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INSTITUTO PROFESIONAL INACAP
INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD
“ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES ELECTRICOS”
NIBALDO ANDRES ACOSTA ACUÑA
2004
INSTITUTO PROFESIONAL INACAP
INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD
“TRABAJO DE TITULACION PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD
CON MENCION EN POTENCIA”
“ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES ELECTRICOS”
PROFESOR GUIA: Gabriel Leyton Valenzuela
NIBALDO ANDRES ACOSTA ACUÑA
2004
AGRADECIMIENTOS Al tener que dar las gracias, debo decir que primeramente agradezco a mi madre,
que con mucho esfuerzo me brindó la posibilidad de emprender el gran desafío que
significa estudiar una carrera profesional, que teniendo que cumplir el rol de padre y
madre, con su sabiduría y entrega logró sostener a la familia con gran paciencia y
cariñosos consejos.
A todas las personas que me apoyaron incluso desde mucho antes de emprender
esta larga carrera, especialmente a Patricia, la razón de mi felicidad.
Me siento profundamente agradecido del señor Horst Ziller por la posibilidad
brindada en su empresa para desarrollar mi práctica profesional, como también dar
las gracias por la confianza depositada en mí, además de ser un gran maestro al
entregarme sus conocimientos adquiridos durante muchos años.
A mi profesor guía, Don Gabriel Leyton le agradezco por su excelente disponibilidad
y paciencia que siempre demostró tener a lo largo de este proceso.
Nibaldo Andrés Acosta Acuña
RESUMEN
Desde hace muchos años, el Fusible Eléctrico es el elemento de protección más utilizado para proteger circuitos eléctricos en los distintos niveles de baja, media y alta tensión. La seguridad de su accionamiento y sus ventajas económicas, constructivas, mecánicas y eléctricas, en comparación con otros dispositivos de protección, han convertido al fusible en la opción número uno en el momento de proteger las instalaciones eléctricas. El continuo crecimiento del sector industrial origina la intensificación del consumo energético eléctrico, lo que trae como consecuencia que las fallas eléctricas sean más comunes. Con el fin de proteger los sistemas eléctricos, hoy en día es necesario optar por la alternativa más segura y económica, para lo cual los fusibles eléctricos desechables son la mejor solución al problema, aún cuando en muchas alternativas de protección se utilizan los dispositivos automáticos. En el ámbito eléctrico se emplea comúnmente el término “fusible” para referirse a un dispositivo de protección, pero lo cierto es que la definición que identifica completamente a dicho elemento, no es totalmente conocida entre las personas, especialmente en los estudiantes del área. Según lo planteado anteriormente, es válido hacer una completo estudio del funcionamiento y diseño de fusibles eléctricos, comenzando con una reseña histórica que detalle la aparición del primer fusible patentado por el señor Thomas Alva Edison y los aportes de James Prescott Joule y de Julius Robert von Mayer en el área de la termología, además de entregar definiciones de termodinámica y conceptos utilizados en los fusibles tales como el tiempo de pre-arco (Melting), tiempo arco (Arc) y tiempo total de despeje (Clearing), corriente prevista de corte, intensidad limitada, energía disipada (i2·t), los cuales son importantes para comprender los fenómenos físico-eléctricos que se originan en la operación de un fusible eléctrico. Actualmente existe una gran gama de fusibles, de acuerdo a la necesidad y utilización, por lo tanto es importante analizar la forma de codificación que utilizan los fabricantes de fusibles, para visualizar definiciones y posteriormente hacer una correcta elección de dichos elementos de protección. La existencia de una serie de fenómenos físicos que ocurren en la operación de un fusible permitirá definir los conceptos de fusión, ebullición, vaporización y formación de arco, con el fin de explicar con profundidad las etapas del proceso físico del corte de un fusible en régimen adiabático, analizando matemáticamente las ecuaciones que caracterizan dichas etapas para finalmente encontrar la constante de Mayer. Dicha constante permite determinar el tiempo de pre-arco para una determinada corriente eléctrica, conociendo la superficie transversal y el material empleado del elemento fusible (plata, cobre, aleaciones, etc.). Los parámetros y características eléctricas de los fusibles (valores nominales) tales como la corriente, el voltaje, capacidad de ruptura, tipo de fusión (lento, rápido, ultra rápido etc.) son necesarios de estudiar, y además de las características mecánicas como son la forma, dimensiones, los materiales de fabricación del cuerpo del fusible y el medio de extinción del arco, entre otras. También es muy importante resaltar las ventajas y desventajas que tienen los fusibles eléctricos en comparación con los interruptores termo-magnéticos, y además los conceptos de selectividad y coordinación, además de las normativas nacionales e internacionales referentes a fusibles, cuales son sus alcances y campos de aplicación, de qué forma clasifican a los fusibles según el voltaje nominal y el rango de tiempo de operación, permiten adoptar medidas importantes en el momento de fabricar estos dispositivos de protección. En virtud de lo anterior, el presente estudio de seguro permitirá adquirir un real conocimiento de lo que significa un fusible, y de la importancia que éste posee en su desempeño en las redes eléctricas.
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INDICE
Pág.
Resumen......................................................................................................................1
Capítulo I INTRODUCCIÓN.....................................................................................4
1.1. Objetivo General.................................................................................................4
1.2. Objetivos Específicos.........................................................................................4
1.3. Justificación del Tema........................................................................................5
Capítulo II DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS FUSIBLES Y PRIMEROS ESTUDIOS DE LOS EFECTOS TÉRMICOS PRODUCIDOS POR LA CORRIENTE.6
2.1. Evolución Histórica del Fusible Eléctrico............................................................6
2.2. Inicio de la Producción y Consumo de la Electricidad en Chile..........................8
2.3. Primeros Estudios de los Efectos Calóricos Producidos por la Corriente
Eléctrica............................................................................................................11
2.4. Propiedades Físicas de la Materia...................................................................12
2.5. Característica Tiempo-Corriente en la Etapa de Pre-arco Adiabático.............14
2.6. Análisis del Código de Fusibles DELTA...........................................................16
Capítulo III TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES............24
3.1. Conceptos a Considerar en el Diseño de un Fusible.......................................24
3.2. Proceso Físico del Corte de un Fusible en Régimen Adiabático.....................25
3.3. Análisis Matemático del Tiempo de Fusión en Régimen Adiabático para una
Lámina de Plata................................................................................................31
3.4. Origen del Arco Eléctrico en la Operación de un Fusible.................................33
Capítulo IV CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DE FUSIBLES..38
4.1. Definición del Fusible Eléctrico.........................................................................38
4.2. Partes que Componen un Fusible....................................................................39
4.3. Características Eléctricas de los Fusibles........................................................48
4.4. Información general de fusibles suministrada por el fabricante........................53
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4.5. Clases de fusión en los fusibles.......................................................................57
4.6. Análisis Comparativo de Fusibles y otros Dispositivos de Protecciones
Eléctricas..........................................................................................................62
4.7. Coordinación Selectiva.....................................................................................66
Capítulo V PRUEBAS Y NORMAS REFERENTES A FUSIBLES.........................68
5.1. Medición de fusibles en laboratorio..................................................................68
5.2. Clasificación de fusibles según su tensión nominal..........................................72
5.3. Normas Nacionales e Internacionales referentes a Fusibles Eléctricos...........73
5.4. Norma IEC 282-1 para fusibles de Alta Tensión limitadores de corriente........75
5.5. Fusibles de Rango R para media tensión.........................................................77
5.6. Norma ANSI C37.42, 43 Fusibles de Expulsión...............................................78
5.7. Norma BS 88 para fusibles de voltajes menores o iguales a 1000 V ac
y 1500 V dc.......................................................................................................80
5.8. Norma UL 198 B para Fusibles clase H...........................................................84
5.9. Norma UL 198 C para Fusibles clase G, CC, J y L..........................................87
5.10. Norma ANSI / NEMA FU1 para Fusibles clase J..............................................90
5.11. Norma ANSI / NEMA FU1 para Fusibles clase L.............................................92
5.12. Norma UL 198 D para fusibles clase K.............................................................95
5.13. Norma UL 198 E para fusibles clase R.............................................................98
5.14. Norma UL 198 H para fusibles clase T...........................................................101
Capítulo VI APLICACIÓN DE FUSIBLES EN UN SISTEMA DE POTENCIA.......104
6.1. Determinación de los Niveles de Cortocircuito en una Red Eléctrica.............104
6.2. Utilización de Fusibles Limitadores en Cables...............................................110
CONCLUSIONES.....................................................................................................112
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................113
ANEXOS...................................................................................................................114
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN.
1.1. OBJETIVO GENERAL. Estudiar el funcionamiento de los fusibles eléctricos bajo el punto de vista de los fenómenos físicos y eléctricos en el proceso de fusión y la metodología aplicada en su diseño, analizando condiciones adiabáticas, arco y disipación. Además se agregarán criterios de diseño y normas de clasificación. 1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.
• Realizar un estudio de los aspectos más relevantes en el área de la termología (calorimetría) y termodinámica, los aportes efectuados por Joule y R. J. von Mayer con el fin de establecer una base sólida de conceptos a ser utilizados en el presente estudio.
• Realizar un estudio de los conceptos, definiciones y parámetros eléctricos
más utilizados en los fusibles, el cual permitirá la correcta comunicación de ideas en un idioma común.
• Analizar desde el punto de vista de los fenómenos físicos, el principio de
funcionamiento de los fusibles eléctricos dentro de un período netamente adiabático.
• Modelar las ecuaciones fundamentales del proceso físico del corte de un
fusible, aplicando conceptos fundamentales del cálculo.
• Analizar y evaluar las pruebas y ensayos obtenidos de laboratorio, comparando con resultados teóricos, mencionando posibles soluciones o alternativas en el diseño.
• Realizar un estudio de las características eléctricas y mecánicas, además de
los aspectos constructivos de los distintos tipos de fusibles detallando cada una de sus partes componentes, ensayos de laboratorio, material fotográfico, las normas nacionales e internacionales referentes a los fusibles eléctricos y la manera en que los clasifica. Para el cumplimiento de este objetivo, se recurrirá a libros y catálogos del Departamento Técnico de la empresa FUSELCO Ltda. (Empresa en la cual se realizó la práctica Profesional)
• Analizar las ventajas y desventajas que poseen los fusibles eléctricos en comparación con los interruptores magneto-térmicos. Además, se estudiarán los conceptos de selectividad y coordinación, ya sea entre fusibles o trabajando con otros dispositivos de protección, utilizando las curvas de tiempo-corriente y gráficos de selectividad según la energía i2 t para su representación gráfica.
• Describir la aplicación de fusibles en un Sistema Eléctrico de Potencia, mediante la determinación de los niveles de cortocircuito aplicado por las normas IEEE / ANSI y la utilización de conceptos anteriormente estudiados para efectuar la coordinación con otros dispositivos de protección.
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1.3. JUSTIFICACIÓN DEL TEMA. La mayoría de los fabricantes de fusibles entregan en sus catálogos la información
necesaria para la correcta elección de sus fusibles según las distintas aplicaciones,
pero, prácticamente no existe literatura acerca de una investigación seria, completa y
acabada del tema de fusibles eléctricos que entregue conocimientos en cuanto al
diseño, construcción y fabricación, el origen histórico de los fusibles eléctricos,
conceptos de física, electricidad y termodinámica asociados al tema, sus
características principales y la clasificación de fusibles según las normas nacionales
e internacionales, entre otros.
Debido a esto, se justifica la investigación referente al tema de los fusibles eléctricos
con la finalidad de aportar con literatura que indudablemente servirá como material
de apoyo tanto a estudiantes, ingenieros y profesores del área.
CAPITULO II
DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS FUSIBLES Y PRIMEROS ESTUDIOS DE LOS EFECTOS TÉRMICOS PRODUCIDOS POR LA CORRIENTE.
2.1. Evolución Histórica del Fusible Eléctrico. En el pasado, era muy común que las fallas de origen eléctrico causados por la formación de arcos y sobrecalentamientos provocaran incendios, daños en instalaciones y equipos eléctricos, principalmente por los cortocircuitos. Esto se debía a la falta de un dispositivo que protegiera directamente a la instalación eléctrica y sus componentes. Los daños ocasionados por estas corrientes de fallas ocasionaban grandes pérdidas y a la vez hicieron del fusible un elemento indispensable dentro de un circuito eléctrico. Sin embargo, debido a la intervención de los propios usuarios y la falta de conocimiento, era muy común encontrar elementos extraños en la ubicación del fusible, como alambres, puentes y clavos, para evitar la acción de reposición. La importancia de definir correctamente el concepto de fusible y todos los factores que éste involucra en su dimensionamiento y elección, permitirá adoptar un real conocimiento, de lo contrario éste dispositivo no cumplirá su rol de protección. El fusible es uno de los elementos de protección más utilizados en los sistemas eléctricos de Baja, Media y Alta Tensión. Por más de 120 años ha estado presente para proteger contra corrientes de fallas a los circuitos, componentes y artefactos eléctricos. A pesar que los avances tecnológicos en el campo de las protecciones han creado modernos elementos de protección tales como el interruptor magneto-térmico e interruptores con reconexión automática que facilitan la reposición del suministro de energía en el caso de alguna falla, el fusible se continúa utilizando en todo el mundo, debido a sus ventajas económicas, constructivas, mecánicas y eléctricas, en comparación con otros dispositivos de protección. La fecha exacta de la aparición del fusible eléctrico es aún desconocida, puesto que existe información registrada en una publicación de W. H. Preece (ingeniero jefe de la British Post Office) para la Society of Telegraph Engineers en 1887, en la cual se indicaba que los fusibles habían sido utilizados para proteger cables submarinos desde 1864. Sin embargo, la aparición oficial del fusible se remonta hacia el año 1880, cuando el señor Thomas Alva Edison inventó y posteriormente patentó el primer fusible eléctrico en su laboratorio de Menlo Park en New Jersey, con el fin de proteger contra corrientes de falla a circuitos de alumbrado. En su laboratorio, Edison notó que la corriente de cortocircuito siempre cortaba los conductores en la parte más débil o delgada. Fue así como decidió inventar el fusible eléctrico y su construcción era bastante simple, puesto que utilizó un cilindro de cristal que permitía retener las gotas de material fundido, además para visualizar la condición de tensión del elemento fusible. Éste diseño no tenía material de relleno para extinción de arco eléctrico. Su invento fue aplicado por primera vez el día 25 de Marzo de 1880, y lo patentó con el número 227,226 el día 4 Mayo del mismo año bajo el nombre de Safety-Conductor for Electric Lights.
Fig. 2.1a. Thomas Alva Edison y su laboratorio en el Parque de Menlo en New Jersey.
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Años más tarde, en 1890, W. M. Mordy, principal ingeniero de la Brush Electrical Engineering Company (luego General Electric), en su búsqueda por encontrar algún método que lograra apagar el dañino arco eléctrico originado en la operación de un fusible, patentó el primer fusible de cartucho llenado con materiales que lograban extinguir el arco. Este dispositivo fue muy similar al fusible patentado por Edison, y se componía de un conductor de hoja de cobre o de alambre, dentro de un tubo de cristal llenado con material granular. El relleno podía ser tiza, arena, mármol, sílice o cualquier otra sustancia granular. Fig. 2.1b. A la izquierda, un fusible de vidrio similar al patentado por A. Edison, y a la derecha un fusible de vidrio relleno con sílice, similar al patentado por W. M. Mordy. A continuación se muestra una copia de la patente correspondiente al primer fusible de Thomas A. Edison.
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Fig. 2.1c. Copia de la patente del primer fusible eléctrico.
Tiempo después, con el inicio de la segunda guerra mundial, empezaron a crearse y surgir muchas industrias principalmente fábricas de armas, las cuales necesitaron la aplicación de un dispositivo para proteger sus sistemas eléctricos, lo cual produjo la masificación del fusible. 2.2. Inicio de la Producción y Consumo de la Electricidad en Chile. El 14 de mayo de 1881 se concedió privilegio a Tomás A. Edison para su invento del alumbrado eléctrico, pero sólo en mayo de 1886 se declaró legalmente instalada la Compañía Luz Eléctrica de Edison en nuestro país. A partir de este acontecimiento, la producción y consumo de electricidad se inician en Chile hacia el año 1883, con la instalación en Santiago de locomóviles de pocos KW de potencia, destinados al alumbrado eléctrico tipo Edison en el sector céntrico de la capital, por un empresario particular. La instalación de este nuevo sistema despertó gran interés, especialmente entre los comerciantes del sector céntrico de la capital. Ellos, paulatinamente solicitaron al empresario la colocación de luces en las fachadas de sus negocios. Las posibilidades de extender el servicio hacia otros barrios de la ciudad se vieron limitadas, debido a que el motor sólo generaba una escasa cantidad de energía. Además no se contaba con el personal necesario para realizar el tendido de cables.
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Ante la situación así planteada, la I. Municipalidad de Santiago llamó a propuesta para otorgar la concesión de un servicio de alumbrado público y domiciliario y de transporte eléctrico urbano a empresas que garantizaran la continuidad y eficiencia del mismo. Aunque el servicio de alumbrado eléctrico proporcionado por este empresario particular tuvo un carácter esporádico, y más bien demostrativo, debe notarse que se instaló sólo cuatro años después del invento de la ampolleta Edison (1879), y uno después de la primera instalación de alumbrado público en el mundo (Lane Fox en Londres, 1882). En el año 1897 fue otorgada la concesión del alumbrado público y transporte eléctrico a una empresa inglesa, la cual debió enfrentarse a una campaña de desprestigio y aprehensión desatada por las otras empresas que no resultaron favorecidas con la propuesta. Esta campaña llevó a sus instigadores a formular diversas consideraciones, algunas de ellas absurdas y aún pintorescas. Se decía, por ejemplo, que el nuevo sistema de alumbrado provocaría gran cantidad de incendios y que desaparecería el temor a la oscuridad. El nuevo sistema de transportes aumentaría en forma alarmante el número de accidentes y, además acarrearía cesantía en el personal encargado de los carros de tracción animal. Para contrarrestar estas afirmaciones, la autoridad municipalidad decidió dar a conocer públicamente estadísticas de las causas más frecuentes de incendios ocurridos en la ciudad de Nueva York, que demostraban las bondades del sistema eléctrico. Después de esto, la población paulatinamente acogió el sistema eléctrico debido a que realmente no existían argumentos serios que se opusieran a su implementación. En el año 1900, entró en funcionamiento la planta térmica Mapocho con una capacidad de generación de 1800 KW. Con la puesta en marcha de esta planta, puede afirmarse que quedaba inaugurado el primer servicio eléctrico de carácter estable en nuestro país. 2.2.1. Utilización de los primeros fusibles. La distribución de la energía eléctrica en aquella época se hacía mediante el uso de la corriente continua. En el ámbito domiciliario se utilizaban los fusibles tipo Balín, llamados comúnmente “tapones fusibles” (fig. 2.2.1a), y en menor grado también se utilizaba el fusible tipo cartucho.
Fig. 2.2.1a. Primeros fusibles tipo tapón utilizados en el ámbito doméstico.
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En las industrias, donde las fallas eléctricas son más comunes, se utilizaban los fusibles renovables (Figura 2.2.1b), que solamente había que abrirlos para reemplazar el elemento fusible en el caso de su operación. Estos fusibles poseen una capacidad de ruptura de 10.000 Amperes simétricos y posteriormente se fabricaron otros fusibles del tipo no-renovables con mayor poder de corte.
Fig. 2.2.1b. Fusible tipo Renovable (izquierda) y fusible tipo Reja utilizado comúnmente en redes de distribución.
Por otra parte, las redes de distribución de Baja Tensión eran protegidas por fusibles llamados tipo Reja (figura 2.2.1b), los cuales se componen de un par de terminales de cobre, a ellos se soldaban alambres de cobre separados paralelamente, conformando una reja. Posteriormente, los alambres se fabricaron de plata pura, y una vez terminado al fusible se le daba un baño de plata electrolítica. En redes de distribución aérea de Media Tensión, es muy común el uso de los fusibles tipo Cabeza y Cola. Montado en el interior de una pieza tipo bastón, permite una fácil visualización después de su operación y además sirve para interrumpir una línea con el uso de una pértiga especial. En la actualidad, estos dos últimos fusibles son los dispositivos de protección más utilizados para proteger las redes de distribución en Baja y Media Tensión. Con el advenimiento de la corriente alterna, un gran número de motores y transformadores se agregó a la demanda de energía eléctrica. Estas cargas inductivas producían considerables peack de corrientes en el momento de su puesta en servicio, lo que originaba la operación de los fusibles. Tiempo después se inventaron los Fusibles con Retardo de Tiempo (Time Delay), los cuales son capaces de soportar por un tiempo determinado los incrementos momentáneos de la corriente, y solamente son accionados por cortocircuitos en la red. Posteriormente se fabricaron los Fusibles de Doble Acción que se componen por dos fusibles en serie ya que en su interior existe un elemento fusible para proteger contra sobrecargas y otro para las corrientes de cortocircuitos. Con el avance de la tecnología, se inventó el dispositivo de protección magneto-térmico, cuya intervención es más cómoda, puesto que cuando opera producto de alguna anomalía en el sistema, solamente hay que accionar una palanca o botón para restablecer la energía eléctrica sin necesidad de cambiar ninguna pieza. El crecimiento de la industria en aquel tiempo, llevó a muchas empresas a mejorar sus instalaciones eléctricas producto del aumento en la demanda de energía. Las
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fallas eléctricas cada vez fueron de mayor amperaje, provocando la inutilización de los interruptores magneto-térmicos debido a su limitado poder de corte o capacidad de cortocircuito. Esta característica se refiere a la máxima corriente de cortocircuito que es capaz de soportar la protección sin sufrir daños. Los fabricantes de estos elementos de protección vieron que al aumentar la capacidad de ruptura había que utilizar piezas más grandes y robustas en la fabricación, aumentando el tamaño de los magneto-térmicos. A partir de este momento las industrias fijaron su atención en la conveniencia de utilizar los fusibles eléctricos para proteger sus instalaciones debido a su alto poder de corte o capacidad de cortocircuito y su gran velocidad de respuesta ante corrientes de falla, aunque en muchas instalaciones se utilizan combinaciones de fusibles y aparatos automáticos. La época moderna se ha caracterizado por los avances en el campo de la electrónica, y la tecnología de los semiconductores tales como los diodos, diac y triac. Estos elementos son muy sensibles a los incrementos de la corriente que conducen y se queman con gran facilidad. Debido a esto, se han fabricado nuevos fusibles limitadores para la protección de circuitos que incorporan Semiconductores, los cuales poseen una alta velocidad de operación, abriendo en menos de un cuarto de ciclo. 2.3. Primeros Estudios de los Efectos Calóricos Producidos por la Corriente Eléctrica. El calentamiento de los conductores debido al paso de la corriente eléctrica fue uno de los primeros efectos observados por los científicos estudiosos de los fenómenos eléctricos, sin embargo, habría de pasar algún tiempo antes que se conociera la magnitud de tal efecto calorífico y los factores de los que depende. James Prescott Joule (1818-1889) se interesó desde joven en la medida de temperaturas de motores eléctricos, lo que le permitió hacia 1840 encontrar la ley que rige la producción de calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor.
