morsetti. A parte, i piccoli conduttori in rame sono limitati dalla loro regola di protezione contro le sovracorrenti, indipendentemente da tutto questo. Conseguenza pratica: il margine che la colonna dei 90 °C sembra offrire c'è soprattutto perché ci sia qualcosa da ridurre, non perché lo si usi.

Fuori dagli Stati Uniti nessuno di questi numeri vale

Il NEC è un testo degli Stati Uniti, pubblicato dalla NFPA e adottato Stato per Stato e città per città, con emendamenti locali. Ovunque altrove la famiglia che conta è la IEC 60364, recepita a livello nazionale: NF C 15-100 in Francia, la serie DIN VDE 0100 in Germania, il REBT in Spagna, il RTIEBT in Portogallo, la CEI 64-8 in Italia, la BS 7671 nel Regno Unito. Nessuno di quei testi contiene i numeri 53 / 31 / 40, nessuno tabula il riempimento in pollici quadrati, e le sezioni dei conduttori sono in millimetri quadrati e non in numeri di calibro. Il tubo stesso è un'altra linea di prodotto: dimensionato per diametro esterno secondo la serie EN 61386 — 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63 mm — mentre la serie americana è una misura commerciale in pollici che non è né il foro né il diametro esterno di alcunché di preciso.

Ciò che si trasferisce è l'aritmetica, perché un grado di riempimento non ha unità. Prendi il diametro interno del tubo, elevalo al quadrato e moltiplica per π/4 per l'area del foro. Prendi il diametro esterno di ogni cavo dalla sua scheda tecnica — il diametro esterno, non la sezione del conduttore, perché è la guaina a occupare il tubo — elevalo al quadrato, moltiplica per π/4 e somma. Dividi il secondo per il primo. Un tubo da 20 mm con parete di 1,5 mm ha un foro di 17 mm e 226,98 mm² di area; nove cavi da 3,5 mm di diametro esterno ne occupano 86,59 mm², cioè il 38,15 % di riempimento. Sposta gli stessi nove cavi in un tubo da 25 mm e il valore scende al 22,78 %. Il numero dice qualcosa; il limite con cui lo confronti non è quello del NEC e deve venire dal testo che vale dove stai lavorando.

La penalizzazione da raggruppamento esiste su entrambe le sponde dell'Atlantico, ed è la parte rassicurante. La IEC 60364-5-52 porta fattori di riduzione per circuiti raggruppati in un tubo o in una canalina, tabulati per numero di circuiti e non di conduttori, e decrescono con la stessa forma di quelli del NEC: più circuiti condividono l'involucro, meno ciascuno può portare. I due sistemi divergono sui valori, su cosa si conta e sul metodo di posa di riferimento da cui parte una portata. Concordano del tutto sulla fisica. Se da questo articolo porti via una sola idea, porta via quella: il tubo è un problema termico prima che un problema di ingombro, in ogni Paese.

Cosa il calcolatore non verifica

Prende una sola sezione e un solo numero di conduttori, che non è l'aspetto di un tiro reale. Un circuito terminale porta tipicamente due o tre conduttori di una sezione più un conduttore di protezione più piccolo, e una dorsale ha spesso un neutro ridotto. Non c'è modo di inserire quella mescolanza, quindi l'aggiramento onesto è far girare lo strumento per ogni sezione, sommare a mano le aree dei conduttori e confrontare il totale con lo stesso limite — che dipende solo dal numero totale di conduttori, non dalle loro sezioni.

Conosce solo THHN e THWN. Sono i fili da costruzione comuni negli Stati Uniti, ed è per questo che lo strumento se la cava con una sola tabella; ma XHHW, RHW, USE e tutto il resto occupano aree diverse per lo stesso rame, a volte parecchio di più. Non applica nemmeno la regola di incastro — quella per cui tre conduttori della stessa sezione possono bloccarsi in una curva quando il rapporto fra il diametro interno del tubo e quello esterno del conduttore cade in una banda stretta attorno a tre. E non dice nulla sullo sforzo di tiro, sul numero di curve, sul riempimento delle cassette, né se il conduttore sia della sezione giusta per il carico: altro calcolo, altro strumento.

Domande frequenti

Il conduttore di protezione conta per il riempimento?