James Prescott Joule (1818-1889)
Joule, concentró sus estudios en el siguiente razonamiento:
Si se quiere desplazar una determinada cantidad de carga eléctrica Q desde un potencial a otro, cuya diferencia sea de V volts, el trabajo que se desarrollará será tanto mayor cuanta más carga Q se quiera desplazar y también tanto mayor cuanta más diferencia de potencial haya entre los puntos que se desea desplazar dicha carga Q. Por lo que dicho trabajo será igual al producto de la carga Q por la diferencia de potencial V entre los dos puntos:
QVW ×= ; Por otra parte, se sabe que: tIQ ×= ; por lo tanto, tIVW ××=
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Además se conoce que Potencia es igual al trabajo dividido por el tiempo:
tWP = ; tendremos que IV
ttIVP ×=
××=
Según Ley de Ohm la potencia eléctrica es: RIP ×= 2 , por lo tanto, el trabajo eléctrico o energía W es:
tRIW ××= 2 (joules) ó (calorías) tRIC ×××= 224.0 La caloría-gramo, se conoce comúnmente como caloría y representa la cantidad de calor que ha de suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura en un grado centígrado. La ley de Joule establece que la cantidad de calor producida es directamente proporcional a la resistencia R del conductor, al cuadrado de la intensidad de corriente I que lo atraviesa y un tiempo t. Las experiencias de Joule y Julius Robert von Mayer (1814 - 1878) referentes a la conservación de la energía, indicaban al calor como una forma más de energía. El calor no sólo era capaz de aumentar la temperatura o modificar el estado físico de los cuerpos, sino que además podía moverlos y realizar un trabajo. Las máquinas de vapor que tan espectacular desarrollo tuvieron a finales del siglo XVIII y comienzos del XIX eran buena muestra de ello. Desde entonces las nociones de calor y energía quedaron unidas y el progreso de la física permitió, a mediados del siglo pasado, encontrar una explicación detallada para la naturaleza de esa nueva forma de energía, que se pone de manifiesto en los fenómenos caloríficos. Es importante destacar, las relaciones existentes entre las distintas formas de energía que se presentan en la operación de un fusible eléctrico, por ejemplo la transformación de la energía eléctrica en energía térmica o calor, cuando éste es recorrido por una cierta corriente. La ciencia que estudia los fenómenos producidos en este ámbito se denomina termodinámica, y ayuda a establecer las relaciones entre las distintas formas de la energía. Además ayuda a definir la ruta evolutiva de un sistema a través del estudio de los cambios de energía de sus propias transiciones, es decir, que los cambios de energía en los pasos del sistema, van mostrando la ruta que sigue el sistema. Además, la diferencia de temperatura del medio que rodea a un fusible y la de éste cuando se encuentra conectado, origina un paso de energía denominado calor, y sus variaciones se deben a ciertos fenómenos que ocurren en los elementos fusibles, tales como la dilatación y el cambio de estado de los cuerpos. La técnica que se ocupa de la medición del calor y de las constantes térmicas que intervienen en distintos fenómenos se denomina calorimetría. Según aumente o disminuya la temperatura de un cuerpo, se dice que éste ha recibido o cedido cierta cantidad de calor. La cantidad de calor recibida por un cuerpo puro es proporcional a la masa del mismo en la cual produce una variación de temperatura determinada. 2.4. Propiedades Físicas de la Materia. Una vez definidos estos conceptos referentes a los efectos térmicos, es necesario comprender los factores físicos propios de la materia, los cuales son muy importantes para determinar las relaciones entre energías. Un factor muy importante de conocer, especialmente en el diseño de un elemento fusible es su Resistividad (ρ). Esta es una magnitud que mide la propiedad resistiva
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de los cuerpos, la cual depende de los electrones libres en la banda de conducción. Además de la propia naturaleza del material, la resistividad también depende de la temperatura. Cuanto más se agitan los átomos dentro del conductor, mayor es la resistencia que el mismo opone al flujo de carga. En la mayoría de los casos, un aumento de temperatura se traduce en un incremento en la resistencia del conductor (Figura 2.4a). Un elemento fusible con una alta resistividad, producirá considerables pérdidas de potencia por efecto Joule, lo que se traduce en un consumo de energía y por consiguiente un aumento de la temperatura en el fusible y a la vez en pérdidas económicas. Otro factor necesario a considerar para el diseño de un fusible es el coeficiente de temperatura (α), y se define como la variación de resistencia que sufre una resistencia por cada grado de temperatura en que se incrementó sobre los 0 ºC. Puesto que un fusible trabajando en condiciones normales, es recorrido constantemente por una cierta corriente, y dependiendo de las condiciones en que esté operando, su resistencia interna se verá afectada por efecto de la temperatura.
Fig. 2.4a. Resistividad eléctrica de la plata (Ag) en función de la temperatura para cuatro valores diferentes de RRR (radio de resistencia residual).
En la tabla 2.4a, se muestran valores de resistividad medidos a 0º C y el coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura para algunos metales.
Tabla Nº 2.4a.
α (en ºK –1) Material
ρ (en Ω·m) a 0º C R(T)=R(0º)·(1+αT)
Aluminio 2.8x10-8 420x10-5
Carbón 3500x10-8 -50x10-5
Constantán 49.0x10-8 Despreciable Cobre 1.8x10-8 420x10-5
Hierro 12.0x10-8 620x10-5
Latón 7.0x10-8 200x10-5
Manganina 43x10-8 Despreciable Mercurio 94x10-8 88x10-5
Nicrom 111x10-8 40x10-5
Plata 1.6x10-8 400x10-5
Plomo 22x10-8 430x10-5
Wolframio 5.3x10-8 360x10-5
Oro 2.44x10-8 3.4x10-3
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A continuación, se muestran valores de temperatura de fusión y vaporización, peso específico, calor específico y calor latente de fusión para algunos metales. Tabla Nº 2.4b.
Material Tf (ºC) Tv (ºC) Peso específico γKg / dm3
Calor específico δ J / ºK·Kg
Calor latente fusión h J/Kg
Aluminio 658 2057 2.7 900 388 Cobre 1080 2310 8.9 385 205 Hierro 1535 2750 7.8 444 272 Plata 960.8 2193 10.5 237 103 Plomo 327 1620 11.4 159 23.2
Oro 1063 3080 19.3 129 64.9 Zinc 419.5 907 6.84 388 111
Bronce 925 2155 8.15 343 194.66 Estaño 231.9 2270 7.27 213 59.6 Alpaca 1085 2105 8.38 386.2 201.86
El peso específico (γ) se define como el cuociente entre la cantidad total de masa que posee una sustancia (peso) y su volumen. El calor específico (δ) de un cuerpo representa la cantidad de energía calorífica que hay que suministrar por unidad de masa a una sustancia para elevar su temperatura un grado. El calor específico es diferente para cada material, porque depende de la composición y la ordenación molecular interna de la sustancia que se trata. El calor específico de los elementos sólidos es inversamente proporcional a su masa atómica, de forma que el calor específico multiplicado por la masa atómica es aproximadamente una cantidad constante para todos los elementos sólidos. El calor latente de fusión (h) de una sustancia es la cantidad de calor por unidad de masa que necesita para cambiar el estado de la sustancia de sólido a líquido a su temperatura de fusión. En el proceso de fusión de un elemento fusible es de gran importancia el concepto de Densidad de corriente, el cual se define como la cantidad de Amperes por unidad de superficie del elemento que la conduce. Por ejemplo en el uso de láminas fusibles, la intensidad de falla crea una alta densidad corriente, que localmente provoca el desarrollo extremo del calor. En la figura 2.4b, a la izquierda una alta densidad de corriente originó una fusión en forma parcial en la vena. A la derecha se aprecia la imagen ampliada que muestra dicha situación.
Fig. 2.4b. Lámina de plata utilizada en ensayo de cortocircuito.
2.5. Característica Tiempo-Corriente en la Etapa de Pre-arco Adiabático. Al producirse un aumento importante en la corriente, mucho mayor que la nominal del fusible, se inicia el proceso de interrupción siendo el pre-arco un proceso adiabático. Este concepto se refiere a una transformación que tiene lugar de modo tal que el sistema no gana ni pierde calor. Con el fin de eliminar o atenuar lo más posible el
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arco eléctrico, se utiliza una capa gruesa de material aislante, por ejemplo, arena de cuarzo (Sílice). Es necesario comprender ahora, los conceptos eléctricos asociados al factor tiempo en cada una de las etapas que conforman la operación de un fusible. En la Figura 2.5, se muestra una señal de corriente alterna, 50 Hz, que circula por un fusible en condiciones nominales, hasta que producto de un cortocircuito, la corriente se incrementa varias veces el valor de la corriente nominal.
Fig. 2.5. Gráfico de una señal alterna de corriente que circula por un fusible en el momento de su operación.
Los parámetros de tiempo y corriente involucrados en esta etapa, se definen a continuación: Ip : Intensidad prevista de corte Ic : Intensidad limitada de corriente. tp : Instante de tiempo de la etapa de pre-arco. ta : Instante de tiempo que dura el arco eléctrico. tc : Tiempo total de despeje del fusible. Producto de una falla, la corriente se ha incrementado tendiendo llegar a la intensidad prevista Ip, pero por efecto del fusible, se limita hasta el valor de corriente Ic. Dicho valor se conoce como Intensidad limitada de corte, y representa el máximo valor instantáneo de la corriente, alcanzado durante el funcionamiento del fusible cuando éste impide bajo condiciones de cortocircuito el peack máximo del primer semiciclo de la corriente disponible. El tiempo de pre-arco tp (Melting Time), es el lapso de tiempo que transcurre desde el inicio de la anomalía, hasta la interrupción total del elemento fusible y el instante que se inicia el arco eléctrico. Cabe destacar que las curvas de corriente en función del tiempo publicadas en catálogos corresponden a este tiempo. La etapa de Pre-arco se caracteriza porque el paso de la corriente Ic origina una cierta cantidad de energía térmica por efecto Joule, la cual es utilizada para fundir completamente el elemento fusible, y su duración depende, además de este valor de corriente, del diseño del elemento fusible. Posteriormente, la corriente Ic llega hasta el valor cero en un instante denominado tiempo de arco ta, y corresponde al tiempo que tarda en extinguirse el arco eléctrico
16
al interior del fusible, y depende de la tensión del circuito donde está incluido el fusible. El tiempo total que tarda en operar el fusible bajo condiciones de falla en el circuito, se denomina tiempo de despeje tc (Clearing), y corresponde a la suma de los tiempos tp y ta. Según esto, el tiempo total de despeje transcurre desde el inicio de la falla, hasta la total extinción del arco eléctrico. El peack máximo de corriente de cortocircuito se define como la Intensidad Prevista de corte Ip, y corresponde a la máxima corriente en Amper que el sistema puede proveer en la situación de un corto circuito franco si se reemplazara el fusible por un conductor de impedancia despreciable comparada con la interna del generador. Energía disipada: La energía liberada por un fusible en el proceso de operación, puede ser calculada por la integral de Joule expresada en la ecuación 2.5:
∫ ∫ ××=×=××t t
tIRdtiRdtiR0 0
222 (2.5)
Donde: R es la resistencia interna del fusible, I es la corriente prevista de corte, y t corresponde al tiempo total de despeje (clearing). Como se había descrito anteriormente, el proceso de operación de un fusible se divide en dos etapas, por lo tanto, existe una energía correspondiente a la etapa de pre-arco (Melting Energy) y la energía total disipada (Clearing Energy). En catálogos entregados por los distintos fabricantes de fusibles, es muy común encontrar la expresión i referida a la energía disipada, pero cabe decir que esta expresión no corresponde a un valor energético. La real expresión energética es la que corresponde a la ecuación que incorpora el valor de R. Por motivos de conveniencia y propósitos comparativos, se utiliza el valor referencial i , el cual representa la energía liberada por un cortocircuito en 1 ohm de resistencia en Amp
t2
t22
seg. Esta energía, puede ser disipada al medio que rodea al fusible, dependiendo si la corriente que circula por el elemento fusible es relativamente baja (2 a 5 veces la corriente nominal). Si la corriente se incrementa rápidamente como en el caso de un cortocircuito, el tiempo necesario para fundir el elemento fusible es cada vez más corto, llegando al extremo de que toda la energía eléctrica disipada es utilizada para calentar el elemento fusible, sin que exista intercambio de calor con el medio, aunque dicha energía es disipada por el fusible. 2.6. Análisis del Código de Fusibles DELTA. Los fabricantes de fusibles, utilizan sus propios códigos, lo que les permite identificar con claridad un determinado elemento, dentro de la gran variedad de tamaños, formas, clases, etc. Además la correcta implementación de un buen código de fusibles, permite mantener un idioma en común entre el proveedor y los clientes. Un fabricante de estos elementos de protección en Chile, es la empresa FUSELCO Ltda. Con más de 27 años de experiencia en la fabricación de elementos eléctricos bajo la marca DELTA, ha creado su propio código de fusibles que permite una correcta definición y posterior elección de un determinado fusible. El código de fusibles DELTA, se divide en dos partes separadas por una barra diagonal, que indican el Modelo y Tipo de fusible.
17
La parte que indica el Modelo, se compone de una combinación de hasta 4 letras y un número. Las letras entregan la información referente a la parte física del fusible, si posee indicador de fusión, si es renovable, la forma, el material de construcción del cuerpo del fusible y el tamaño. La parte que indica el Tipo, está referida a las características eléctricas del fusible, o sea la corriente nominal, el tipo de fusión y el voltaje nominal. La letra 1, indica si el fusible tiene indicador de funcionamiento y / o percutor (ver su definición en el capítulo III). La letra 2, indica si el fusible es del tipo renovable. Si no está la letra R en el código, se entiende que es del tipo desechable. Las letras 3 y 4, se indican en las tablas 2.6a y 2.6b respectivamente. Los fusibles existen en una gran cantidad de formas, y cada uno es fabricado para una aplicación en particular. Además dependiendo de los requerimientos del trabajo, se utilizan variados materiales en su fabricación e individualmente poseen cualidades físicas que lo hacen especial para una determinada aplicación. El valor en Amper indica la intensidad nominal del fusible. Para valores decimales, la coma se reemplaza por la letra (A). En la tabla 2.6c se indican los tipos de fusión que poseen los fusibles. El valor en Volts, indica la tensión nominal máxima a la cual puede estar sometido el fusible. Si el voltaje es superior a 999 Volts, se expresa en Kilo Volts, usando la letra (K) como punto decimal.
Tabla 2.6a. Tipos de fusibles con sus respectivos números de figura. LETRA 3 FIGURA DESCRIPCIÓN
A 7 Cartucho con Aletas Asimétricas B 45 Balín C 16-26-27-29 Cabeza y Cola D 25 Con Terminales Laterales E 24 Doble Cola F 17 Doble Argolla G 1 Cartucho Puntas Cónicas H 15 Reja Encapsulado J 33 Lámina Flexible K 5 Doble Cabezal L 3 Con Terminales Axiales M 8-9 Cuchillo Apernado N 42 Cuchillo O 43 Interior Bastón P 46 Paleta Q 1 Cartucho R 18-19 Reja S 21 Cabezal Apernado T 47 Doble Cabezal Apernado U 44 Curvos W 21 Cartucho Apernado Z 10 Cartucho Apernado Y 69 Cartucho con Hilos
18 Tabla 2.6b. Tipos de materiales utilizados en la construcción de fusibles.
Tabla 2.6c. Tipos de fusión.
LETRA 4 DESCRIPCIÓN LETRAS FUSIÓN A Plástico aM Lento Respaldo B Teflón S Ultra Rápido C Cobre y sus Aleaciones H Rápido E Ebonita y Similares N Normal F Fibra de Vulcanizada T Lento G Plata gL Normal norma IEC-269 H Esteatita LD Lento Doble Acción I Fibro Cemento M Media L Vidrio gG Normal P Plomo gM Lento Q Vidrio Relleno con sílice R Cerámica V Fibra de Vidrio W Vidrio con cerámica X Cartón Impregnado
2.6.1. Tipos de Fusibles Según su Forma.
19
20
21
22
2.6.2. Análisis de Códigos de Fusibles de otros Fabricantes. Desde 1885 la compañía GOULD SHAWMUT se ha convertido en uno de los principales fabricantes de fusibles en el mundo. El código de fusibles que esta compañía utiliza para describir a los fusibles de protección rápida contra cortocircuitos (Amp-Tramp system), se compone de las siguientes partes:
X X X X X X
Letra que indica el tamaño.
Nivel de voltaje nominal
(dividido por 10)
Curva de operación.
Corriente nominal.
Forma del fusible.
Indicador de fusión.
23
Ejemplo: Código Fusible Gould. A 70 P 400 4 TI - Todos los tamaños 101.
(Serie Amp-Tramp) - Nivel de voltaje (V) Código.
700 70 - Curva de operación.
Rápido, X o Z Ultra Rápido, bajo I2t, P Ultra Rápido, muy bajo I2t, Q o QS.
- Corriente nominal. - Forma del fusible.
Cartucho (Ferrule) 1, Cuchilla 4, Cabeza apernado 128.
- Indicador de fusión. Indicador Trigger TI Actuador Trigger TA La compañía Gould Shawmut ha creado un código especial para describir a los fusibles de Media Tensión desde 5,5 kV hasta 15,5 kV de clasificación “E”, la cual es apropiada para la protección de transformadores y sistemas de distribución en media tensión. La norma ANSI / IEEE C37.40, indica que la clasificación “E” corresponde a los fusibles limitadores de corriente caracterizados por una fusión Normal (general purpose). A 0 5 5 F 1 D 0 R 0 – 1 0 0 E
Corriente nominal: 5E, 7E, 10E, 20E, 25E, 30E, 40E, 50E, 65E, 80E, 100E, 125E, 150E, 175E, 200E, 225E, 250E, 300E, 350E, 175E, 200E, 225E, 250E, 300E, 350E, 400E, 450E, 500E, 600E, 750E, 900E.
Revisión Nº: 0 - 9
Revisión
Características especiales: 0 (ninguna) o letra A hasta Z (omitir letras I y O)
Diámetro del cartucho.
Número de cartuchos: 1, 2 o 3.
Forma: B = Apernado. C = Montaje a presión. F = Cartucho.
Voltaje Nominal: 055 = 5.500 V, 155 = 15.500
A = fusible Amp-Tramp.
Fig. 3.1b. Corte de un fusible en
CAPITULO III
TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES. 3.1. Conceptos a Considerar en el Diseño de un Fusible. Para diseñar un fusible eléctrico, es necesario considerar una serie de conceptos teóricos y prácticos, que permitirán comprender las etapas que componen el proceso físico durante el funcionamiento de un fusible. Un fusible conectado en un determinado circuito, puede encontrarse con tres regímenes que caracterizan la condición de trabajo. Para estas etapas existe un factor en común que las caracteriza, el cual corresponde a la cantidad de corriente que circula por el elemento fusible. El fusible presenta un comportamiento resistivo dentro de un circuito eléctrico, generalmente de bajo valor, y como tal ocasiona un consumo de potencia y energía la que finalmente es transformada en calor (energía absorbida), según la ley de Joule. Este calor se desarrolla en torno al elemento fusible, y gracias a la buena capacidad de absorción de energía que posee la sílice, este calor es disipado al medio que rodea al fusible (energía disipada). Además, existe un valor de energía necesaria para provocar la fusión del elemento fusible y por consiguiente, la interrupción de la corriente que lo circula. Esta diferencia entre energías es la que caracteriza a cada régimen operativo. La primera condición bajo la cual puede estar trabajando un fusible es el régimen permanente. Durante este régimen, la energía térmica debida a la circulación de la corriente, menos la cantidad de energía disipada al medio que rodea al fusible, es menor a la energía necesaria para fundir el elemento fusible. Este régimen se conoce como condición normal de operación. El régimen de sobrecarga está caracterizado por la interrupción de la corriente que circula por el fusible en un tiempo prolongado (régimen no-adiabático) (Figura 3.1a). La energía generada por el fusible producto de esta corriente de sobrecarga, menos la cantidad de energía que se disipa al medio por las paredes del cuerpo, es mayor que la energía térmica necesaria para provocar la fusión del elemento fusible. La tercera condición corresponde al régimen de cortocircuito, donde la corriente que circula por el fusible es de gran magnitud (Figura 3.1b), y la energía térmica generada por esta corriente es enteramente utilizada para fundir el elemento fusible, sin disipar al medio que lo rodea (régimen adiabático).
Fig. 3.1a. Corte de un fusible en régimen de sobrecarga. régimen de cortocircuito.
24
25
3.2. Proceso Físico del Corte de un Fusible en Régimen Adiabático. Todo fusible eléctrico abarca dos etapas importantes en el proceso de operación. Estas etapas son consecutivas y poseen singulares comportamientos, así como también distintas ecuaciones que las gobiernan. Estos períodos corresponden a la etapa de pre-arco y la etapa de arco. El período de pre-arco se puede dividir en tres distintas etapas de operación, las cuales se distinguen por las variaciones de temperatura, los cambios de estado en el material y por las ecuaciones que las rigen. En el gráfico de la figura 3.2, se muestran las tres etapas que conforman el período de pre-arco en la operación de un fusible bajo una condición adiabática. Fig. 3.2. Gráfico de la etapa de pre-arco en condición adiabática. La figura 3.2, muestra la variación de la temperatura en cada instante, originada por el paso de una corriente de cortocircuito por el elemento fusible, donde los términos involucrados en el gráfico se explican a continuación: Tf : Temperatura de fusión del elemento fusible. t1 : Tiempo necesario para alcanzar la temperatura de fusión del elemento. t2 : Inicio del estado líquido. Tv : Temperatura de vaporización del elemento fusible. t3 : Inicio del arco eléctrico. Para detallar el proceso físico del corte de un fusible en la etapa de pre-arco, es necesario definir y aclarar los términos utilizados para describir el proceso: Fusión: es el cambio de una sustancia del estado sólido al líquido, normalmente por la aplicación de calor. Ebullición: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. Vaporización: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. La diferencia con el anterior es que en la vaporización el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido.
26
Cuando circula una corriente de falla por el elemento fusible, se produce un rápido incremento de la temperatura. Este gran flujo de electrones al moverse aceleradamente, adquieren una cierta cantidad de energía cinética. Debido al choque contra las partículas fijas de los átomos (resistencia eléctrica), liberan dicha energía la cual aumenta la amplitud de su vibración para finalmente transformarse en calor. Cuando el material se encuentra en su temperatura de fusión (punto A), el calor generado es absorbido por el propio material y no produce variación de temperatura, quedando en un equilibrio térmico durante su transformación. En el punto A del gráfico se inicia el proceso de fusión del material, encontrándose en su estado sólido y al cabo del tiempo t2 (punto B) se encuentra totalmente líquido. La temperatura sigue incrementándose hasta llegar a la temperatura de ebullición (punto C) en la cual hierve la totalidad de la masa del líquido hasta alcanzar el estado gaseoso. En el tiempo t2 a t3, se produce la vaporización del líquido, es decir, empieza a hervir vaporizándose desde su superficie hasta la totalidad de su masa. En definitiva, si un sólido es calentado suficientemente se obtiene un líquido. Si se continúa aumentando la temperatura se obtiene un gas y si se continúa calentando, al gas llegará una temperatura que los átomos se ionizarán y se obtiene un plasma. Cuando una partícula de movimiento rápido, como un electrón, una partícula alfa o un fotón, colisiona con un átomo de gas, éste expulsa un electrón, dejando un ion cargado. Los iones convierten en conductor al gas. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer pasar electrones de alta energía a través del gas. 3.2.1. Análisis del Período OA en la Etapa de Pre-arco. Durante el período de calentamiento OA, la elevación de la temperatura en un instante de tiempo está dada por la siguiente igualdad:
dtRidTV ⋅⋅=⋅⋅⋅ 2δγ Siendo los términos: T : Temperatura (º K) γ : Peso específico (Kg/cm³) δ : Calor específico (J/º K•Kg) dT : Diferencial del aumento de temperatura (º K) dt : Diferencial de tiempo (seg.) V : Volumen del elemento fusible (cm³) i : Valor instantáneo de la corriente (Amp.) R : Resistencia del elemento fusible (Ω) ρ : Resistividad específica (Ω•cm.) ρ0 : Resistividad a 0º C (Ω•cm.) ρ1 : Resistividad a Temperatura de fusión en estado sólido (Ω•cm.) ρ2 : Resistividad a temperatura de vaporización en estado líquido (Ω•cm.) α : Coeficiente de variación de la resistencia con la temperatura (º K-1) S : Sección del elemento fusible (cm²) L : Longitud del elemento fusible (cm)
Si: ; LSV ×= )1()( 0 TT αρρ += y SLR ×
=ρ entonces:
dtSLidTLS ××
×=××××ρδγ 2 ; simplificando términos queda:
27
dtTidTS )1(022 αρδγ +×=××× ; ordenando la ecuación se obtiene:
)1(0
22
TdTSdti
αρδγ+
×××=× ; integrando el primer término entre 0 y t,
y el segundo entre 0 y Tf queda lo siguiente:
∫∫ +×××
=×Tft
TdTSdti
0 0
2
0
2
)1( αρδγ
∫∫ +×
××=×
Tft
TdTSdti
00
2
0
2
1 αρδγ ; aplicando el método por sustitución:
Tu α+= 1 y dTdu ×= α ; entonces:
)1(11
0
TfLnuduTf
ααα
+×=× ∫ ; finalmente la ecuación queda:
∫ +××
××=×
t
TfLnSdti0 0
22 )1( α
ραδγ
3.2.2. Análisis del Período AB en la Etapa de Pre-arco. Alcanzada la Tf comienza la fusión completa del material iniciándose desde el centro hacia el exterior. La cantidad de volumen fundido en un instante de tiempo dt, esta dado por la siguiente expresión:
dtRidvh ××=×× 2γ Donde: h : Calor latente de fusión (J/Kg) dv : Diferencial de volumen (cm³) Debido a la diferencia de temperatura entre el centro y el exterior del material, se consideran dos resistencias de distinto valor en paralelo:
21
111
rr
R+
=
1
11 S
Lr
×=ρ
; 2
22 S
Lr
×=ρ
Reemplazando en R se obtiene:
2
2
1
1
1
ρρ ×+
×
=
LS
LS
R
Si V es el volumen total del elemento fusible, entonces:
28
SLV ×= ; v 22 SL×= ; 12 SLvV ×=−
SVvS
VvV
LvVS ×
−=×
−=
−= 222
1 1
SVv
Lv
S ×== 222 ; Reemplazando en R queda:
2
2
1
21
1
ρρ ×
×+
×
×
−
=
L
SVv
L
SVv
R =
+−
×2
2
1
21
1
ρρVv
Vv
LS
=
21
21
22 1
ρρ
ρρ
×
×+
−×
Vv
VvSL
21
21222
ρρ
ρρρ
×
×
+×
−=
Vv
VvSL
R = ( )
2112
22
1ρρ
ρρρ×
×
−×−
Vv
SL
−−×
=
2
12
1
111ρρ
ρ VvSL
R =
−×−
×
2
12
1
11ρρ
ρ
Vv
SL
Reemplazando R en la ecuación se obtiene:
dt
Vv
SL
idvh ×
−×−
×
×=××
2
12
1
2
11ρρ
ρ
γ ; Ordenando la ecuación, queda:
SLVvdvh
dti×
−−×××
=
1
2
12
2
11
ρ
ρργ
; multiplicando por 1V
=× SL
−−×
××
×
××=×
2
12
1
2 11ρρ
ρ
γVvdv
VSL
SLdvhdti
Vdv
VvhSdti ×
−×−×
××=×
2
12
1
22 11ρρ
ργ
Integrando entre 0 y t el primer término, y el segundo término entre 0 y V, se obtiene:
∫ ∫
−×−×
××=×
t V
Vdv
VvhSdti
0 0 2
12
1
22 11ρρ
ργ
29
Separando la segunda integral:
∫ ∫ ∫ ××+×−V V V
Vdv
Vv
Vdv
Vv
Vdv
0 0 0 2
122
ρρ =
2
1
2211
ρρ
+−
Finalmente la ecuación que rige el período AB queda como se muestra a continuación:
+×
××
×=×∫2
1
10
22 12 ρ
ρργhSdti
t
3.2.3. Análisis del Período BC en la Etapa de Pre-arco. En éste período la temperatura del líquido sigue incrementándose, provocando la vaporización desde la superficie, y luego la ebullición de todo el líquido hasta convertirse en una atmósfera gaseosa. La ecuación que caracteriza el período BC en el corte de un fusible en condición adiabática es la que se muestra a continuación.
∫ ∫ ×+
××
×=×t Tv
Tf
dTT
Sdti0 2
22
11αρ
δγ
∫
×+×+
×××
×=×t
TfTvLnSdti
0 2
22
11
αα
αρδγ
Reuniendo las tres ecuaciones de cada período en una sola, se determina la ecuación que representa la etapa total de la etapa de pre-arco (período OA) en régimen adiabático, por lo tanto, ésta corresponde a la sumatoria de los tres períodos anteriores:
( )∫
×+×+
×××
+
+×
××
+×+×××
×=×t
TfTvLnhTfLnSdti
0 22
1
10
22
111
21
αα
αρδγ
ρρ
ργα
αρδγ
k1 k2 k3 constante de Mayer (K) La constante de Mayer, descubierta por el médico alemán Julius Robert von Mayer, es un valor que representa una serie de parámetros físicos de un determinado material. Cada metal posee una constante de Mayer, por lo tanto, solamente depende de las propiedades físicas del material. Conociendo este valor, es posible determinar el tiempo que tarda en fundir el elemento fusible, en condición adiabática.
El valor de K es expresado en 4cmJ⋅Ω
, por lo tanto la integral que representa al
período de pre-arco queda como:
30
Ω=⋅jsegAmp .2
; y esto es igual a la cantidad de energía por unidad de
resistencia eléctrica. El tiempo total correspondiente al período de pre-arco (Melting) es representado por la siguiente ecuación:
2
2
IKSt ×
= ; sabiendo que la densidad de corriente (D) se define como la
cantidad de corriente (I) por unidad de superficie (S), la ecuación queda como sigue.
(3.2) t =
2DK
3.2.4. Forma de Calcular la Constante de Mayer para la Plata (Ag). Parámetro físicos de la plata (Ag): Tf : 961.78 (ºC) ó 1193.93 (ºF) Tv : 2162 (ºC) ó 2435.15 (ºF) γ : 0.0105 (Kg. / cm.³) h : 103 (J/gr.) δ : 237 (J / ºK.*Kg.) α : 400 * 10-5 (º K-1) ρ0 : 1.6 * 10-8 (Ω*cm.) ρ1 : 9.237 * 10-8 (Ω*m) ρ2 : 1.718 * 10-7 (Ω*m) Conociendo estos parámetros físicos del metal, se calculan en forma independiente las constantes para cada etapa del pre-arco.
8556 10*8187.6)93.119310*4001(
10*40010*6.12370105.01 =×+×
××
= −−− Lnk
7
7
8
6 10*0017.910*718.110*237.91
10*237.920105.0000.1032 =
+×
××
= −
−
−k
7
5
5
55 10*24648.293.119310*400115.243510*4001
10*40071810.12370105.03 =
×+×+
×××
= −
−
−− Lnk
Sumando las constantes de cada período, se determina la constante de Mayer para este material en particular.
×Ω=++= 4
810*943.7321cmJkkkK
En al tabla 3.2.4 se muestran los parámetros físicos más importantes y la constante de Mayer, para cada uno de los metales más utilizados en la fabricación de fusibles eléctricos.
31
Tabla 3.2.4
Tf (ºC) Tv (ºC) P.esp. (Kg/dm3)
Calor.esp. (J/Kgr) Calor lat. F. C.Variación
ºK-1 Rho 0ºC Rho1 Rho2 Cte. Mayer
Plomo 327 1620 11.4 159 23.2 4.30x10-3 2.20x10-7 7.88x10-5 2.01x10-4 0.28x108
Estaño 231.9 2270 7.27 213 59.6 4.60x10-3 1.26x10-7 4.19x10-5 1.60x10-4 0.41x108
Hierro 1535 2750 7.8 444 272 6.20x10-3 1.20x10-7 1.47x10-4 2.37x10-4 1.29x108
Zinc 419.5 907 6.84 388 111 4.20x10-3 5.96x10-8 2.33x10-5 3.55x10-5 1.79x108
Alpaca 1085 2105 8.38 386.2 201.86 3.00x10-4 2.90x10-7 4.08x10-5 4.97x10-5 2.08x108
Bronce 925 2155 8.15 343 194.66 6.00x10-4 1.55x10-7 2.66x10-5 3.81x10-5 2.57x108
Aluminio 658 2057 2.7 900 388 4.20x10-3 2.80x10-8 1.38x10-5 3.02x10-5 3.99x108
Oro 1063 3080 19.3 129 64.9 3.40x10-3 2.44x10-8 1.35x10-5 3.03x10-5 6.00x108
Plata 960.8 2193 10.5 237 103 4.00x10-3 1.60x10-8 9.50x10-6 1.74x10-5 8.02x108
Cobre 1080 2310 8.9 385 205 4.20x10-3 1.80x10-8 1.20x10-5 2.13x10-5 10.00x108
3.3. Análisis Matemático del Tiempo de Fusión en Régimen Adiabático para una Lámina de Plata. Para verificar la exactitud de la ecuación 3.2, se efectuará un análisis comparativo con los valores obtenidos en el ensayo de laboratorio y los tiempos calculados teóricamente. En la hoja de reporte presentada en la figura 3.3a, están todos los datos necesarios para efectuar el cálculo del tiempo de fusión del elemento fusible en un régimen adiabático.
Fig. 3.3a. Reporte de laboratorio para ensayo de una lámina de plata. Para efectuar el cálculo del tiempo de fusión, es necesario conocer la geometría empleada en el diseño del elemento fusible. Para este ensayo en particular se utilizó una lámina de plata (Ag) de 0.09 mm de espesor, con una geometría de 1 vena, 7 filas y 2 perforaciones. Considerando un ancho de la vena de 1.25 mm, es posible entonces calcular primeramente la superficie de la vena.
32
Fig. 3.3b. Dibujo explicativo de la lámina fusible utilizada en el ensayo.
S =1.25 x 0.09 = 0.1125 mm2 =1.125*10-3 cm2 Una vez determinada la zona del elemento fusible involucrada en el proceso de fusión, es decir, la superficie de la vena, y con los valores de la intensidad de corriente observados en la hoja de reporte, es posible realizar una comparación entre los tiempos de pre-arco obtenidos del laboratorio y los valores calculados teóricamente para corrientes en régimen adiabático de 160 y 200 amperes. Resultado Resultado Teórico Práctico
0395.0160
001125.010*82
8 =
×=t segundos ≅ 0.04 segundos
0253.0200
001125.010*82
8 =
×=t segundos ≅ 0.02 segundos
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3.4. Origen del Arco Eléctrico en la Operación de un Fusible. Si un determinado elemento fusible de sección uniforme opera en una condición de sobrecarga, la distribución de la temperatura disipada a lo largo del elemento, se puede considerar como parabólica, debido a que la concentración del calor desarrollado es mayor en el centro del fusible. Según lo anterior, se puede deducir que la fusión bajo esta condición de sobrecarga, siempre tendrá lugar en el centro del elemento fusible, lo que originará la aparición de un arco simple. Fig. 3.4a. A la izquierda, un conductor de cobre-plata (φ 1.4 mm) es circulado por una corriente de 100 A en sobrecarga. El calor se concentra en el centro del elemento fusible. A la derecha, el gráfico que muestra la variación de la temperatura en el fusible. Considerando el mismo elemento fusible del caso anterior, pero ahora trabajando en una condición de cortocircuito, donde la corriente de falla es mucho mayor que la corriente nominal del fusible, ocurrirá que la distribución de la temperatura es uniforme en todo el elemento, debido a que el tiempo es insuficiente para que se originen pérdidas de calor por conducción hacia los extremos, y la fusión tendrá lugar en toda la longitud produciendo arcos múltiples. Cuando la totalidad del elemento fusible se encuentra en estado líquido, la combinación de las fuerzas electromotrices y la tensión superficial que existe en el líquido, produce una serie de ensanchamientos y angostamientos periódicos en toda la longitud del elemento fusible los que actúan como estricciones. Este efecto acelera la disrupción en los sectores más angostos.
Fig. 3.4b. Efecto generado por la circulación de una corriente de cortocircuito. La brusca apertura o interrupción se origina por la sobre presión interna del vapor que se produce en el núcleo del elemento, la cual supera la tensión elástica de la periferia que a su vez se encuentra en estado líquido. Esta sobre presión, es conocida como “componente explosiva de la presión”, y puede llegar hasta los 1000 kg/cm3, con una duración de 10 a 100 µs. La ecuación que representa a un circuito eléctrico durante el arco, se puede definir como sigue.
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( ) vfdtdiLiRtv ++•= donde:
v(t) : Voltaje de la fuente. R : Resistencia del circuito. vf : Voltaje del arco en el fusible. L : Inductancia del circuito. Durante la operación del fusible, el voltaje del arco incrementa su valor de 2 a 2.5 veces el voltaje nominal, mientras que la corriente toma una pendiente decreciente,
es decir, la componente dtdi se hace negativa para mantener la igualdad anterior, lo
que origina el efecto de limitación de corriente.
Fig. 3.4c. Señales de corriente y voltaje en el instante del arco eléctrico. Según lo anterior, se puede deducir que para obtener una rápida interrupción de una corriente de cortocircuito, es deseable obtener una gran tensión de arco, pero esto podría afectar a circuitos asociados a la red eléctrica.
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Fig. 3.4d. Lámina con estricciones para fusible de media tensión. Una corriente de cortocircuito elevada, de alrededor de 10 veces In, produce notables deformaciones del elemento, sobre todo en el uso de alambres conductores (Fig. 3.4b). A lo largo del material, en las zonas más angostas aparecen arcos en serie que rápidamente se van uniendo unos a otros, hasta formar un arco total, el cual magnifica la tensión total del arco. El uso de láminas permite que en cada estricción se produzca un arco, controlando el peack inicial de la tensión de arco, debido a la longitud de la estricción y la acción de la sílice. Un fusible de alta capacidad de ruptura debe ser capaz de interrumpir un circuito reactivo, sin producir una tensión de arco peligrosa. La limitación de corriente, solamente es válida si la etapa de pre-arco es menor que el primer peack de corriente, es decir con cortocircuitos grandes, y esto se consigue con el empleo de láminas con estricciones y rodeada con sílice compactada (arena de cuarzo). La longitud de cada arco que aparece en las estricciones de la lámina fusible, crece debido a la erosión del elemento y la rápida evaporación producida por el intenso calor del inicio del arco (raíz del arco). Además, el enfriamiento por la transferencia radial de calor desde la zona del arco hacia el cuarzo, contribuye a la permanencia de la tensión del arco. Fig. 3.4e. Lámina erosionada por la acción del arco eléctrico originado en las estricciones. Debido a la liberación de energía durante el proceso, se genera una onda de presión (componente de presión del arco), siendo su magnitud inferior a la componente explosiva, pero su energía provoca movimientos en los granos de cuarzo circundante y someten al cuerpo del fusible a un esfuerzo considerable que podría destruirlo. El metal del elemento fusible, fluye en forma de líquido y vapor desde la zona de erosión y junto con el cuarzo fundido generan un canal en el cual se desarrolla el
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arco. Al solidificarse esta mezcla, se produce un compuesto vítreo conocido como “fulgurita”, el cual es un buen aislante eléctrico. Fig. 3.4f. Trozo de fulgurita en el interior de un fusible de 750 V dc. Durante el arco, se libera gran cantidad de energía dentro del cuerpo, debiendo el fusible absorber esta sin sufrir daño exterior. Si se considera un circuito reactivo puro en corriente alterna, como es en la mayoría de los cortocircuitos (XL >>R), la energía que debe contener el fusible en el momento
del inicio del arco, es aportada por la fuente de alimentación, , y por el
conjunto de inductancias que posee el circuito, 1 , siendo la corriente de inicio del arco o término del pre-arco.
∫ ⋅⋅ dttvi )(
0i2
02/ iL ⋅⋅
La energía que proporciona la fuente, será mayor si v(t) y la corriente es máxima en el instante del arco. Si se consideran valores altos de corriente, de tal manera que el fusible limite, la energía máxima se producirá cuando la fusión del elemento fusible ocurra cerca del peack de tensión de alimentación y esto solo se producirá para un cierto rango de corrientes presuntas. En relación con la inductancia del sistema, la energía que ésta entrega aumentará si
se incrementa, y esto ocurre mediante la reducción de la inductancia L. 0iDebido a la naturaleza de la característica de limitación de corriente que posee el fusible, existirá una corriente presunta para la cual el efecto de disminución de L sea mayor que el aumento de i , produciendo un máximo en la energía almacenada en L.
0
Según lo anterior, se puede deducir que existe una corriente presunta, donde la energía que soporta el fusible es máxima. Este valor se denomina “Corriente Crítica”, y es uno de los valores especificados por las normas para los ensayos de capacidad de ruptura, siendo designado como I2. A medida que la corriente presunta es mayor, la energía del arco disminuye hasta llegar a la máxima corriente que puede ser interrumpida por el fusible (I1). El ensayo con este valor determina la habilidad del fusible para soportar las altas presiones disruptivas con corrientes inferiores a la crítica. La energía del arco disminuye, pero con valores cercanos a la mínima corriente de fusión, la energía del arco crece a valores superiores. Este fenómeno, con corrientes bajas, se produce por la transición de arcos múltiples a simples. Cuando se produce un arco simple, la tensión de arco inicial no es suficiente para causar una reducción significativa en la corriente, y la tensión crece a medida que la longitud del arco aumenta por la erosión del elemento fusible. El proceso anterior es relativamente lento y si la tensión del arco no llega a un valor suficiente para extinguir el arco antes que se funda totalmente, el arco se establece y
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el fusible no desconecta. También, la temperatura del cuarzo disminuye su capacidad de enfriamiento durante el arco. Fig. 3.4g. Fusible de 25 A en condiciones de sobrecarga. El arco de corriente se mantiene debido a la baja tensión de arco inicial. Muchos fusibles limitadores de corriente para alta tensión, no pueden interrumpir corrientes por debajo de la mínima corriente de interrupción especificada por el fabricante, ya que con bajas corrientes, la tensión de arco inicial es menor con relación a la tensión aplicada, haciendo difícil la extinción del arco. Se consideran en los ensayos de capacidad de ruptura las corrientes I1 e I2, además de los ensayos con corrientes inferiores a 5 veces In. En una condición de resistencia nula del circuito (cortocircuito), se produce la condición más desfavorable, considerando que el componente resistivo absorbe parte de la energía aportada por la fuente y la inductancia. El factor de potencia es importante con corrientes de sobrecarga, ya que el corte definitivo en estos casos se produce cuando la corriente pasa por cero, y en un circuito inductivo ocurre cuando la tensión está cerca de un máximo, dificultando el corte. Considerando un sistema que opera con un factor de potencia de 0.85, cuando sucede una falla gran parte de la resistencia del circuito se reduce, disminuyendo al factor de potencia a 0.25 o menos. Esto produce una asimetría en la corriente de falla. En general, un bajo factor de potencia en cortocircuito y además el lugar de la señal del voltaje de alimentación, incrementan el grado de asimetría en la corriente. En la práctica, en fallas por sobrecarga, generalmente el cos φ es mas alto que en los cortocircuitos. En el caso de fusibles no limitadores de corriente, el cos φ es muy importante, puesto que estos fusibles para producir su corte deben pasar por un cero de corriente. Fig. 3.4h. El paso por cero de la corriente se produce cuando la tensión es máxima en un circuito inductivo.