Sì per il riempimento, no per la riduzione di portata, e quella distinzione è la cosa più utile di tutto l'articolo. Il riempimento è una questione di area occupata: tutto ciò che è nel tubo occupa spazio, conduttori di protezione inclusi, nudi o isolati, che portino o meno corrente in regime normale. La riduzione è una questione di calore prodotto: contano solo i conduttori che portano davvero la corrente di carico; un conduttore di protezione la porta solo durante un guasto, che dura millisecondi. Lo stesso ragionamento esenta il neutro di un circuito multipolare equilibrato, dove porta solo lo squilibrio — con la nota eccezione di un neutro che alimenta carichi generatori di armoniche, che porta corrente e quindi conta.

Perché il limite per due conduttori è più basso che per tre?

Perché due corpi rotondi in un tubo rotondo sono la peggior disposizione per l'incastro, e l'incastro è un problema di tiro e non di calore. Due conduttori di taglia simile possono mettersi di traverso in una curva e incunearsi attraverso il foro; una volta incuneati non scorrono — più tiri, più si bloccano, e la guaina si strappa. Con tre o più quel cuneo preciso è molto meno facile: cadono in triangolo o in fascio lasco che rotola nella curva. Un conduttore da solo non ha contro cosa incastrarsi e riceve la tolleranza più generosa, il 53 %. La sequenza 53, 31, 40 non è dunque una curva: sono tre risposte distinte a tre domande geometriche distinte, ed è per questo che lo strumento cambia limite di scatto quando modifichi il numero.

Posso usare questo strumento per un impianto europeo?

Per capire il principio, sì. Per dimensionare un tratto, no. Tutto in esso è americano: la serie di tubi è in misure commerciali in pollici, le aree dei conduttori sono quelle di THHN e THWN, e i limiti sono quelli del NEC. Un impianto europeo è retto dal recepimento nazionale della IEC 60364, usa tubi dimensionati per diametro esterno in millimetri secondo la serie EN 61386, e specifica il cavo per sezione in millimetri quadrati. Ciò che si trasferisce è il metodo, perché un grado di riempimento è un rapporto senza unità: calcola l'area del foro del tuo tubo, somma le aree dei cavi a partire dai loro diametri esterni, e dividi. Quel numero è direttamente confrontabile con un limite di riempimento — solo, non con quello del NEC. Portalo al testo che vale dove il cavo passerà, e ricorda che l'equivalente della questione del declassamento esiste anche lì, come fattori di riduzione per raggruppamento nella IEC 60364-5-52.

Come tratto un tiro con più di una sezione di conduttore?

A mano, perché lo strumento prende una sezione alla volta. Lancialo una volta per sezione per leggere l'area totale dei conduttori di quel gruppo, somma i gruppi e confronta la somma con l'area interna del tubo. Il limite non cambia con la mescolanza: si sceglie solo in base a quanti conduttori ci sono in totale, quindi tre di una sezione più un conduttore di protezione più piccolo fanno quattro conduttori e prendono il 40 %, senza dosaggi. La trappola aritmetica è dimenticare il conduttore più piccolo perché sembra trascurabile — in un tratto stretto è spesso proprio il conduttore di protezione a spingere un riempimento al limite oltre la riga, ed è quello che si lascia fuori dal conteggio.

Se un tratto supera la verifica di riempimento, il tubo è dimensionato bene?

No. Il riempimento è una porta fra tante, e la più facile da superare. Un tratto deve anche sopravvivere al tiro, che dipende dalla sua lunghezza, dal numero e dal raggio delle curve e dal lubrificante usato, e nulla di ciò entra in una percentuale di riempimento. Deve soddisfare la riduzione di portata per quanti conduttori attivi contiene, cosa che può imporre una sezione maggiore e quindi un tubo più grande di quanto la verifica di riempimento suggerisse. Deve evitare la regola di incastro se porta esattamente tre conduttori della stessa sezione. Le cassette alle due estremità hanno le proprie regole di riempimento. E il conduttore stesso deve essere dimensionato per il suo carico e la sua caduta di tensione prima di tutto questo — è da lì che un tratto si progetta, non a ritroso dal tubo. Superare la verifica di riempimento significa che il tubo non è squalificato; non che sia quello giusto.