CAPITULO IV
CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DE LOS FUSIBLES. 4.1. Definición del Fusible Eléctrico. El fusible eléctrico es un dispositivo destinado a proteger una instalación eléctrica y sus componentes contra sobrecorrientes ocurridas aguas abajo de éste, mediante la fusión de uno o varios elementos destinados para este efecto, interrumpiendo el flujo de la corriente eléctrica cuando esta sobrepasa el valor de la corriente de fusión del fusible dentro de un tiempo determinado. Es conveniente utilizar el nombre “fusible eléctrico” para referirse a este elemento de protección, ya que además existe otra clase de fusible, el cual opera por el exceso de temperatura. El fusible térmico (Figura 4.1), conocido como TCO (Termal Cut-Off), es un dispositivo de protección que responde a la temperatura, interrumpiendo un determinado circuito eléctrico cuando el funcionamiento o la temperatura ambiental excede el grado termal del dispositivo, proporcionando así una protección contra calefacción excesiva. Es de amplia aplicación en pequeños motores.
Fig. 4.1. Fusible térmico. Para comprender las distintas condiciones bajo las cuales puede estar sometido un fusible eléctrico, es conveniente definir claramente el significado de una sobrecarga y un cortocircuito. La primera condición de operación de un fusible es la sobrecarga, la cual se define como un valor de corriente excesivo en relación con la nominal especificada en la etiqueta. Esta corriente fluctúa en un rango de unas 2 a 3 veces la corriente nominal. Son causadas por incrementos de corrientes de corta duración (peack), producto de la partida de motores o cuando se conectan los transformadores (corriente de Inrush). Estas sobrecargas son de ocurrencia normal y no tienen efectos dañinos en los componentes del circuito cuando son por tiempos inferiores a los 10 segundos. Otro tipo de sobrecarga es la producida por algún defecto en artefactos o cuando existen demasiadas cargas conectadas a un circuito. Estas corrientes son más duraderas y dañinas que las anteriores, ocasionan peligrosos aumentos de temperatura en los componentes del circuito, por lo tanto deben ser interrumpidas por el fusible siempre que éste sea adecuado para esta finalidad. La segunda condición que puede ser causal de la operación de un fusible es el cortocircuito, y se define como la desaparición repentina de la aislación existente entre conductores de tensión diferente. La magnitud de estas corrientes supera las 6 veces la corriente nominal del fusible, llegando al orden de miles de amperes (KA). Es de vital importancia que los fusibles diseñados para este fin, interrumpan estas corrientes debido a los dañinos efectos térmicos y dinámicos. El fusible, dependiendo de su forma, puede ser de fácil intervención o manipulación, y debido a la falta de conocimiento en las personas es común observar en algunas instalaciones la presencia de elementos extraños (puentes, alambres, clavos) en la
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ubicación del fusible, con el fin de evitar la acción de reposición. Por lo tanto una correcta elección y dimensionamiento son muy importantes puesto que de otra manera el fusible no cumplirá su rol de protección. 4.2. Partes que Componen un Fusible. Básicamente los fusibles eléctricos se componen de cinco partes y para su fabricación se utilizan varios tipos de materiales. Cada una de ellas cumple un rol específico y dependiendo del tipo de fusible y su aplicación es posible prescindir de alguna de ellas. 4.2.1. Cuerpo Fusible. Se construyen de materiales aislantes de la electricidad y con un cierto grado de resistencia mecánica como por ejemplo el Vidrio, el papel Fishpaper, la Porcelana, la Esteatita, la Fibra de Vidrio, entre otros.
Fig. 4.2.1a. Fusible cuerpo de Vidrio.
Fig. 4.2.1b. Fusible cuerpo papel Fishpaper.
Fig. 4.2.1c. Fusible cuerpo Cerámica.
Fig. 4.2.1d. Fusible cuerpo Esteatita.
Fig. 4.2.1e. Proceso de fabricación de los cuerpos cerámicos para fusibles.
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El Cuerpo cumple la función de proteger y aislar el elemento fusible ubicado en su interior, además debe ser capaz de soportar grandes presiones térmicas y mecánicas en el momento de operación del elemento fusible. La cantidad de energía liberada en este instante, debe ser contenida en el interior del cuerpo y luego disipada en forma de calor al exterior con el fin de evitar la explosión del fusible, riesgos al personal y la instalación.
Fig. 4.2.1f. Proceso de fabricación de los cuerpos de fibra de vidrio La onda de presión mecánica originada por la operación del fusible, choca contra las paredes internas del cuerpo en un lapso de tiempo de milisegundos hasta unos pocos segundos. Posteriormente, el cuerpo fusible debe soportar la energía térmica desarrollada en su interior, la que se refleja en un incremento gradual de la temperatura y depende de la energía desarrollada durante la fusión, por tanto del valor de la intensidad de cortocircuito y de la disipación del cuerpo, terminales, portafusibles y cables de conexión. Fig. 4.2.1g. La energía térmica puede causar la destrucción del fusible si este no es capaz de soportarla, provocando riesgos para los equipos eléctricos y el personal.
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4.2.2. Terminales. Se construyen generalmente en piezas torneadas de cobre y bronce, terminados con un baño de plata electrolítica con una pureza de 99.99 % o también, dependiendo de la aplicación, con un baño de estaño.
Fig. 4.2.2. Proceso de fabricación de las piezas terminales, trabajados milimétricamente en un torno de precisión.
Estos elementos cumplen la función de conectar eléctricamente el elemento fusible con el circuito a proteger y como elementos disipadores del calor desarrollado en la operación normal del fusible, por lo tanto es muy importante que estén bien unidos al fusible para evitar el calentamiento por efecto de resistencia de contacto. También como disipadores de energías de sobrecorriente. La diferencia entre la plata y el estaño radica en la clase de óxidos que estos metales producen. La plata se oxida cuando está expuesta al oxígeno, pero el óxido de este metal es conductor, así que con el óxido de plata siempre existirá un buen contacto eléctrico. Por otra parte, el óxido del estaño forma una película delgada de óxido estánico, sobre el estaño que está expuesto al aire y esto origina una protección superficial sobre la pieza. Esto es favorable en lugares donde existen muchos agentes contaminantes que pueden atacar a las piezas metálicas, como por ejemplo en la minería. La razón por la cual las piezas de cobre reciben un baño de plata o estaño, es que el óxido de cobre es un mal conductor. Los contactos con óxido de cobre pueden aislar, pueden conducir o pueden depurar. 4.2.3. Elemento Fusible. Es el “corazón” de cada fusible eléctrico, controla las características de capacidad de interrupción frente a las sobre intensidades, bajo condiciones de funcionamiento del fusible. Las características referidas al material de fabricación y las dimensiones del elemento fusible, se basan en el comportamiento registrado con el incremento de la corriente y el tiempo de respuesta (Característica t-I). Un fusible puede tener uno o más elementos fusibles en su interior. Generalmente se fabrican con plata debido a sus grandes ventajas. Todos los óxidos que produce este metal son conductores, posee una gran maleabilidad lo cual facilita el trabajo para
trabajar en láminas, posee una baja resistividad y pocas pérdidas, su valor es relativamente económico, y es abundante. También se fabrican con otros metales tales como el cobre, cobre bañado en plata para mejorar su capacidad conductiva y el zinc. Fig. 4.2.3a. Fusible 12000 volts con 24 láminas fusibles distribuidas en un diámetro
interior y otro exterior. Los elementos fusibles utilizados son generalmente alambres y láminas. El uso de alambres permite calibrar la corriente que circula por el fusible solamente variando su diámetro. Actualmente el uso de alambres está aplicado solo en contados tipos de fusibles, como los de vidrio, los de reja y en general cuando no se requiere manejar corrientes muy altas. En la etapa de diseño es importante determinar el largo adecuado de los alambres fusibles, puesto que la resistencia interna es directamente proporcional a su longitud
según la siguiente relación: SLR ×
=ρ
Por lo tanto la longitud de los alambres fusibles, influirá directamente en los tiempos de operación. En el siguiente gráfico se muestra la curva de operación de un alambre Cuag (aleación Cobre y Plata) con diámetro de 0.47 mm, primero con una longitud de 50 mm y luego con 100 mm, sin cuerpo fusible y sin medio de extinción de arco. Para una misma corriente en período de sobrecarga, el alambre de longitud mayor interrumpe primero que el de longitud menor, debido a que por efecto Joule disipa más calor, lo que afecta directamente en los tiempos de fusión.
Corriente v/s tiempo
0.1
1
10
100
1000
10 100Amper
Seg.
Cuag 0.47 mmL = 50 mm
Cuag 0.47 mmL= 100 mm
En la parte baja de la curva, con corrientes más elevadas, los tiempos de fusión son casi iguales. Esto se debe a que la influencia de la temperatura en la operación del
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fusible es casi nula producto de los rápidos tiempos de respuesta (régimen adiabático). A diferencia de los alambres fusibles, el uso de láminas tiene la gran ventaja que es posible además de regular la corriente con la sección de la lámina, controlar la disipación de calor implementando una adecuada geometría en el diseño, para evitar la operación del fusible por excesiva acumulación de calor en condiciones de sobrecarga.
Fig. 4.2.3b. Máquina laminadora implementada para rebajar el espesor de las láminas a utilizar en fusibles.
Según los tiempos de operación que se desea lograr es posible diseñar fusibles para distintas aplicaciones. Para esto se utilizan distintos metales en la fabricación de los elementos fusibles puesto que cada uno posee cualidades físicas distintas al resto (temperatura de fusión, resistividad, etc.). 4.2.3.1. Tipos de láminas utilizadas en los fusibles según la geometría del diseño.
4.2.3.1a. Lámina Plata Ø perf. 5 mm
4.2.3.1d. Lámina de Cobre Plateado. Zona de operación para sobrecarga.
4.2.3.1b. Lámina Plata Ø perf. 2 mm. 4.2.3.1c. Lámina Plata ondulada con pastilla de difusión térmica.
4.2.3.1e. Lámina de Zinc.
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4.2.3.1f. Lámina Cobre. Perforación circular.
4.2.3.1h. Lámina Cobre. Perforación rectangular.
4.2.3.1i. Lámina Cobre ondulada. Perforación rectangular.
4.2.3.1g. Lámina de Cobre perf. hexagonal. Zona de operación para sobrecarga. Dependiendo de la geometría utilizada para el diseño de un fusible, las láminas generalmente se trabajan con “perforaciones”. Una cantidad de perforaciones a lo largo de una lámina, da origen a lo que se conoce como “filas”. Los espacios de material que quedan entre dos perforaciones se denominan “venas”, y a su vez, las zonas comprendidas entre las filas se llaman “estricciones”.
Fig. 4.2.3.c. A la izquierda, máquina utilizada para la perforación de láminas, modelo
PB 1300. A la derecha, dibujo explicativo de una lámina con 4 venas, 3 filas y 5 perforaciones.
Estas configuraciones permiten en el momento de la sobre intensidad que en las venas se origine una alta densidad de corriente, mayor que en las estricciones. En cortocircuitos de gran magnitud (> 10 veces In), se produce el corte en las venas en condición adiabática, con rápidos tiempos de fusión, consiguiendo limitar la intensidad. Bajo condiciones de sobrecarga (hasta 5 veces In), el calor desarrollado en el fusible por la corriente que lo recorre, puede causar daño a los cables conductores, los terminales y un recalentamiento excesivo del cuerpo fusible. Por este motivo es que hace muchos años, los fabricantes incorporan en el diseño de
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los elementos fusibles una técnica que permite la operación del fusible bajo un régimen de sobrecarga, la cual aprovecha las ventajas producidas por un fenómeno conocido como “Efecto M”. 4.2.4. El Efecto M. El “Efecto M”, o como se le denomina hoy en día, Tecnología de la Pastilla de Difusión (Difusión Pill Technology), fue descubierto por el físico profesor A. W. Metcalf en el año 1939. Dicho efecto consiste en la aplicación de soldadura de un bajo punto de fusión sobre el elemento fusible, con la finalidad de cambiar completamente los efectos térmicos de la zona recubierta con la pastilla de difusión. De esta manera es posible controlar la operación del elemento fusible y mejorar las características de tiempo-corriente en régimen de sobrecarga.
Fig. 4.2.4a. Lámina fusible con Pastilla de Difusión o Carga Térmica. La aleación molecular entre la soldadura y el elemento fusible posee una resistencia más alta que los otros lugares sin soldadura. La combinación de dos materiales íntimamente ligados, da como resultado que la temperatura de fusión sea inferior a la de los elementos individuales, y ciertas aleaciones producen el efecto eutéctico, es decir, se obtiene un punto donde una composición de dos materiales solidifica como un elemento puro.
Fig. 4.2.4b. Imagen amplificada de la carga térmica. Cuando la corriente de sobrecarga circula por el fusible, la resistencia producida por el “efecto M” aumenta progresivamente debido a que el calor necesario para derretir el elemento fusible es en función de la ley de Joule, disminuyendo la corriente requerida para provocar la fusión. El calor desarrollado en la zona con soldadura si la corriente de sobrecarga continúa aumentando, creará “puntos calientes locales” sobre los cuales se originará la fusión del elemento fusible. En este caso los fenómenos térmicos ocasionados por el “efecto M” son irreversibles.
Fig. 4.2.4c. Lámina fusible que fue sometida a un régimen de sobrecarga.
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Fig. 4.2.4d. La pastilla de difusión cambia los efectos térmicos del material. 4.2.5. Medio de Extinción del Arco Eléctrico. La etapa de formación de arcos se origina luego de la fusión de una o varias filas de la lámina fusible en el momento de la operación. La gran cantidad de energía interna que posee el arco, crea altas presiones y temperaturas que finalmente deben ser soportadas por el fusible. Para reducir los efectos destructivos que produce el arco, se emplea como medio de extinción de este fenómeno la Sílice. Este material posee una buena capacidad de absorción de energía la que es intercambiada con el medio, posibilitando un rápido enfriamiento ayudando así a la extinción del arco. Además, la sílice llena todos los espacios, dejando sin aire y por lo tanto sin oxígeno el interior del cuerpo fusible. La sílice utilizada en la fabricación de fusibles, debe estar libre de cualquier impureza orgánica y metálica. Además de estar completamente compactada al interior del cuerpo debe estar libre de humedad y tener una adecuada granulometría (tamaño de los granos), de lo contrario el fusible no será capaz de interrumpir en forma segura las elevadas sobre intensidades. También es común en los fusibles, el uso de la sílice solidificada, la que permite incrementar el poder de corte en el momento de la operación.
Fig. 4.2.5a. Tipos de sílice utilizadas en fusibles.
Dependiendo de la magnitud de la corriente de cortocircuito y de la geometría empleada en el diseño, el elemento fusible se vaporiza, y los gases liberados en este proceso se condensan sobre la sílice en el momento de la absorción de la energía. Esta última es calentada a tal punto que los granos se pegan unos a otros, formando cristales de piedra llamados “fulguritas”, los cuales son mezclas de arena y metal fundido, de apariencia similar al vidrio.
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Otro medio de extinción utilizado actualmente es el Ácido Bórico, el cual actúa por la desionización del arco eléctrico para interrumpir la corriente en fusibles de alta tensión. Fig. 4.2.5b. Trozos de láminas de plata con terminales de cobre mezclados con sílice (Fulgurita) 4.2.6. Indicador de Funcionamiento (Trigger Indicator). Es un dispositivo visual que señala la operación del fusible. Los indicadores de funcionamiento hacen la indicación por medio de un señalizador incorporado en los fusibles, evitando así la necesidad de medir su resistencia para verificar la fusión.
Figura 4.2.6a. Fusibles con indicador de fusión incorporado y exterior.
Los Actuadores son otros dispositivos que indican la operación de un fusible. Algunos se encuentran incorporados en los fusibles como por ejemplo los “percutores” o “disparadores” (Trigger Actuator). A pesar de que se encuentran en paralelo con el elemento fusible, no cumplen el mismo objetivo que los elementos destinados para proteger un circuito eléctrico. Son dispositivos mecánicos que se liberan durante el funcionamiento y pueden utilizarse como señalizador o para actuar sobre otros aparatos, ya sean alarmas o sistemas de indicación remota.
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Existen también los Botones Actuadores, los cuales son dispositivos anexos a los fusibles y se encuentran en diversas formas a modo de accesorios.
Fig. 4.2.6b. Fusible con botón Actuador.
Fig. 4.2.6c. Fusible con Disparador.
Fig. 4.2.6c. Disparadores exteriores.
4.3. Características Eléctricas de los Fusibles. Además de definir correctamente y conocer las características físicas, mecánicas y constructivas de los fusibles, es muy importante determinar los parámetros eléctricos que identifican a estos elementos de protección. 4.3.1. Intensidad nominal (In). Es la cantidad de corriente eléctrica (valor RMS) que el fusible es capaz de conducir indefinidamente sin desconectar. Como se ha descrito anteriormente, la circulación de una corriente eléctrica por un conductor, creará una determinada cantidad de calor por efecto Joule. Sin embargo, la circulación de una corriente igual o menor a la indicada como nominal en el fusible, no debe originar una cantidad de calor que provoque dentro de un tiempo determinado y en condiciones ambientales y de montaje favorables, la operación del fusible. Este valor debe estar especificado en el fusible, y a cada uno de estos, se le designa un nivel de corriente por el fabricante, bajo condiciones específicas en las cuales fue probado. Cuando se elige un valor de corriente para el fusible, hay que considerar el tipo de carga y un código para uso específico proporcionado por el fabricante. Normalmente, para seleccionar la corriente nominal de un fusible es necesario conocer la corriente nominal que circula por el circuito, y ésta debe corresponder al 80 % de la corriente nominal del fusible. En el caso de los circuitos que poseen motores, la corriente nominal de los fusibles de doble elemento se dimensiona al 175%, y los fusibles sin retado de tiempo son dimensionados al 300% de la corriente de partida de los motores. Estos fusibles se utilizan principalmente para cortocircuitos. La norma chilena NCh2025/1 para fusibles de baja tensión, de capacidad de ruptura superior a 6 kA y fusión cerrada, indica la siguiente serie de valores de corriente nominal: 2-4-6-8-10-12-16-20-25-32-40-50-63-80-100-125-160-200-250-315-400-500-630-800-1.000-1.250 Amperes. La norma internacional ANSI / NEMA FU 1-1986, establece los valores de corriente nominal, normalizados según la característica de Retardo de Tiempo. En la tabla 4.3.1a se muestran las corrientes para los fusibles sin Retardo de Tiempo, y en la tabla 4.3.1b se indican las corrientes para los fusibles con Retado de Tiempo.
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Tabla 4.3.1a. Rango de corriente
para fusibles sin retardo de tiempo. Tabla 4.3.1b. Rango de corriente para
fusibles con retardo de tiempo. Rango
Amperes Valor de Corriente
Amperes Rango
Amperes Valor de corriente
Amperes
0-30 1,3,6,10,15,20,25,30 0-30 1/10, 15/100, 2/10, 3/10, 4/10, 1/2, 31-60 35,40,45,50,60 6/10, 8/10, 1, 1 1/2, 1 1/4, 1 4/10,
61-100 70,80,90,100 1 6/10, 1 8/10, 2, 2 ¼, 2 1/2, 101-200 110,125,150,175,200 2 8/10, 3, 3 2/10, 3 1/2, 4, 4 1/2, 201-400 225,250,300,350,400 5, 5 6/10, 6, 6 1/4, 401-600 450,500,600 7,8,9,10,12,15,171/2 601-800 601,700,800 20,25,30
801-1200 1000, 1200 31-60 35,40,45,50,60 1201-1600 1600 61-100 70,80,90,100 1601-2000 2000 101-200 110,125,150,175,200 2001-2500 2500 201-400 225,250,300,350,400 2501-3000 3000 401-600 450,500,600 3001-4000 4000 601-800 601,700,800 4001-5000 5000 801-1200 1000, 1200 5001-6000 6000 1201-1600 1600
1601-2000 2000 2001-2500 2500 2501-3000 3000 3001-4000 4000 4001-5000 5000
5001-6000 6000 La norma americana UL, reconoce un conjunto de valores de corrientes especiales para caracterizar a los fusibles para Media Tensión de alta capacidad de ruptura, denominado Clasificación R (R-Rated). En la siguiente tabla se muestran los valores de las corrientes nominales a una temperatura de 40 º C. Tabla 4.3.1c.
Rango de interrupción monofásica Componente reconocida por UL
Tamaño
Valor de corriente
a 40°
Corriente de
InterrupciónMínima RMS Asim. RMS Sim.
2R 70 190 3R 100 225 4R 130 330 5R 150 400 6R 170 500 9R 200 740
12R 230 955 18R 390 1440 24R 450 1910 36R 650 2810
80kA 5080V
50kA 5080V
2R 70 190 3R 100 225 4R 130 330 5R 150 400 6R 170 500 9R 200 740
12R 230 955 18R 390 1440 24R 450 1910
80kA 5080V
50kA 5080V
50
4.3.1.1. Intensidad Convencional de Fusión (If). Es el valor determinado de la corriente que provoca la fusión del fusible en un tiempo determinado (tiempo convencional). 4.3.1.2. Intensidad Convencional de no-Fusión (Inf). Es el valor determinado de la corriente que puede ser soportado por el fusible sin fundir. 4.3.1.3. Corriente Mínima de Fusión (I3). Es el valor mínimo de la corriente que causa la fusión e interrupción del fusible. Generalmente, este valor varía en un rango de 1.35 a 3 veces la corriente nominal del fusible. Para interrumpir una corriente, no basta con que se produzca la fusión del elemento fusible, puesto que para corrientes inferiores a I3 (Figura 4.31b), es probable que el fusible derrita, pero no necesariamente interrumpe la corriente debido a que el arco se mantiene hasta que una acción externa interrumpa la corriente.
Fig. 4.3.1. La fusión del elemento fusible no interrumpe totalmente la corriente, al estar sometido a grandes niveles de voltaje.
4.3.1.4. Corriente crítica (I2). Dependiendo del diseño del elemento fusible, el valor de la corriente crítica (Fig. 4.3.1.b) puede variar entre 20 y 100 veces la corriente nominal del fusible. Si el fusible interrumpe esta corriente, también podrá interrumpir con seguridad la gama de corrientes entre I3 e I1. 4.3.4.5. Corriente máxima de ruptura (I1). Esta corresponde a la mayor corriente de falla que el fusible es capaz de interrumpir. En el momento de seleccionar un fusible, es necesario asegurarse que la corriente máxima disponible del sistema, sea igual o menor que el valor de corriente I1 del fusible. Fig. 4.31b. Zonas de operación de acuerdo a la magnitud de la corriente de falla.
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4.3.2. Voltaje Nominal (Vn). Es el máximo valor de tensión a que puede estar sometido el fusible. Cualquier otro valor de voltaje inferior al nominal especificado en la etiqueta, el fusible puede trabajar en condiciones normales de operación, por lo tanto Vn debe ser igual o superior al voltaje del circuito donde se aplicará el fusible. Por ejemplo, un fusible con un Vn de 600 volts puede ser usado en un circuito de 220 volts. Este nivel de voltaje corresponde a la capacidad que tiene el fusible para extinguir rápidamente el arco de corriente después de que el elemento se ha fundido. Un fusible nunca debe ser aplicado en un circuito donde el voltaje sea superior al nominal del fusible, debido a que su cuerpo no resistirá la diferencia de potencial y su capacidad dieléctrica disminuirá entre los terminales hasta que se produzca su recalentamiento y posterior destrucción.
Fig. 4.3.2. Etiqueta de un fusible indica la corriente y el voltaje nominal. La norma nacional NCh2025/1 (homologación de la norma IEC 269-1), establece los valores normales de tensiones nominales en corriente alterna para fusibles en la siguiente tabla. Tabla 4.3.2a.
Serie I (Volts) Serie II (Volts) 120 208
220 (230) 240 277
380 (400) 415 500 480
660 (690) 600 Para corriente continua, los valores preferidos para las tensiones nominales son los siguientes: 110-125-220-250-440-460-500-600-750 V. El voltaje del dispositivo fusible puede tener un valor diferente de la tensión nominal del conjunto portafusible. En este caso, la tensión nominal del dispositivo fusible debe ser de valor igual o inferior al voltaje nominal del portafusible. También, la norma americana ANSI / NEMA normaliza los siguientes valores de voltaje en corriente alterna para fusibles, según su característica de Retardo de Tiempo. Tabla 4.3.2b.
Valores de voltajes AC para fusibles con retardo de tiempo y sin retardo de tiempo250V 300V 600V
Valores de voltajes DC para fusibles con retardo de tiempo y sin retardo de tiempo125V 250V 300V 500V 600V
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La mayoría de los fabricantes de fusibles para media tensión, utilizan unos rangos de voltajes para clasificar a los fusibles, por ejemplo: Clase 3 / 7,2 kV – 6 / 12 kV – 10 / 17,5 kV – 10 / 24 kV – 20 / 36 kV. 4.3.3. Capacidad de Ruptura. Es la máxima corriente de cortocircuito que el fusible es capaz de interrumpir a tensión nominal sin que en él se produzcan daños físicos. El valor de corriente de interrupción (Poder de Corte) es la máxima corriente de cortocircuito disponible que circula por un dispositivo de protección contra sobre intensidades y que puede interrumpir sin daño. La operación segura requiere que el fusible siga estando intacto (sin explosión) y que no emita llama o soldadura fundida, que podrían ser un riesgo de incendios. Este valor es asignado por el fabricante y es muy importante para los dispositivos protectores de cortocircuitos. Una de las cualidades que distinguen a los fusibles de otros dispositivos de protección, es su alta capacidad de ruptura contenida en un pequeño volumen. En la etapa del diseño y fabricación de los cuerpos fusibles, deben tenerse en cuenta numerosas características de calidad para que estos puedan garantizar el valor de la capacidad de ruptura que se les ha asignado. Las láminas fusibles también influyen en la capacidad de ruptura en cuanto a la geometría y la ubicación dentro del cuerpo, y además de la pureza química, el tamaño, la forma de los granos y la densidad de la sílice utilizada como medio de extinción del arco.
Fig. 4.3.3. Corte transversal de un fusible quemado con 2000 A. El uso de un medio de extinción del arco inapropiado, reducirá la capacidad de ruptura del fusible.
4.3.4. Relación de velocidad (Speed Ratio). Es la relación o el cuociente entre la corriente de fusión a 0.1 segundos y la corriente de fusión a 300 segundos. Para corrientes superiores a 100 Amp. nominales, se reemplaza la corriente de 300 seg. por la de 600 seg. Este concepto es muy utilizado por la norma ANSI C37.42, 43 para fusibles de expulsión de AT.
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4.3.5. Temperatura ambiente. Esta característica se refiere a la temperatura del aire que rodea inmediatamente al fusible (según la NCh2025/1, aproximadamente a 1 metro de distancia) y no debe confundirse con la temperatura del medio ambiente. La temperatura ambiente del fusible es considerablemente alta en algunos casos, debido a que puede estar montado en el interior de un panel de protecciones, o cerca de un componente que disipe mucho calor como resistencias, transformadores, etc. La temperatura del ambiente tiene incidencia en los tiempos de fusión del fusible y se debe tomar en cuenta sobre los 40º C y bajo los 10º C, aunque la norma chilena NCh2025/1, indica que la temperatura promedio en un período de 24 horas no debe ser superior a 35 º C, y el valor mínimo del aire ambiente debe ser –5 º C. 4.3.6. Reducción de la capacidad nominal (DERATING). Para una temperatura ambiente de 25ºC, se recomienda que los fusibles deben trabajar a no más del 75% de su corriente nominal establecida usando las condiciones controladas de prueba. En algunos casos es necesario efectuar algunas modificaciones para evitar las variaciones de la capacidad nominal, por ejemplo el uso de porta fusibles cerrados, grandes resistencias de contacto, circulación de aire y cambios en el diámetro y el largo de los cables conectores. 4.4. Información general de fusibles suministrada por el fabricante. La información técnica relacionada con un fusible, proporcionada por el fabricante, debe ser lo más clara y completa posible para facilitar una correcta comunicación con el usuario. De esta información dependerá el uso correcto de dichos elementos de protección, y de no ser exacta puede ocasionar gastos innecesarios y daños a componentes y equipos del circuito eléctrico. Esta información está referida a los puntos mencionados a continuación.
1. Corriente Nominal (In). 2. Voltaje Nominal (Vn). 3. Capacidad de Ruptura (Irup.) 4. Tipo de corriente (AC o DC) 5. Frecuencia. 6. Clase. 7. Tipo de Fusión. 8. Normas. 9. Curvas de operación.
4.4.1. Curva característica de corriente en función del tiempo. Una curva característica de tiempo-corriente para un fusible específico, generalmente se muestra como una línea continua que representa el tiempo en segundos, que tarda el fusible en interrumpir una determinada sobrecorriente. Estas curvas son representadas en papel logarítmico para facilitar su lectura. Los valores de la corriente se indican el eje de las abcisas (x), incrementándose de izquierda a derecha, y en la ordenada (y) se muestra el tiempo de operación que generalmente comienza en 10 mili segundos (1/2 ciclo a 50 Hz), aumentando su valor desde abajo hacia arriba.
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Existen dos tipos de curvas que indican la característica tiempo-corriente, donde el factor común en ambas es la corriente. La primera y la más común es la curva de Pre-arco (melting), donde el eje “y” indica el tiempo que el fusible tarda en alcanzar la temperatura de fusión del elemento fusible. La segunda curva corresponde al tiempo total de despeje del fusible (total clearing). Los tiempos indicados por esta curva, comprenden el tiempo de pre-arco y el de arco, es decir, el tiempo total que tarda el fusible en interrumpir la sobrecorriente. Para interpretar una curva de operación de un fusible, se puede empezar la lectura por medio el eje de corriente para conocer el tiempo de operación, o a partir del eje de tiempo para determinar la cantidad de corriente en amperes, y solamente hay que interceptar la curva del amperaje nominal del fusible en cuestión para luego dirigirse hacia el eje de la variable a conocer. En la figura 4.4.1 se muestra una familia de curvas de operación para distintos amperajes. Si se desea conocer el tiempo que tarda en operar un fusible de 30 A, para una corriente de 150 A (punto A), hay que interceptar la curva (punto B) para obtener el tiempo en el eje ordenado (punto C), el cual corresponde a 10 segundos. Ahora si se requiere conocer la corriente de operación para un tiempo de 0.1 segundos (punto D), hay que interceptar la curva (punto E) y luego obtener la lectura en el eje de las abcisas, el cual indica una corriente de aproximadamente 300 A.
Fig. 4.4.1. Diagrama explicativo de las curvas tiempo-corriente. 4.4.2. Corriente Presunta en Función de la Corriente de Corte. Los fusibles limitadores tienen la capacidad de interrumpir severas corrientes de cortocircuitos dentro del primer semiciclo después de ocurrida la falla, reduciendo considerablemente la corriente de falla disponible a un valor mucho menor. Este efecto de limitación de corriente es graficado en las curvas de limitación. En el eje de las abcisas se representa la corriente de falla disponible simétrica R.M.S. en amperes, y en el eje ordenado se representa el peak de corriente instantáneo disponible y el peak de la corriente limitada por una cierta cantidad de fusibles ordenados por su corriente nominal. Del gráfico 4.4.2 es posible deducir que el peak de corriente instantáneo es aproximadamente 2.3 veces la corriente de falla disponible, y según la información
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suministrada por los fabricantes, la relación 2.3:1 se da para circuitos que generan corrientes de cortocircuitos con un factor de potencia del 15%, es decir en una condición desfavorable para el despeje de una falla.
Fig. 4.4.2. Diagrama explicativo de las curvas de limitación. Para comprender mejor las curvas de limitación, se tomará el siguiente ejemplo: En un determinado circuito eléctrico, dispone de una corriente de falla de 30.000 Amp. simétricos. Además, el sistema se encuentra protegido por un fusible limitador de 100 Amp. Con éstos datos es posible determinar a qué valor de corriente es limitado el peak de corriente instantáneo según la figura 4.4.2. Según el procedimiento indicado anteriormente, el primer paso es ubicar la corriente disponible de 30.000 amperes en el eje de las abcisas. Prolongando una línea imaginaria hasta interceptar la recta principal A-B, para luego efectuar una lectura en dirección del eje ordenado, se determina el peak de corriente instantáneo, el cual alcanza aproximadamente una corriente de 80.000 amperes. Haciendo el mismo procedimiento anterior, pero ahora interceptando la curva de limitación del fusible de 100 amperes, el eje ordenado indicará la corriente que el fusible es capaz de limitar según las condiciones del circuito, y ésta alcanza el valor aproximado de 8.000 amperes. Interpretando los valores obtenidos de la curva de limitación, se puede decir que el fusible de 100 amperes reduce peak de corriente instantáneo durante la falla desde 80.000 amperes hasta 8.000 amperes. Dicho valor de corriente de limitación es menor que la mitad del peak de corriente instantáneo, y como la fuerza electromagnética creada por el flujo de la corriente de falla es en función del peak de corriente al cuadrado, el fusible limitador reduce estos esfuerzos electromagnéticos a menos de ¼ del total que podría suceder en la ausencia del fusible.
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4.4.3. Corrección por Temperatura Ambiente. La temperatura ambiente referida en este análisis, es la temperatura del medio que rodea y que normalmente está en contacto con el fusible. Este medio generalmente es el aire. Las pruebas efectuadas en los fusibles, generalmente se realizan en un medio ambiente con temperatura de 25º C. Sin embargo, estos dispositivos de protección se ven afectados por la temperatura del medio que los rodea, cambiando su comportamiento de tiempo de operación frente a una determinada corriente. En algunos casos, la temperatura ambiente suele ser muy extrema, como en el caso de fusibles montados en gabinetes cerrados o cerca de componentes que producen mucho calor, como resistores o transformadores. Gráficos como el de la figura 4.4.3, permiten determinar el porcentaje de la corriente nominal de un fusible producto de la variación en la temperatura ambiente. Por ejemplo, un fusible lento de 10 Amp. que trabaja en una temperatura ambiente de 50º C, se comporta como uno de 9 Amp.
10
30
50
70
90
110
130
-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140
Temperatura Ambiente ºC
% C
orrr
ient
e no
min
al a
25º
C
Fusible LentoFusible Rápido
Fig. 4.4.3. Gráfico del efecto de la temperatura ambiente sobre la capacidad de transporte de corriente de un fusible rápido y lento.
4.4.4. Corrección por Carga previa o Carga Inicial. Al igual que otros dispositivos de protección, como relés e interruptores automáticos, la operación de un fusible dependerá además de la cantidad de corriente que lo está circulando en el momento de la falla, es decir, si el dispositivo está conduciendo una corriente inferior, igual o superior a la nominal especificada en su etiqueta. La curva de operación para un fusible, se verá desplazada dependiendo del porcentaje de la corriente nominal. Un fusible de 100 A trabaja permanentemente con corriente de carga de igual magnitud, según el gráfico de la figura 4.4.4, los tiempos de operación se reducirán en un 80%.
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250
Corriente carga en % In
Tiem
po e
n %
tiem
po fu
sión
In > 100 Amp.
In < 100 Amp.
Fig. 4.4.4. Curvas de corrección por carga previa.
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4.4.5. Corrección por Altitud. Las normas IEC 269-1, BS 88 parte 1 y NCh 2025 para fusibles de baja tensión, establecen que la altitud máxima de utilización es de 2000 metros sobre el nivel del mar. La norma ANSI / NEMA publicación FU 1, establece una altitud máxima de utilización de 3030 metros. La norma IEC publicación 292-1 para fusibles de alta tensión, indica que la altitud máxima de operación es 1000 metros. Si las características dieléctricas del fusible no varían sobre los 1000 metros, el nivel de corriente y el aumento de la temperatura pueden ser corregidas para altitudes mayores. Para ello, es necesario aplicar los factores de corrección indicados en la tabla siguiente.
Tabla 4.4.5. Factores de corrección por altitud Altitud
Máxima (m) Factor de corrección
para nivel de corrienteFactor de corrección
para temperatura 1000 1.0 1.0 1500 0.99 0.98 3000 0.96 0.92
Para explicar el factor de corrección para la corriente nominal de un fusible de alta tensión, se supondrá el siguiente ejemplo: Se dispone de un fusible DELTA modelo IRKV-123 / 10 T 24, para ser montado en una zona con una altitud de 3.000 metros sobre el nivel del mar. Un fusible de 10 amperes, curva lenta, opera con 5 veces In (50 Amp.) en un tiempo de 10 segundos. Aplicando el factor de corrección para 5 x In, a una altitud de 3.000 metros, se obtiene una corriente de 48 amperes, es decir, el fusible se comporta como uno de menor amperaje y por lo tanto su tiempo de real de operación se hace más corto. 4.5. Clases de fusión en los fusibles. El tipo de fusión es otra característica importante a considerar en la elección de un fusible y dependerá de los tipos de cargas conectadas al circuito que se desea proteger, ya sean reactivas (motores, transformadores, condensadores), resistivas o circuitos electrónicos (semiconductores). Las normas internacionales referentes a fusibles, americanas (ANSI / UL) y europeas (BS88, IEC), han creado sus propios estándares para clasificar a los fusibles según su aplicación, designaciones físicas y parámetros eléctricos. Ultra Rápidos (aR, gR) Rápidos Rápidos (gL, gL/gG) Clasificación General de los Fusibles según velocidad de respuesta Muy Lentos (de respaldo, aM) Lentos Lentos (10 seg con 5·In, norma UL) Lentos (12 seg con 2·In, norma UL) A los fusibles Rápidos, comúnmente en se les designa con las expresiones Flink, One Time, Quick-Acting, class H, etc.). Los fusibles Ultra Rápidos se les designa como Super Flink, High Speed, Very Fast Acting, Semiconductor, FF, clase S, etc.). Los fusibles Lentos se pueden encontrar designados como Träge, Time Delay, Slow Blow, Time-Lag, clase TT, clase T, etc.
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La norma IEC ( International Electrotechnical Commission) creó un código para distinguir a los fusibles formado por solamente dos letras, siendo minúscula la primera y mayúscula la restante. Dicho código se encuentra en la publicación IEC-269-1 Cláusula 5.7. La Primera letra define el régimen operativo del fusible, ya sea sobrecarga, cortocircuito o ambos. g = Indica que el fusible interrumpe toda clase de corrientes (sobrecargas y cortocircuitos). a = Indica que el fusible es capaz de interrumpir solo corrientes de cortocircuitos. La segunda letra define la categoría de utilización del fusible, o el equipo a proteger. G = Indica que el fusible protege líneas y aparatos en general. L = Indica que el fusible protege líneas y aparatos en general (norma DIN, VDE). M = Indica que el fusible protege Motores. Tr = Indica que protege Transformadores. C = Indica que protege a condensadores y circuitos capacitivos. R = Protege semiconductores de potencia, rectificadores y circuitos electrónicos. B = Indica que es aplicable en la minería. Por ejemplo: gG = Fusible con capacidad para interrumpir todas las corrientes en uso general. gL = Fusible para uso general. Se utilizan en la protección de líneas, estando diseñada su curva de fusión para una respuesta lenta en las sobrecargas, y rápida frente a los cortocircuitos. gM = Fusible con capacidad para interrumpir todas las corrientes para uso en motores. gTr = Protegen a los transformadores contra sobrecargas y cortocircuitos, sin limitar su capacidad de carga, además soportan las corrientes típicas de los sistemas de distribución. gC = Protegen a condensadores contra sobrecargas y cortocircuitos. gB = Fusible especialmente desarrollado para su utilización en minas donde los cables son muy largos. Actúa en un corto tiempo, evitando así el calentamiento excesivo del cable. aM = Fusible con capacidad para interrumpir parte de las corrientes y uso en motores. Protegen contra altas sobre intensidades hasta su poder de corte nominal, y deben asociarse a dispositivos de protección térmica contra pequeñas sobre intensidades. aR = Fusible que protege a semiconductores contra corrientes muy intensas como cortocircuitos. gR = Fusible que protege a semiconductores contra sobrecargas y cortocircuitos.
Fig. 4.5a. Gráfico comparativo curvas de operación fusible gL y aM.
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La norma IEC-127-2, clasifica a los fusibles de vidrio según la siguiente manera: • Fusibles (5 mm · 20 mm) de Acción Rápida (Quick-acting) de Alta Capacidad de
ruptura.
Tabla 4.5a. 2.1·In 2.75·In 4·In 10·In
Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Máximo 30 min. 10 mseg. 2 seg.* 3 mseg. 300 mseg. 20 mseg.
* Para valores de corriente de 4-5 y 6.3 A
• Fusibles (5 mm · 20 mm) de Acción Rápida (Quick-acting) de Baja Capacidad de ruptura. Tabla 4.5b.
2.1·In 2.75·In 4·In 10·In Corriente Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Máximo
32 a 100 mA 30 min. 10 mseg. 2 seg.* 3 mseg. 300 mseg. 20 mseg.Sobre 100 mA hasta 6.3 A 30 min. 50 mseg. 2 seg. 100 mseg. 300 mseg. 20 mseg.
• Fusibles (5 mm · 20 mm) de Acción Lenta con retardo de tiempo (Time-Lag) de Baja Capacidad de ruptura. Tabla 4.5c.
2.1·In 2.75·In 4·In 10·In Corriente Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo
32 a 100 mA 2 min. 200 mseg. 10 seg. 40 mseg. 3 seg. 10 mseg 300 mseg.sobre 100 mA hasta 6.3 A 2 min. 600 mseg. 10 seg. 150 mseg. 3 seg. 20 mseg. 300 mseg.
• Fusibles (6.3 mm · 32 mm) de Acción Rápida (Quick-acting) de Baja Capacidad de ruptura. Tabla 4.5d.
2.1·In 2.75·In 4·In 10·In Corriente Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Máximo
50 a 100 mA 20 seg. 2 mseg. 200 mseg. 1 mseg. 30 mseg. 5 mseg.Sobre 100 mA hasta 10 A 20 seg. 20 mseg. 1500 mseg. 8 mseg. 400 mseg. 80 mseg.
La norma IEC-269-2, clasifica a los fusibles gL y gLL tipo industrial en la Tabla 4.5e, y los tipo aM en la Tabla 4.5f. Límites de zona Tiempo (segundos) / Corriente (Amperes) para fusibles uso general gI y gLL.
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Tabla 4.5e. Fusibles gL y gLL. 3.15·In 6.3·In 12.5·In 25·In Corriente
Mínimo Máximo Mínimo Máximo Mínimo Máximo Máximo2 0.055 30 0.004 1 0.08 0.008 4 0.15 36 0.011 1 0.08 0.01 6 0.28 41 0.02 1 0.1 0.012 8 0.4 44 0.03 1.2 0.1 0.012
10 0.55 48 0.04 1.5 0.006 0.1 0.014 12 1 52 0.1 2 0.01 0.14 0.016 16 1.2 56 0.1 3 0.012 0.2 0.02 20 1.5 60 0.1 3 0.014 0.2 0.02 25 2.1 64 0.14 3 0.015 0.2 0.02
32(35) 3 70 0.2 3 0.02 0.2 0.02 40 3 70 0.2 3 0.02 0.2 0.02 50 3 70 0.2 3 0.02 0.2 0.02 63 3 70 0.2 3.15 0.02 0.2 0.02
gL
80 3 80 0.2 3.55 0.02 0.22 0.02 2 0.0085 0.27 0.016 4 0.016 1 0.04 0.004 6 0.033 12 0.55 0.37 8 0.04 14 0.04 0.6 0.04
10 0.06 16 0.7 0.044 12 0.55 17 0.037 0.8 0.05 0.003716 0.6 19 0.04 0.86 0.003 0.058 0.004 20 0.7 21 0.044 1 0.0031 0.065 0.004525 0.8 26 0.05 1.1 0.0037 0.07 0.005332 0.86 28 0.58 1.2 0.004 0.08 0.005740 1 55 0.065 2.1 0.0043 0.15 0.001 50 1.2 63 0.07 3 0.0053 0.2 0.02 63 1.2 71 0.08 3.15 0.0057 0.2 0.02
gLL
80 2.1 80 0.15 3.55 0.01 0.22 0.02 100 3 90 0.2 4 0.02 0.25 0.02 125 3.15 100 0.2 4.45 0.02 0.28 0.0225160 3.55 112 0.22 5 0.02 0.315 0.025 200 4 125 0.25 5.6 0.02 0.355 0.028 250 4.45 140 0.28 6.3 0.022 0.4 0.0315315 5 160 0.315 7.1 0.025 0.445 0.0355400 5.6 180 0.355 7.95 0.028 0.5 0.04 500 6.3 200 0.4 8.9 0.0315 0.56 0.0445630 7.1 315 0.445 16 0.0355 1 0.0795800 7.95 355 0.5 18 0.04 1.12 0.089
gL y
gLL
1000 8.9 400 0.56 20 0.0445 1.25 0.1
Tabla 4.5f. Fusibles aM. Veces In 4·In 6.3·In 8·In 10·In 12.5·In 25·In 50·In Máximo - 60 - - 0.5 0.04 0.009Mínimo 60 - 0.5 0.2 - - -
En general, los fusibles de acción lenta deben soportar 5 veces su corriente nominal durante un período de tiempo de 10 segundos, y debido a esto se utilizan para proteger y respaldar instalaciones que están protegidas por dispositivos automáticos y para motores. Los fusibles utilizados en control operan sobre los 12 seg. con 2 veces su corriente nominal.
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4.5.1. Fusibles de Doble Elemento. Estos fusibles con retardo de tiempo proporcionan un retraso del tiempo en niveles de sobrecargas los cuales eliminan la interrupción innecesaria del circuito debido a las sobrecargas inofensivas y a las condiciones transitorias. Esta beneficiosa característica de tiempo corriente, se obtiene con el uso de dos elementos fusibles conectados en serie (Figura 4.5.1), contenidos dentro de un mismo cuerpo, un elemento de corte por efecto térmico y otro elemento fusible rodeado con material de extinción de arco. La magnitud de sobre intensidad de corriente determina cuál elemento debe operar. El elemento de corte térmico es designado para abrir con sobrecorrientes aproximadamente superiores al 500% de la corriente nominal del fusible con un tiempo mínimo de 10 seg. El elemento fusible para cortocircuitos es designado para abrir con fuertes corrientes de cortocircuito para intensidades mucho mayor que su corriente nominal. El tiempo de apertura de un fusible depende del tipo de fusión y de la magnitud de sobre intensidad de corriente. Una condición de sobre corriente puede ser de naturaleza temporal, y ésta puede disminuir su valor hasta condiciones normales en un corto período. Los fusibles de doble elemento con retardo de tiempo son muy utilizados en variadas aplicaciones, circuitos de motores, transformadores y otros. Los fusibles limitadores sin retardo de tiempo son usados donde existen respuestas rápidas con pequeñas o sin sobrecargas. Una típica aplicación es para proteger interruptores de poder de posibles niveles grandes de cortocircuitos. Al comparar estos fusibles a 500 amperes, se puede deducir que el de doble elemento abre en 10 segundos y el que no tiene retardo de tiempo lo hace en 0.2 segundos. Para este nivel de corriente la relación es de 50 a 1. Para una corriente de 200 amperes la relación es de 20 a 1.
Fig. 4.5.1. Corte transversal de dos fusibles de doble acción con distintos sistemas de corte en sobrecarga.
Los fusibles Rápidos operan con 200 % la corriente nominal entre 1 a 5 segundos, y aproximadamente 20 mili segundos con 10 veces In, y los ultrarrápidos deben actuar con 5 veces su corriente nominal en un tiempo de 10 mili segundos (1/2 ciclo para frecuencia de 50 Hz). Esta cualidad limitadora los hace muy utilizados para proteger circuitos que incluyen semiconductores. 4.5.2. Fusible Limitador. Es un dispositivo de operación rápida, que no actúa con bajas corrientes. El fusible limitador solo actúa para proteger contra altas corrientes. Los modernos fusibles limitadores ofrecen protección contra corrientes de fallas antes de que éstas alcancen una magnitud que puedan ocasionar daños. Este fusible se utiliza comúnmente junto con otro dispositivo fusible para proteger en sobrecargas, las fallas de alto nivel de corriente son despejadas por el fusible limitador. Los dos fusibles son conectados en serie y están coordinados de manera que el fusible limitador de corriente solo actúa cuando existe falla de alta corriente.
62
0.01
0.1
1
10
100
1000
10 100 100 10000Amper
Segu
ndos Retardo de
tiepo 30A
Acción Rápida30A
0
Los fusibles limitadores también pueden restringir la corriente de cortocircuito antes de que se alcance el peack de corriente máximo, y puede despejar el circuito en la mitad de un ciclo o menos. El grado de corriente de limitación depende del tipo de fusible, de la corriente nominal del fusible, de la corriente disponible del circuito y de la impedancia de la red. Limitar el valor máximo de la corriente de falla, no solo es importante para la capacidad de ruptura del fusible, sino también para la rentabilidad de la instalación. Los fusibles limitadores generalmente se construyen con varias láminas fusibles en paralelo, las cuales tienen varias estricciones. El corte simultáneo de todas las filas dispuestas en la lámina fusible en el momento de la falla, debilita la formación del arco debido a que se subdivide en una serie de pequeños arcos parciales conectados eléctricamente en serie y paralelo, y con la acción del medio de extinción se asegura la desconexión rápida con una fuerte limitación de la corriente. En el gráfico de la figura 4.5.2 se puede observar la diferencia en los tiempos de operación de un fusible de acción rápida y otro con retardo de tiempo, ambos de 30 Amp., comparando sus respectivas curvas. Fig. 4.5.2a. Etiqueta fusible limitador.
Fig. 4.5.2b. Curva comparativa fusible con retardo de tiempo y uno de acción
rápida, ambos de 30 A. 4.6. Análisis Comparativo de Fusibles y otros Dispositivos de Protecciones Eléctricas. Como se mencionó en el capítulo I del presente estudio, el fusible ha estado protegiendo las instalaciones eléctricas desde hace más de 120 años. Durante todo este período de tiempo, la tecnología de las protecciones eléctricas ha creado muchos dispositivos cada vez más cómodos de utilizar, inteligentes y seguros en su accionamiento. Según esto, queda una gran interrogante que responder, ¿Porqué hasta la actualidad, la fabricación de los fusibles eléctricos continúa teniendo una gran demanda? Para contestar esta pregunta, primero se analizarán las virtudes que poseen los fusibles eléctricos en comparación con otros dispositivos electromecánicos o electromagnéticos de protección, algunas de las cuales se detallan a continuación.
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1.- Los fusibles no poseen partes móviles. Las contaminaciones por el medio que rodea a los fusibles, como el polvo, la humedad, aceites y gases, no influyen en sus características operativas ni afectan su calidad de protección. Los dispositivos de protecciones que poseen mecanismos internos de conexión se ven afectados por estos agentes, repercutiendo en su calidad de operación.
Fig. 4.6a. Vista interna de aparatos electromecánicos 2.- La velocidad de respuesta de un fusible fijo no está afectada por el paso del tiempo, manteniendo su habilidad de protección cuando se lo requiere. Las partes que componen estos mecanismos se van desgastando con el tiempo, producto de su respuesta ante corrientes de falla, o bien por el uso como interruptor para determinadas maniobras. Los fabricantes de éstos dispositivos estipulan un número máximo de maniobras de acuerdo a la durabilidad eléctrica o mecánica del aparato. 3.- El fusible no requiere de mantenciones periódicas ni recalibraciones, como las necesita un aparato electromecánico de protección.
Fig. 4.6b. Reconectadores con aisladores dañados por efectos de fallas y condiciones ambientales.
4.- La capacidad de limitación de corriente de un fusible fijo minimiza los daños de los componentes asociados al sistema protegido. Los efectos térmicos y electrodinámicos que producen las grandes sobre intensidades, quedan limitadas a un bajo valor debido a la rápida acción del fusible (Punto 2), minimizando así los daños en aislaciones y esfuerzos electrodinámicos en cables conductores, barras, aisladores y otros equipos.
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Cabe destacar que el elevado poder de ruptura de los fusibles está asociado a un volumen relativamente modesto del cuerpo y por consiguiente una mayor economía.
Fig. 4.6c. Daños en equipos eléctricos ocasionados por fuertes corrientes de falla. 5.- Las curvas de operación de los fusibles pueden ser fácilmente coordinadas de tal manera que una falla no provoque la interrupción de otros circuitos del mismo sistema. 6.- La alta capacidad de interrupción de los fusibles fijos de hasta 300.000 amperes, no tiene equivalencia en los fusibles automáticos. 7.- En caso de una falla los fusibles fijos se cambian, por tanto el sistema tendrá nuevamente su protección intacta y exacta, en cambio con fusibles automáticos podría estar resentido y no ser óptimo. 8.- El bajo costo de la inversión inicial de un fusible desechable comparado con un automático, lo hace lejos una mejor opción a pesar que la comodidad de este último lo hace muy atractivo en ciertas aplicaciones. Una de las diferencias más notables entre fusibles y dispositivos automáticos radica en sus curvas de operación en cuanto a la dispersión y la forma. Los fabricantes de fusibles, entregan curvas de valor medio de la zona, pero también curvas de mínimo y máximo.
Fig. 4.6d. Curva de operación interruptor magneto-térmico tipo B 10 A, y zona de operación fusible gL 10 A según norma IEC-269-2
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A diferencia de los interruptores tripolares, la actuación de los fusibles en una línea trifásica supone un problema, ya que con la fusión de uno de ellos se deja a la línea a dos fases, con los inconvenientes que ello conlleva. Pese a esto, los avances tecnológicos en el área de las protecciones, han permitido la implementación de modernos seccionadores trifásicos, los cuales permiten que frente a la operación de un fusible se interrumpan el resto de las líneas no falladas, evitando de esta manera que se produzcan desequilibrios en el sistema.
Fig. 4.6e. Interruptor Bajo Carga 24 kV con Fusibles HRC.
Es importante destacar que la norma IEC 282-1 para fusibles de alto voltaje, en la Sección 7 Cláusula 23.2, recomienda que en una falla se deben reemplazar los 3 fusibles, aún cuando exista uno de ellos sin operar, a menos que se conozca definitivamente que la sobrecorriente no haya circulado por éste. Los fusibles son elementos de reemplazo, en el caso de su operación se desechan y se substituyen por otros de iguales características. Quedan excluidos de esta característica los fusibles renovables, los cuales pueden ser reutilizados solamente cambiando el elemento fusible alojado en el interior del cuerpo. El proceso de reemplazo de fusibles quemados, por parte del personal encargado, debe ser lo bastante rápido para reducir las pérdidas de tiempo en una determinada faena productiva, por lo tanto la intervención en los fusibles debe ser de fácil acceso. Lamentablemente, la falta de conocimiento técnico en las personas en lo que respecta al reemplazo de fusibles, puede causar muchos riesgos para el personal, aparatos, equipos y las instalaciones debido a la facilidad en la intervención de los fusibles y para evitar la acción de reposición. En la actualidad se previene el intercambio de fusibles de distinto accionamiento con la incorporación de características de rechazo como ranuras, gorros u otros, que necesitan de un portafusible especial. Estos fusibles se conocen como clase R. A continuación se muestra claramente el uso y selección indebida de fusibles, demostrando que la aplicación de estos elementos de protección suele ser considerada sin darle la debida importancia. Las Figuras 4.6.f y 4.6g, describen una avería externa en la fase de la izquierda, debido a una mala conexión en el montaje de los cables. El calor desarrollado por esta alta resistencia en el extremo del fusible, podría provocar su operación innecesaria.
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Figura 3.27A Figura 3.27B
Fig. 4.6f. Fig. 4.6g. Un fusible sin retardo de tiempo (non-time delay) trabajando constantemente en condiciones de sobrecarga, puede estar disipando altas temperaturas por mucho tiempo sin que éste opere. El calor extremo irradiado hacia el medio tal como se muestra en las figuras 4.6h y 4.6i, provoca daños en la aislación de los cables y en los equipos cercanos.
Fig. 4.6h. Fig. 4.6i. 4.7. Coordinación Selectiva. Generalmente en los sistemas eléctricos, entre la fuente que proporciona la energía y el lugar de la instalación donde ocurre un defecto, suele haber varios aparatos de protección contra cortocircuitos. Con la finalidad de desconectar la zona afectada por una falla eléctrica, es necesario que los fusibles reaccionen rápidamente, seleccionando la zona y separándola del resto del sistema en el menor tiempo posible de manera que la perturbación no afecte al resto de la red.
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Para esto debe desconectar primero el fusible más cercano al lugar de defecto, y si por algún motivo este fusible no opera correctamente, debe actuar el siguiente que esté ubicado aguas arriba, y así sucesivamente. La coordinación entre fusibles se determina gráficamente mediante la comparación de sus respectivas curvas características de operación. Para ello, las curvas deben estar graficadas a la misma escala para facilitar su lectura y no deben cortarse ni ser tangentes. En general, para tener un buen grado de selectividad, debe existir una relación 2:1 entre las corrientes nominales de los fusibles que se desea coordinar. En el caso de sobrecargas y pequeñas intensidades de cortocircuito esta observación es más evidente que en los casos de intensidades muy grandes de cortocircuito, debido a que los tiempos de fusión son extremadamente cortos y solamente para esta condición es posible la selectividad en fusibles con una notable diferencia de valor nominal de la intensidad, tal como se muestra en la figura 4.7a, donde existe una separación de aproximadamente 100 segundos entre las curvas de los fusibles para una corriente de falla de 1000 A. Fig. 4.7a. Esquema con dos fusibles en conexión serie, uno de 100 Amp. nominales y otro de respaldo de 400 A.
Sin embargo para coordinar fusibles bajo condiciones adiabáticas es necesario hacer un análisis de las energías térmicas disipadas de pre-arco (Melting) y de despeje total (Total Clearing). Para garantizar completamente una buena coordinación entre fusibles bajo condiciones de cortocircuito, debe cumplirse que la energía disipada de pre-arco sumada a la energía de arco del fusible ubicado aguas abajo, debe ser menor que la energía disipada de pre-arco del fusible ubicado aguas arriba.
Fig. 4.7b. Gráfico de selectividad según i2t.
CAPÍTULO V
PRUEBAS Y NORMAS REFERENTES A FUSIBLES. 5.1. Medición de fusibles en laboratorio. La medición y control de los fusibles fabricados, es una etapa muy importante dentro del proceso de producción de fusibles puesto que deben cumplir con todas las exigencias para los cuales fueron fabricados según los requerimientos del cliente, de corriente, voltaje y tipo de fusión. En los controles de laboratorio, es de vital importancia comprobar el correcto funcionamiento de cada uno de los fusibles fabricados en la etapa de armado. Dichos controles determinarán si estos dispositivos de protección cumplen con las normas nacionales e internacionales, con las normativas internas de la fábrica, y además indicarán si los fusibles presentan indicios de errores en su fabricación. El laboratorio es el lugar físico de la fábrica donde se efectúan todos los ensayos de cada tipo y modelo de fusible. Dentro del laboratorio, existen rigurosas normas que deben cumplirse en el momento de efectuar los ensayos, de lo contrario, los datos arrojados por estos serán erróneos e incorrectos, lo que significaría volver a realizar el ensayo, o incluso, fabricar un pedido de fusibles que no cumplen con las normas y los requerimientos del cliente. La zona de mediciones y pruebas se compone de un sector de captura y análisis de parámetros. Esta operación se efectúa mediante un osciloscopio, un dispositivo cuenta ciclos computarizado y un sensor tipo tenaza conectado a un multímetro digital el cual está enlazado por medio de una interfase al computador.
Fig. 5.1a. La corriente del ensayo es registrada por el osciloscopio y el tiempo de
operación del fusible es capturado por un dispositivo que cuenta el número de ciclos de la señal.
Con este conjunto de instrumentos es posible visualizar la señal de corriente en forma permanente peak to peak.
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69
Fig. 5.1b. El programa DMM 506 y el osciloscopio.
La regulación de la corriente de prueba se realiza con la ayuda de unos reguladores de voltaje (Variac) que controlan la tensión del panel de pruebas en el cual se monta el fusible a ensayar.
Fig. 5.1c. Diagrama del circuito para análisis de datos en laboratorio.
El lugar donde físicamente se realizan los ensayos es el Panel de Pruebas, el cual está compuesto por un banco de transformadores que en conexión serie permite una corriente permanente de 300 Amp. y en conexión paralelo una corriente permanente de 1500 Amp. y máxima de 2000 Amp. Estos transformadores son de bajo voltaje en el secundario, por lo que los ensayos realizados determinan los tiempos correspondientes a la etapa de pre-arco (Melting Time).
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Fig. 5.1d. Banco de transformadores del panel de pruebas. El Panel de Pruebas, además se compone de un segundo variac, conectada su entrada con la salida del primer variac para obtener una mejor regulación del voltaje del panel, multímetros digitales para registrar el voltaje y la corriente de salida del variac, piezas portafusibles de distinto tamaño, formas y dimensiones para efectuar el montaje y un voltímetro con impresora el cual permite la medición del voltaje en los terminales de los fusibles. La corriente se mide con dos amperímetros digitales de iguales características, para asegurar la lectura. También es necesario verificar la frecuencia de la línea.
Fig. 5.1e. Imagen frontal del panel de pruebas.
Una vez descritas las partes que componen el laboratorio de pruebas, es importante describir el procedimiento normativo necesario para efectuar los ensayos y el proceso de control de calidad de los fusibles. Según la normativa interna implementada por la fábrica FUSELCO Ltda. en el laboratorio de pruebas, el procedimiento para el ensayo de los fusibles es el siguiente:
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1. Poner los variac 1 y 2 en posición 0, conectar la alimentación general y encender el voltímetro conectado a la salida del variac 1.
2. Verificar la desconexión del banco de corriente mediante su interruptor
principal. Preparar la conexión del banco. Preparar el montaje del fusible. 3. Probar la continuidad del fusible a ensayar. Montar el fusible. 4. Encender los instrumentos de medición de corriente. 5. Conectar los sensores y ajustar la escala conveniente. 6. Preparar el computador y ejecutar el programa de medición DMM 506. 7. Conectar el banco de corriente. 8. Ajustar a corriente nominal. Medir y registrar el voltaje en los terminales del
fusible y el voltaje del variac 2. 9. Desconectar el banco de corriente. Preparar el osciloscopio. 10. Determinar el voltaje del variac 2 para obtener corriente del ensayo. 11. Ajustar escala del sensor. Ajustar el reloj digital. 12. Preparar medición de corriente instantánea. 13. Conectar banco de corriente. 14. Realizar las mediciones. 15. Rearmar sistema de control de ensayo. Para el control de calidad de un grupo de fusibles ya fabricados, es necesario verificar que la potencia que consumen estos elementos de protección se mantenga dentro de los márgenes establecidos por la normativa interna. La norma NCh2025/1 establece que la potencia nominal disipada de un elemento de reemplazo es establecida por el fabricante, y este valor no debe excederse en las condiciones especificadas de ensayo. Para determinar los parámetros de potencia disipada y la resistencia interna que poseen los fusibles, la norma Fuselco dice que cada fusible fabricado es necesario someterlo a su corriente nominal durante 30 segundos de conexión. Al cabo de este período de tiempo, se mide y registra el voltaje en los terminales del fusible. Con este valor de voltaje, generalmente del orden de los mili volts, la corriente nominal y por medio de ley de Ohm, es posible determinar la potencia disipada y la resistencia interna que posee el dispositivo fusible fabricado. El valor de resistencia interna de los fusibles es de muy bajo valor (mili ohms), especialmente en los de bajo voltaje, es difícil efectuar su medición con ohmetro y aunque fuera posible, esta resistencia no sería la misma que presenta un fusible trabajando en condiciones nominales (resistencia en caliente). Es importante comprender que en el control de calidad, es probable que, no todos los fusibles probados de una misma serie, tengan la misma potencia o resistencia interna, y esto se debe a que en el proceso de fabricación, existen factores
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constructivos, como por ejemplo imperfecciones de materiales, defectos en láminas o soldaduras parcialmente terminadas, que originan lo mencionado anteriormente. Debido a esto, la norma Fuselco establece un margen de aceptación del voltaje medido en los terminales de cada fusible de ±10 %. Cualquier fusible medido fuera del margen establecido, es rechazado y debe ser revisado para eliminar el error en la fabricación. 5.2. Clasificación de fusibles según su tensión nominal. Un sistema eléctrico de potencia se puede dividir en varias etapas, las cuales utilizan diversos niveles de tensión para cumplir con sus funciones específicas. Dichos niveles de voltajes se pueden dividir en Baja Tensión, Media Tensión, Alta Tensión y Extra Alta Tensión. En Chile, los niveles de voltajes más comunes empleados en sistemas eléctricos son los siguientes:
MT y AT 2,4 - 3,3 - 4,16 - 6,6 - 12 - 13,2 13,8 - 15 - 23 - 33 - 44 KV
AT (superior a 1000 V) AT 66 - 110 - 154 - 220 KV EAT 500 KV Tensiones BT (hasta 1000 V) 220 - 380 - 550 - 690 Los fusibles encargados de proteger a los sistemas eléctricos en cada una de las etapas que lo componen, se dividen según su voltaje nominal de la siguiente manera: 5.2.1. Fusibles de Baja Tensión. Muchos tipos de fusibles para baja tensión son clasificados e identificados para ser usados en circuitos de 32, 125, 250, 300 y 600 volts. Según la norma chilena NCh2025/1.Of87, los fusibles de baja tensión son aquellos cuya tensión nominal no excede de 1000 volts en corriente alterna, o los 1500 volts en circuitos de corriente continua. 5.2.2. Fusibles de Media Tensión. El término “Media Tensión” es utilizado comúnmente por las personas para describir a los fusibles que operan en sistemas superiores a 600 volts. Lo cierto es que los fusibles para Media Tensión son aquellos que su tensión nominal está entre los 2,4 a 44 KV Ac.
Fig. 5.2.2. Fusible Delta Doble Cabezal modelo IRKV de 24.000 V.
5.2.3. Fusibles de Alta Tensión.
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Los Fusibles de Poder (Power Fuse), son aquellos cuyo voltaje nominal es superior a 44 KV Ac. Generalmente son tipo “expulsión” o llenados con Ácido Bórico.
Fig. 5.2.3a. Fusible de Expulsión General Electric 69.000 V. Su longitud es de 1,15
mts.
Fig. 5.2.3b. Power Fuse S&C 115.000 V. Su longitud es de 1,54 mts 5.3. Normas Nacionales e Internacionales referentes a Fusibles Eléctricos. Como se ha mencionado anteriormente, los fusibles eléctricos son dispositivos utilizados en todo el mundo. Los fabricantes de estos elementos de protección, deben regirse y respetar ciertas normas, las cuales indican los procedimientos que se ajustan a la forma como se debe realizar la fabricación. Además, estas normas indican las reglas que determinan las dimensiones, composición y demás características que han de tener estos dispositivos de protección. A continuación se mencionan algunas normas chilenas e internacionales aplicables a fusibles. NCh 4005.a74 Electrotecnia. Fusibles para Intensidades hasta 10
amperes. NCh 2025/1.Of87 Fusibles de baja tensión - parte 1: Requisitos
Generales. ANSI C37.43-1969 Specifications for distribution fuse links for use in
distribution enclosed, open and open-link cutouts. ANSI/UL 198 B,C,D,E,H Class Fuses. ANSI/NEMA FU 1-1986 Low Voltage Cartridge Fuses. ANSI C37.42-1981 Specifications for distribution cutouts and fuse links. BS88: Part 1:1975 Cartridge fuses for voltages up to and including
1000Vac and 1500Vdc. BS88 4265:1968 Cartridge fuse links for miniature fuse. IEC-127-2 Fuse-Links. IEC 269-2 Low-Voltage Fuses. IEC 282-1 High voltage fuses.
74
NEMA Type “2” Motor Starter Protection fuse guide. UL 198B Standard Safety. Sigla Organismo
IEC : International Electrotechnical Comisión.
ANSI : American National Standards Institute.
UL : Underwriters Laboratories Inc.
NEMA : National Electrical Manufacturers Association.
BS88 : British Standard.
75
5.4. Norma IEC 282-1 para fusibles de Media Tensión limitadores de corriente. Los requerimientos de esta norma son aplicables a aquellos fusibles de alto voltaje limitadores de corriente, para ser usados en interior y exterior en sistemas de corriente alterna de 50 y 60 Hz con voltajes superiores a los 1000 volts. Existen dos clases de fusibles limitadores de acuerdo a los rangos que pueden ser usados: Fusibles de Respaldo (Back-Up Fuses) y Fusibles para uso General (general-purpose). Los fusibles de respaldo son capaces de interrumpir bajo condiciones específicas de uso y comportamiento, todas las corrientes desde la máxima capacidad de ruptura hasta el valor mínimo de corriente de interrupción. Generalmente, estos fusibles deben ser asociados a otros aparatos que interrumpen en sobrecarga, como relés y switch. Los fusibles limitadores para uso general (general porpuse) son capaces de interrumpir, bajo condiciones específicas de uso y comportamiento, todas las corrientes desde la máxima capacidad de ruptura, hasta la corriente que causa la fusión del elemento fusible en 1 hora. Los valores de corriente nominal en amperes y los niveles de corriente de interrupción en kilo amperes de un fusible, pueden ser seleccionados de la serie R 10. Para casos especiales, existen valores adicionales que pueden ser seleccionados de la serie R 20. La serie R 10 comprende los números 1 - 1.25 - 1.6 - 2 - 2.5 - 3.15 - 4 - 5 - 6.3 - 8 y los múltiplos de 10. La serie R 20 abarca los números 1 - 1.12 - 1.25 - 1.40 - 1.6 - 1.8 - 2 - 2.24 -2.5 - 2.8 - 3.15 - 3.55 - 4 - 4.5 - 5 - 5.6 - 6.6 - 7.1 - 8 - 9 y los múltiplos de 10. Los voltajes nominales para fusibles pueden ser seleccionados de la siguiente tabla: Tabla 5.4a.
Serie I (kV)
Serie II (kV)
3.6 2.75 7.2 5.5 12 8.25
17.5 15 24 15.5 36 25.8
40.5 38 52 48.3
72.5 72.5 Las distintas formas y dimensiones que normaliza la IEC 282, se muestran en las figuras siguientes.
76
Fig. 5.4a. Fusibles norma IEC 282 Delta Chile, IRKV (izquierda) e IRQV-192. Tabla 5.4b. Dimensiones para fusibles
tipo I. Tabla 5.4b. Dimensiones para fusibles
tipo II.
Fig. 5.4b. Fusible Limitador de corriente para AT de conexión apernada.
Tabla 5.4b. Dimensiones para fusibles de conexión apernada. ø A
(max.) ø C1
(max.) ø C2
(max.) E
F
H (max.)
G
Terminales
80 80 81 235 259 200 42 + 2 Fig. A 305 340 264 42 + 2 Fig. B 419 464 369 41 + 2 Fig. D
82 82 91 235 277 205 Fig. A 267 309 227 Fig. C 305 347 269 Fig. B-C 320 362 280 Fig. C 400 442 360 Fig. C 419 464 375 Fig. D 476 518 436 Fig. C 553 595 517
Fig. B
ø A B ø C2 (min.)
ø C1 y C2(max.) D
45 33 50 88 192 292 367 442
537 55 + 0,5 35 + 1 60 80 450
ø A + 0,5 B
ø C1 (max.)
ø C2(max.) D1
25.4 15 28 28 145 197 256
50.8 38 54 55.6 275 361 567 916
63.5 38 67 68 256 361
76.2 38 80 81 256 361 567 916
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5.5. Fusibles de Rango R para Media Tensión. Estos fusibles son empleados para rangos de voltajes normalizados de 2400, 4800 y 7200 V AC, con la finalidad respaldar y proteger motores de media tensión y equipos de control, ya que poseen un alto grado de interrupción de las corrientes de cortocircuito.
0.01
0.1
1
10
100
100 1000 10000 100000AMPERES
SEG
.
2R 3R 4R 5R 6R 9R 12R 18R 24R 36R
Según la norma ANSI C37.46, los fusibles pueden ser designados como rango R si son capaces de interrumpir todas las corrientes entre los rangos mínimos y máximos de interrupción, y además, estos fusibles deben fundir en un rango de 15 a 35 segundos a un valor de 100 veces el rango R. Tabla 5.5.
Rango R
Corriente Amperes
2R 70 3R 100 4R 130 5R 150 6R 170 9R 200
12R 230 18R 390 24R 450 36R 650
Fig. 5.5a. Curvas de operación de fusibles rango R.
Fusibles de Media Tensión para respaldo Motores Rango "R" en 4800 V
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 2 4 6 8 10 12 14
Rango "R"
Am
per
Tiempo 15 a 35 seg.
Fig. 5.5c. Fusible rango R modelo
IQV-351.Fig. 5.5b. Gráfico de corriente – rango R,
para un tiempo de fusión de 15 a35 segundos.
78
5.6. Norma ANSI C37.42, 43 Fusibles de Expulsión. La norma ANSI C37.42, 43 especifica los estándares de fabricación para fusibles de distribución de alta tensión (sobre 600 volts), para ser utilizados en ambiente cerrado y abierto. El fusible de Alta Tensión tipo cabeza y cola, modelo CX según Delta Chile, fabricado para rangos de voltaje de 15 a 25 kV, es el dispositivo de protección más empleado para proteger las redes de distribución primaria, debido la confiabilidad de operación y su bajo costo comparado con otros dispositivos de protección. El montaje del conjunto fusible y el equipo portafusible, se realiza generalmente en lugares elevados del sistema de distribución primaria, y cuando opera por una corriente elevada, queda suspendido por el contacto inferior de la pieza portafusible, proporcionando una indicación visual de su operación. Además cumple una función protectora y de maniobra para seccionar una determinada línea. La expulsión que produce la caída de la pieza portafusible es causada por la presión que ejerce un resorte propio del bastón portafusible, el cual logra mantener un cierto grado de tensión mecánica sobre el elemento fusible. En el momento del corte, se pierde la tensión mecánica y el resorte aleja las partes derretidas del elemento fusible, logrando aumentar el recorrido del arco junto con su resistencia, para finalmente interrumpir la corriente cuando ésta pasa por cero. La norma ANSI indica que el fusible debe ser capaz de soportar una tensión mecánica de 10 libras (4,5 Kg.) sin sufrir daño en ninguna parte. La forma y las dimensiones que tienen estos fusibles, se muestran en la figura y la tabla siguiente.
Fig. 5.6a. Fusible de expulsión tipo CX.
Fig. 5.6b. Detalle del sistema de expulsión.
Tabla 5.6a. Dimensiones de los fusibles de expulsión tipo CX.
DIMENSIONES (mm) Modelo A B C CX-40 600 12.7 19.1 CX-41 600 19.1 CX-42 600 25.4
CX-178 600 12.7 19.1 RANGO DE VOLTAJE Largo total del fusible (mm)
Hasta 15 kV 533 hasta 25 kV 584 hasta 46 kV 787 hasta 72 kV 1016
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Los modelos de fusibles CX-40 son de cabeza fija, y los modelos CX-41, CX-42 y CX-178 son de cabeza atornillada con hilo de ¼” x 28 hilos por pulgada. Estos fusibles se encuentran en tipo K, el cual corresponde a una fusión rápida, y el tipo T a una fusión lenta. Cada rango de fusión tiene sus tiempos límites estandarizados por la norma ANSI. La característica de tiempo-corriente de pre-arco satisface los valores de corriente mínima y máxima necesaria para fundir el elemento fusible en tres puntos, a 300 segundos para fusibles de 100 amperes y menores, y 600 segundos para fusibles de 140 y 200 amperes, el segundo tiempo corresponde a 10 segundos, y el tercero a 0.1 segundos. Los fusibles curva K poseen relaciones de velocidad para la característica tiempo de pre-arco y corriente, que varían desde 6 a 8.1 para corrientes nominales entre 6 a 200 amperes nominales. Tabla 5.6b. Rangos de fusión para fusibles CX, curva K.
I nominal Amperes
Mínimo 300 seg.
Máximo 300 seg.
Mínimo 10 seg.
Máximo 10 seg.
Mínimo 0.1 seg.
Máximo 0.1 seg.
Relación develocidad
1 2 2.4 10 58 2 4 4.8 10 58 3 6 7.2 10 58 6 12 14.4 13.5 20.5 72 86 6.0 8 15 18 18 27 97 116 6.5
10 19.5 23.4 22.5 34 128 154 6.6 12 25 30 29.5 44 166 199 6.6 15 31 37.2 37 55 215 258 6.9 20 39 47 48 71 273 328 7.0 25 50 60 60 90 350 420 7.0 30 63 76 77.5 115 447 546 7.1 40 80 96 98 146 565 680 7.1 50 101 121 126 188 719 862 7.1 65 128 153 159 237 918 1100 7.2 80 160 192 205 307 1180 1420 7.4
100 200 240 258 388 1520 1820 7.6 140 310 372 430 650 2470 2970 8.0 200 480 576 760 1150 3880 4650 8.1
Los fusibles curva T poseen relaciones de velocidad para la característica tiempo de pre-arco y corriente, que varían desde 10 a 13 para corrientes nominales entre 6 a 200 amperes nominales. Tabla 5.6c. Rangos de fusión para fusibles CX, curva T.
I nominal Amperes
Mínimo 300 seg.
Máximo 300 seg.
Mínimo 10 seg.
Máximo 10 seg.
Mínimo 0.1 seg.
Máximo 0.1 seg.
Relación develocidad
1 2 2.4 11 100 2 4 4.8 11 100 3 6 7.2 11 100 6 12 14.4 15.3 23 120 144 10.0 8 15 18 20.5 31 166 199 11.1
10 19.5 23.4 26.5 40 224 269 11.5 12 25 30 34.5 52 296 355 11.8 15 31 37.2 44.5 67 388 466 12.5 20 39 47 57 85 496 595 12.7 25 50 60 73.5 109 635 762 12.7 30 63 76 93 138 812 975 12.9 40 80 96 120 178 1040 1240 13.0 50 101 121 152 226 1310 1570 13.0 65 128 153 195 291 1650 1975 12.9 80 160 192 248 370 2080 2500 13.0
100 200 240 319 475 2620 3150 13.1 140 310 372 520 775 4000 4800 12.9 200 480 576 850 1275 6250 7470 13.0
80
5.7. Norma BS 88 para fusibles de voltajes menores o iguales a 1000 V ac y 1500 V dc. Los requerimientos de la norma BS 88 parte 2, son aplicables a aquellos fusibles del tipo “Desechable”, previstos para la protección de circuitos de corriente alternada cuyos niveles de voltajes no sean superiores a los 1000 volts, y también para los circuitos dc hasta 1500 volts, y que poseen una capacidad de ruptura de 2000 A o mayor. Esta norma es aplicable a los fusibles de dimensiones estandarizadas y de aplicación industrial que no incorporan dispositivos de indicación integrado. Los niveles de corrientes preferidas por la norma BS 88, son los siguientes: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250 amperes. La British Standard, normaliza a los fusibles con una forma denominada “bolt-in” o “bolted connection” (conexión apernada). En la tabla 5.7a se muestran sus dimensiones y la potencia máxima disipada. Tabla 5.7a. Fusibles para conexión apernada, referencias A, B, C y D
Dimensiones Fusible Ref. In
Pot. máx. Disip.
a max.
b max.
d max.
e max.
f min. max.
g max.
h max.
j max.
k max.
l max.
m max.
A W mm mm Mm mm mm mm mm Mm mm mm mm mm A1 20 3 36.5 14.5 56 11.2 0.8 1.5 44.5 4.2 5.5 14.5 - 36.5 A2 32 2.75 57 24 86 9.2 0.8 1.5 73 5.5 7 25.5 - 60 A3 63 7.75 58 27 91 13 1.2 1.6 73 5.5 7 28 - 61 A4 100 10.5 70 37 111 20 2.4 3.2 94 8.7 9.5 38.5 - 74 B1 100 10.5 70 37 138 20 3.2 4 111 8.7 11 - - 82 B2 200 22 77 42 138 20 3.2 4 111 8.7 11 - - 82 B3 315 32 77 61 138 26 3.2 4.8 111 8.7 11 - - 82 B4 400 40 83 66 138 26 4.8 6.6 111 8.7 11 - - 89 C1 400 40 83 66 212 26 4.8 6.6 133 10.3 11 - 25.4 95 C2 630 55 85 77 212 26 6.3 7.8 133 10.3 11 - 25.4 95 C3 800 70 89 84 212 39 9.5 11.1 133 10.3 12.5 - 25.4 101 D1 1250 100 89 102 200 64 9.5 12.7 149 14.3 16.5 - 31.8 95 Las figuras 5.7a muestran en una gran variedad los distintos tipos de fusibles tipo “bolt-in” de montaje apernado, normalizados por la British Standard.
81
Fig. 5.7a. Fusibles de conexión apernada.
Fig. 5.7b Fusible Delta Chile ZR-78 según norma BS 88-2. Los requerimientos de la norma BS 88 parte 4, son aplicables a aquellos fusibles del tipo “Desechable”, previstos para la protección de circuitos de corriente alternada cuyos niveles de voltajes no sean superiores a los 1000 volts. Esta norma es aplicable a los fusibles de dimensiones estandarizadas y de aplicación en equipos que contienen dispositivos semiconductores. Las distintas formas que poseen los fusibles BS 88 con sus dimensiones se muestran en las figuras 5.7c, d, e, f, g y h junto con sus respectivas tablas.
Fig.5.7c. Forma de los fusibles de cuerpo simple norma BB 88-4 para la protección
de semiconductores.
82
Tabla 5.7b. Dimensiones para fusibles de cuerpo simple. Voltaje In A
Max. B
Max. D
Max. E
Nom. F
Nom. G
Nom. H
Nom. J
Min. K
Max. Unidad Mm/in
29 8.7 47.6 6.4 0.8 38 4 4.8 8.8 mm 240 20 1 1/8 11/32 1 7/8 ¼ 1/32 1 ½ 5/32 3/16 11/32 in 55 8.7 75 6.4 0.8 64.3 4 4.8 8.8 mm 600 20 2 5/12 11/32 2 15/16 ¼ 1/32 2 17/32 5/32 3/16 11/32 in
29.2 17.7 58.4 12.7 2.4 41.8 6.4 7.9 19.1 mm 240 175 1 5/32 11/16 2 5/16 ½ 1/32 1 5/8 ¼ 5/16 ¾ in 50.6 17.7 79.8 12.7 2.4 63.5 6.4 7.9 19.1 mm 600 75 1 31/32 11/16 3 5/32 ½ 3/32 2½ ¼ 5/16 ¾ in 32.6 28 85 25.4 3.2 59 10.3 13 41.3 mm 240 350 1 9/32 1 ½ 3 11/32 1 1/8 2 5/16 13/32 17/32 1 5/8 in 60 38 114 25.4 3.2 85 10.3 13 41.3 mm 600 250 2 11/32 1 1/2 4 15/32 1 1/8 3 11/32 13/32 17/32 1 5/8 in
Fig. 5.7d. Fusible Delta Chile ZR-144 según norma BS 88-4.
Fig 5.7e. Forma de los fusibles de doble cuerpo norma BB 88-4 para la
protección de semiconductores.
Fig. 5.7f. Fusible Delta Chile ZR-170 según norma BS-88-4
Tabla 5.7c. Dimensiones para fusibles de doble cuerpo.
Voltaje Corriente Nominal
A Max.
B Max.
D Max
E Nom.
F Nom.
G Nom.
H Nom.
J Min.
K Max.
UnidadMm/In
48 37 95 32 1.6 70 8.7 10.3 19.1 mm 600 150 1 7/8 1 7/16 3 3/4 1 1/4 1/16 2 ¾ 13/32 3/4 3/4 in Fig. 5.7g. Forma de los fusibles de cuerpo simple norma BB 88-4 para la protección
de semiconductores.
83
Tabla 5.7d. Dimensiones para fusibles de doble cuerpo. Voltaje Corriente
Nominal A
Max. B
Max. D
Max E
Nom. F
Nom. G
Nom. H
Nom. J
Min. K
Max. UnidadMm/In
32.6 38 85 25.4 6.4 59 10.3 13 89 mm 240 500 1 9/12 1 1/2 3 11/32 1 1/4 2 5/16 23/32 23/32 3 ½ in 60 38 114 25.4 6.4 85 10.3 13 89 mm 600 500 2 11/32 1 1/2 4 15/32 1 1/4 3 11/33 13/32 13/32 3 ½ in
Fig. 5.7h. Fusible norma BS 88-4, Delta Chile código 2ZR-278 Los requerimientos de la norma BS 88 parte 5, son aplicables a aquellos fusibles de dimensiones estandarizadas y de aplicación en redes de suministro de electricidad. Las distintas formas con sus respectivas dimensiones se muestran en la figura y la tabla 5.7i.
Fig.5.7i. Forma de los fusibles con cuchillas tipo “L” y tipo “U”. Tabla 5.7e. Dimensiones de los fusibles con cuchillas tipo “L” y tipo “U”
Entrecentro fijado a 82 In A
Max. B
Nom. C
Max. D
MaxE
Max.F
Max.G
Nom.H
Nom.J
Nom.K
Max. L
Nom. M N Nom.
P Nom.
Q Nom.
400 112 82 61 25 36 48 19 17 14 35 2.4 6.53 6.45 13 10 3
Entrecentro fijado a 92
In A Max.
B Nom.
C Max.
D Max
E Max..
F Max.
G Nom.
H Nom.
J Nom.
K Max.
L Nom. M N
Nom.P
Nom.Q
Nom.
630 132 92 75 25 50 48 24 20 17 42 3.2 8.13 8.05 16 11 3
84
5.8. Norma UL 198 B para fusibles clase H. La norma americana UL 198 B, establece que los fusibles clase H son aquellos del tipo Renovables y no Renovables, identificados con un voltaje nominal de 250 o 600 volts, en un rango de corriente nominal hasta 600 A, y con una capacidad de ruptura hasta 10.000 A simétricos. Estos fusibles existen en forma “cilíndrica” (Ferrule-Type) en un rango de corriente que va desde 0-60 Amp. y también con forma de “cuchillo” (Knife-Blade-Type) en un rango de 61-600 Amp. El cuerpo puede ser de cerámica, fibra de vidrio, fibra vulcanizada dura u otro material que se demuestre por investigación que tenga resistencia a humedad, llamas, calor, y distorsión a las temperaturas propias del uso. La norma UL estipula que las dimensiones de los fusibles clase H de 250 y 600 V, deben estar de acuerdo a la figura 5.8a y la tabla 5.8a.
Fig. 5.8a. Fusibles clase H renovables Delta Chile código RQR-26, RQR-27, RQR-28, RQR-29 ( izquierda), y RNV-59 (derecha).
85
Tabla 5.8a. La norma UL señala que las muestras de fusibles deberán estar sujetas a las pruebas para verificar la Capacidad de Transporte y Temperatura. Un fusible debe ser capaz de conducir el 110 % de la corriente nominal indefinidamente. Cuando el fusible está conduciendo esta corriente permanentemente, no deben visualizarse desprendimientos de soldadura fundida en las conexiones, y la cubierta de material combustible no se quemará. 5.8.1. Pruebas de Fusibles clase H. 5.8.1.1. Prueba de la Capacidad de Transporte – se realiza con el 110% de In. Cuando un fusible está conduciendo esta corriente, no deben visualizarse trozos de soldaduras fundidas en el exterior del fusible, y el cuerpo fusible junto con la etiqueta, deben quedar intactas. Corriente – tiempo clearing - Se efectúa con el 500% In.
Se efectúa con el 200% In. Se efectúa con el 135% In.
Clearing al nivel de Voltaje - Se efectúa con el 200% In.
86
La Prueba de Interrupción en el Voltaje Indicado (Interrupting Test at Rated Voltaje), se realiza después de cada prueba de interrupción, el voltaje debe continuar en los terminales del fusible por un minuto después de la interrupción de la corriente. Durante este período de tiempo, no deberá existir ninguna realimentación o reestablecimiento de la corriente, y si llegara a existir evidencia de esto, el fusible deberá ser rechazado. 5.8.1.2. Temperatura. El aumento de temperatura disipada por un fusible clase H, no debe ser superior a los valores indicados en la tabla 5.8.1.2a, cuando el fusible transporta el 110 % de su corriente nominal en forma continua. Tabla 5.8.1.2a. Incrementos máximos de Temperatura aceptables.
Rango de corriente Alza de Temperatura sobre la Temperatura Ambiente
Amperes En el cuerpo En Terminales En Cuchillas 0 – 30 50º C 50º C - 31 – 60 50º C 50º C -
61 – 100 50º C - 50º C 101 – 200 50º C - 60º C 201 – 400 50º C - 65º C 401 – 600 50º C - 75º C
Un fusible clase H no-Renovable, puede ser designado como “time delay” (retardo de tiempo) solo si no interrumpe en menos de 10 segundos cuando lo circula una corriente de 500 % sobre la In. Los fusibles clase H tipo Renovable, no poseen retardo de tiempo. Los tiempos límites de interrupción (clearing), se muestran en la tabla 5.8.1.2b según el rango de corriente nominal. Tabla 5.8.1.2b. Corriente – Tiempo de despeje.
Rango de corriente Amperes
Tiempo máx. Despeje Aceptable
Tiempo mín. de Despeje para
fusibles con retardo de tiempo
0 – 30 135% In 200% In 500% In 31 – 60 60 min. 2 min. 10 seg.
61 – 100 60 min. 4 min. 10 seg. 101 – 200 120 min. 6 min. 10 seg. 201 – 400 120 min. 8 min. 10 seg. 401 – 600 120 min. 10 min. 10 seg.
10 seg.
87
5.9. Norma UL 198 C para fusibles clase G, CC, J y L. Los requerimientos de esta norma son aplicables a aquellos fusibles del tipo “no- Renovables”, limitadores del peak de corriente máxima y la energía total en Amp2seg, y que muestran su característica de limitación de corriente sobre el valor de corriente especificado. El cuerpo para esta clase de fusibles, puede ser de cerámica, melamina impregnada, fibra de vidrio o sus equivalentes. En la tabla 5.9 se muestran las distintas clases de fusibles y sus características eléctricas. Tabla 5.9. Clases de Fusibles y Rangos de corriente.
Clase de Fusible Voltaje AC Rango de corriente
Corriente máx. Interrupción Simétrica RMS
G 300 V o menor 0 - 60 100.000 A CC 600 V o menor 0 - 30 200.000 A J 600 V o menor 0 - 600 200.000 A L 600 V o menor 0 - 6000 200.000 A
5.9.1. Fusibles clase G. Son aquellos con forma de cartucho (Ferrule) del tipo no-Renovables, y existen en fusión normal y con retardo de tiempo. Sus terminales pueden ser de latón o cobre y deben ser de una sección circular tal como se muestra en la figura siguiente. Fig. 5.9.1. Fusibles clase G Delta Chile. De izquierda a derecha, QR-36, QR-37, QR-
38 y QR-39. Las dimensiones estipuladas por la norma UL para los fusibles clase G, se muestran en la tabla 5.9.1 según el voltaje y la corriente nominal. Tabla 5.9.1. Dimensiones de los fusibles clase G (mm)
Valor Largo total del fusible
Diámetro exterior máximo del cuerpo
Largo mínimo de las tapas
Diámetro exteriorde las tapas
Voltaje Corriente A B C D 300 0 - 15 33.3 9.5 7.1 10.31 300 16 - 20 36.7 9.5 7.1 10.31 300 21 - 30 41.3 9.5 7.1 10.31 300 31 - 60 57.1 9.5 7.1 10.31
88
5.9.2. Fusibles clase CC. Son del tipo cartucho no-Renovables, de sección circular y sus terminales son de cobre o latón. A diferencia de los fusibles clase H, estos poseen un diámetro menor en uno de sus terminales, con lo cual se evita que un fusible clase H o un clase G, reemplace a uno clase CC, y además el portafusibles tiene la forma donde calza el diámetro menor y así rechaza a los fusibles con terminales simétricos. La imposibilidad de que los fusibles clase H y G reemplacen a uno clase CC es muy importante, debido a que el primero posee una capacidad de ruptura máxima de 10 kA, el clase G interrumpe máximo 100 kA, mientras que uno clase CC tiene un poder de corte de 200 kA. Si un fusible clase H o G reemplazara a uno clase CC, crearía grandes riesgos para la instalación y el personal, ya que ante un cortocircuito, los fusibles clase H y G eventualmente podrían explotar debido a su inferior poder de corte. Fig. 5.9.2a. A la izquierda, un fusible tipo Midget (UL 198 G) y a la derecha uno clase
CC, ambos con sus respectivos portafusibles. La forma y dimensiones que poseen los fusibles clase CC, deben estar de acuerdo a la figura 5.9.2b y la tabla 5.9.2a.
Fig. 5.9.2b. Fusible clase CC Delta Chile código QR-227
89
Tabla 5.9.2a. Dimensiones de los fusibles clase CC.
Valor Diámetrode tapas
Largo de tapas
Largo de tapas
Largo del cabezal
Largo total
Diámetro del cabezal
Voltaje Corriente A B C D E F 600 0 – 30 10.29 9.53 9.53 3.18 38.1 6.35
Los fusibles clase CC y G deben interrumpir en los tiempos límites indicados en la tabla 5.9.2b, y además estas clases pueden ser marcadas con retardo de tiempo (time delay), solo si no interrumpen en menos de 12 segundos con el 200 % de su corriente nominal. Tabla 5.9.2b. Tiempo de despeje.
Tiempo máximo de despeje Tiempo mínimo de despeje para fusibles con retardo de tiempoRango de
Corriente 135% In 200% In 200% In 0 – 30 60 min. 2 min. 12 segundos
31 – 60 60 min. 4 min. 12 segundos Tal como se analizó en la primera parte del presente capítulo, en las pruebas de laboratorio, la potencia disipada se determina por medio de la medición al 100 % de la corriente nominal del fusible, de los mili volts en los terminales del fusible. La norma UL menciona que la lectura de voltaje debe hacerse cuando se obtenga una estabilidad de la temperatura externa del fusible. La potencia disipada por los fusibles clase CC y G, no deben exceder los valores indicados en la tabla 5.9.2c.
Tabla 5.9.2c. Potencia máxima Disipada.
Corriente Potencia al 100% In
15 A 2.5 W 20 A 3.0 W 30 A 4.0 W 60 A 7.0 W
90
5.10. Fusibles clase J. Los fusibles clase J existen en dos tipos, con forma de “cartucho” (Ferrule) los cuales deben ser de una sección circular, tal como se muestra en la figura 5.10a, y también con forma de “cuchillo” (Knife-Blade-Type) como la figura 5.10b. Sus terminales pueden fabricarse de latón o cobre. Los clase J de cartucho, se diferencian de los fusibles clase H y G por tener un mayor diámetro en sus terminales, lo cual origina la imposibilidad de intercambio con las clases ya mencionadas. Las dimensiones que poseen los fusibles clase J tipo cartucho y cuchillo, deben estar de acuerdo a las tablas 5.10a y 5.10b respectivamente.
Fig. 5.10.a. Fusibles clase J tipo cartucho.
Fig. 5.10.b. Fusibles clase J tipo cuchillo.
Tabla 5.10a. Dimensiones de los fusibles clase J tipo cartucho (mm) Largo Total
Largo mínimode tapas
Diámetro exterior del terminal
Rango de corriente nominal A B C
0 - 30 57.1 12.7 20.62 31 - 60 60.3 16.9 26.97
91
Tabla 5.10b. Dimensiones de los fusibles clase J tipo cuchillo (mm) Rango de corriente amperes
Largo total
Dist. Entre
centros Diám.Máx.
Anchocuchilla
Espesorcuchilla
Largo mín.
Cuchilla
Distancia Final Cuchilla hasta
centro de perforación
AnchoPerf.
LargoPerf.
Largocuerpo
61 - 100 117.5 92.1 28.8 19.05 3.18 25.4 12.7 7.14 9.52 66.7 101 - 200 148 111.1 41.3 28.58 4.78 34.9 17.5 7.14 9.52 76.2 201 - 400 181 133.4 54 41.28 6.35 47.5 23.8 10.32 13.49 85.7 4011 - 600 203.2 152.4 66.7 50.8 9.52 54 25.4 13.49 17.48 95.2
Un fusible clase J, interrumpe según los tiempos límites indicados en la tabla 5.8.1.2b (clase H), y puede ser marcado con retardo de tiempo si no interrumpe en menos de 10 segundos cuando lo circula una corriente del 500 % la corriente nominal. Además, esta clase de fusibles posee un alto grado de limitación de corriente.
Fig. 5.10c. Fusibles clase J Delta Chile código MV-255 (arriba) y QR-113 (abajo).
92
5.11. Fusibles clase L. Los fusibles clase L son del tipo “cuchillo” (Knife-Blade-Type), y se caracterizan por tener un voltaje nominal de 600 volts AC, y una corriente nominal que va desde 601 a 6000 A. Esta clase de fusibles puede tener diversos agujeros de montaje en sus terminales, tal como se muestra en la figura 5.11a, lo cual lo hace intercambiable con otros fusibles con los mismos agujeros de montaje, no así con otras clases. Esta condición no se cumple en el caso que se desea reemplazar un fusible por uno de menor corriente nominal, según los rangos de amperaje correspondiente a un mismo tamaño, tal como se indica en la tabla 5.11a. A los fusibles clase L, se les debe realizar una prueba de temperatura disipada, y se realiza con una corriente igual al 110 % de la corriente nominal, hasta lograr la estabilidad térmica. De acuerdo con esta prueba, el incremento de temperatura en los terminales del fusible, no debe ser superior a los 65 º C (117 º F). La forma y dimensiones que poseen los fusibles clase L, deben estar de acuerdo a la figura 5.11a y la tabla 5.11a. Tabla 5.11a. Dimensiones de los fusibles clase L (mm).
Rango de Corriente
Diámetro máximo
Ancho decuchilla
Espesor decuchilla
Largo total
601 – 800 54.3 50.8 9.5 219.1
8001 – 1200 70.6 50.8 9.5 273
1201 – 1600 77 60.3 11.1 273
1601 – 2000 89.7 69.8 12.7 273
2001 – 2500 127.8 88.9 19 273
2501 – 3000 127.8 101.6 19 273
3001 – 4000 146.8 120.6 19 273
4001 – 5000 181.8 133.4 25.4 273
5001 – 6000 181.8 146 25.4 273
Fig. 5.11a. Fusible clase L Delta Chile código
MV 430 de 2000 Amp.
93
Perforaciones
Fig. 5.11a. Forma de los fusibles clase 5.11.1. Pruebas de Fusibles clase CC, G, J y L. Para realizar las pruebas y ensayos, es necesario tener uncada prueba, y cada grupo debe tener un número dedependiendo del tipo de ensayo. Los tipos de ensayos necesarios para probar las distintasdeberán efectuar según la tabla 5.11.1 dependiendo de la cla
Perforaciones
L.
grupo de fusibles para terminado de fusibles
clases de fusibles, se se de fusible.
94
Tabla 5.11.1. Pruebas y ensayos realizadas a fusibles UL según la clase. Fusible Clase CC G J L
Capacidad de transporte - 110% In X X X X Temperatura X X X Corriente-Tiempo de despeje 200% In X X X X Corriente-Tiempo de despeje 150% In X Corriente-Tiempo de despeje 135% In X X X Corriente-Tiempo de despeje 500% In X X X Despeje en sobrecarga a Vn X X X Potencia Disipada X X X Interrupción y capacidad de limitación Capacidad de interrupción X X X X Energía máxima X X X X Radio de umbral máximo X X X X Capacidad de interrupción X X Sobrecarga X X
La Prueba de Interrupción en el Voltaje Indicado (Interrupting Test at Rated Voltage), se realiza con el 100 y 105 % del nivel de voltaje nominal del fusible. Después de cada prueba de interrupción, el voltaje debe continuar en los terminales del fusible por un minuto después de la interrupción de la corriente. Durante este período de tiempo, no deberá existir ninguna realimentación o reestablecimiento de la corriente, y si llegara a existir evidencia de esto, la tensión en los terminales del fusible deberá continuar por un minuto adicional.
95
5.12. Norma UL 198 D para fusibles clase K. Los requerimientos de esta norma son aplicables a aquellos fusibles del tipo “no-Renovables”, capaces de interrumpir corrientes de 50.000, 100.000 o 200.000 amperes rms simétricos, limitadores del peak de corriente máxima y la energía total en Amp2seg (total clearing), especificados para cada subclase individual. La clase K de fusibles posee un rango de corriente máxima de 600 A y se encuentran en 250 o 600 volts ac. Esta clase se divide en tres subclases, dependiendo de las características de limitación del peak máximo de corriente y la energía total i2t. Estas subclases son identificadas con las designaciones K1, K5 o K9. El cuerpo para esta clase de fusibles, puede ser de cerámica, melamina impregnada, fibra de vidrio o sus equivalentes. Estos fusibles existen en forma “cilíndrica” (Ferrule-Type) en un rango de corriente que va desde 0-60 Amp. y también con forma de “cuchillo” (Knife-Blade-Type) en un rango de 61-600 Amp. La forma y dimensiones que poseen los fusibles clase K, deben estar de acuerdo a la figura 5.12 y la tabla 5.12a.
Fig. 5.12. Forma de los fusibles clase K.
96
Tabla 5.12a. Un fusible clase K debe ser capaz de conducir el 110 % de su corriente nominal indefinidamente. Cuando un fusible está conduciendo esta corriente, no debe visualizarse trozos de soldaduras fundidas en el exterior del fusible, y el cuerpo fusible junto con la etiqueta, deben quedar intactas. La temperatura en el exterior del fusible, bajo una condición de corriente antes mencionada, no debe exceder los valores indicados en la tabla 5.12b.
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Tabla 5.12b. Temperaturas máximas aceptables.
Incrementos de la temperatura sobre la temperatura del aire
Rango decorriente
En el cuerpoºC
En terminalesºC
En cuchillas ºC
0 - 30 50 50 - 31 - 60 50 50 -
61 - 100 50 - 50 101 - 200 50 - 60 201 - 400 50 - 65 401 - 600 50 - 75
Un fusible clase K debe interrumpir corrientes, según los tiempos límites indicados en la tabla 5.12c, y al igual que en la prueba de temperatura, el cuerpo fusible no debe sufrir daños por temperaturas. Tabla 5.12c. Tiempos de despeje.
Tiempo máx. Despeje Aceptable
Tiempo mín. de Despeje para
fusibles con retardo de tiempo
Rango de corriente Amperes
135% In 200% In 500% In 0 - 30 60 min. 2 min. 10 seg. 31 - 60 60 min. 4 min. 10 seg.
61 - 100 120 min. 6 min. 10 seg. 101 - 200 120 min. 8 min. 10 seg. 201 - 400 120 min. 10 min. 10 seg. 401 - 600 120 min. 12 min. 10 seg.
Para que un fusible de esta clase sea marcado con retardo de tiempo (time delay), no debe interrumpir en menos de 10 segundos con el 500 % de la corriente nominal.
98
5.13. Norma UL 198 E para fusibles clase R. Los requerimientos de esta norma son aplicables a aquellos fusibles limitadores de corriente del tipo “no-Renovables”, capaces de interrumpir una corriente máxima de 200.000 amperes rms simétricos, limitadores del peak de corriente máxima y la energía total en Amp2seg (total clearing), especificados para cada tamaño individual. La clase R de fusibles posee un rango de corriente máxima de 600 A y se encuentran en 250 o 600 volts ac. Son casi idénticos en tamaños a las clases H y K, pero se diferencian a estos últimos porque tienen una característica de rechazo en uno de sus terminales. El uso de esta clase de fusibles es adecuado solamente para aquellos portafusibles que reciben adecuadamente a la clase R, H o K, pero las clases H o K no son aceptadas por los portafusibles clase R. La clase R de fusibles está dividida en dos subclases, dependiendo de la característica de limitación y la energía total en Amp2seg (total clearing). Estas subclases se identifican por las designaciones RK1 o RK5, pueden ser marcadas con retardo de tiempo, y son físicamente intercambiables. El cuerpo puede ser de cerámica, fibra de vidrio, fibra vulcanizada dura u otro material que se demuestre por investigación que tenga resistencia a humedad, llamas, calor, y distorsión a las temperaturas propias del uso. Estos fusibles existen en forma “cilíndrica” (Ferrule-Type) en un rango de corriente que va desde 0-60 Amp. y también con forma de “cuchillo” (Knife-Blade-Type) en un rango de 61-600 Amp. Las dimensiones de los fusibles clase R, deben estar de acuerdo a las tablas 5.13a y 5.13b, con sus respectivas figuras. La ranura o canal de rechazo, debe ser incorporado en solo uno de los terminales del fusible. Tabla 5.13a. Dimensiones de fusibles clase R tipo cartucho (mm). Valor Largo
total Diám. cuerpo
Largotapa
Diám tapa
Dist. rechazo
al extremo
Ancho mín.
rechazo
Prof. mín.-máx. rechazo
Ancho máx. hacia
extremo
Ancho máx.
hacia el cuerpoV I A B C D K L M L2 L1
0 - 30 50.8 13.49 12.7 14.27 3.96 1.78 2.16 - 3.30 2.92 3.81 250 31 - 60 76.2 19.84 15.88 20.62 4.78 2.18 2.16 - 3.30 3.12 4.32 0 - 30 127 19.84 12.7 20.62 4.78 2.18 2.16 - 3.30 3.12 4.32 600 31 - 60 139.7 26.19 15.88 26.97 6.35 2.18 2.16 - 3.30 3.91 4.57
Fig. 5.13a. Fusible clase R Delta Chile código QR-30.
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Tabla 5.13b. Dimensiones de los fusibles clase R tipo cuchillo en pulgadas (mm).
Fig. 5.13b. Fusible clase R tipo cuchillo en base portafusibles. Observar que en el extremo derecho de la base portafusible, existe un pasador en la pieza que sostiene
a la cuchilla, lo que posibilita la no-intercambiabilidad con otras clases. El aumento de temperatura disipada por un fusible clase R, no debe ser superior a los valores indicados en la tabla siguiente, cuando el fusible transporta el 110 % de su corriente nominal en forma continua.
Tabla 5.13c. Incrementos máximos de temperatura aceptable. Rango de corriente Alza de Temperatura sobre la Temperatura Ambiente
Amperes En el cuerpo En Terminales En Cuchillas 0 – 30 50º C 50º C -
31 – 60 50º C 50º C - 61 - 100 50º C - 50º C
101 - 200 50º C - 60º C 201 - 400 50º C - 65º C 401 - 600 50º C - 75º C
100
Un fusible clase R, puede ser designado como “time delay” (retardo de tiempo) solo si no interrumpe en menos de 10 segundos cuando lo circula una corriente de 500 % sobre la In. Los tiempos límites de interrupción (clearing), se muestran en la tabla 5.13d según el rango de corriente nominal. Tabla 5.13d. Tiempos de despeje.
Tiempo máx. Despeje Aceptable
Tiempo mín. de Despeje para
fusibles con retardo de tiempo
Rango de corriente Amperes
135% In 200% In 500% In 0 – 30 60 min. 2 min. 10 seg. 31 – 60 60 min. 4 min. 10 seg. 61 - 100 120 min. 6 min. 10 seg. 101 - 200 120 min. 8 min. 10 seg. 201 - 400 120 min. 10 min. 10 seg. 401 - 600 120 min. 12 min. 10 seg.
101
5.14. Norma UL 198 H para fusibles clase T. La norma americana UL 198 H, establece que los fusibles clase T son aquellos del tipo no Renovables, identificados con un voltaje nominal de 300 volts en un rango de corriente nominal de 0-1200 A, o un voltaje nominal de 600 volts en un rango de corriente de 0-800 A. Esta clase de fusibles se caracteriza por ser limitadores de corriente, y poseen una capacidad de ruptura de 200.000 A rms simétricos. Estos fusibles son apropiados para su uso en portafusibles que reciben apropiadamente a los fusibles clase T, pero no reciben a otras clases, por lo tanto las dimensiones específicas de esta clase de fusibles lo hacen no-intercambiable con otras clases. La clase T de fusibles existe en forma “cilíndrica” (Ferrule-Type) y también con forma de “cuchillo” (Knife-Blade-Type) El cuerpo puede ser de cerámica, fibra de vidrio, fibra vulcanizada dura u otro material que se demuestre por investigación que tenga resistencia a humedad, llamas, calor, y distorsión a las temperaturas propias del uso. La norma UL estipula que las dimensiones de los fusibles clase T de 300 y 600 V para los de cuerpo cilíndrico, deben estar de acuerdo a la figura 5.14a y la tabla 5.14a. Las dimensiones para los fusibles tipo cuchilla, deben estar de acuerdo a la figura 5.14b y la tabla 5.14b. Tabla 5.14a. Dimensiones de los fusibles clase T (mm).
Rango Largototal
Largotapa
Diámetrotapas
Espesor delrechazo
Ancho del rechazo
Diámetro del rechazoVoltaje Corriente A B C D E F
300 0 - 30 22.35 7.11 10.31 - - - 31 - 60 22.35 7.11 14.3 - - -
600 0 - 30 38.1 7.11 14.3 - - - 31 - 60 39.62 10.47 20.82 1.57 20.62 26.25
Fig. 5.14a. Forma de los fusibles clase
T. Fig.5.14c. Fusibles clase T Delta Chile código QR203 (arriba), QR-326 y MV-
418 (abajo).
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Fig. 5.14b. Forma de los fusibles clase T tipo cuchillo.
Tabla 5.14b. Dimensiones de los fusibles clase T tipo cuchillo en pulgadas (mm). Los tiempos límites de interrupción (clearing), se muestran en la tabla 5.14c según el rango de corriente nominal. En las pruebas para determinar los tiempos de operación, las conexiones soldadas externas no deben fundir, y el cuerpo fusible junto con su etiqueta no deben quemarse.
Tabla 5.14c. Tiempos de despeje en sobrecarga. Rango de corriente Tiempo máx. Despeje Aceptable
Amperes 135% In 150% In 200% In 0 – 30 60 min. - 2 min.
31 – 60 60 min. - 4 min. 61 – 100 120 min. - 6 min.
101 – 200 120 min. - 8 min. 201 – 400 120 min. - 10 min. 401- 600 120 min. - 12 min. 601 – 800 - 240 min. -
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Las pruebas de capacidad de transporte indican que un fusible debe ser capaz de conducir el 110 % de la corriente nominal indefinidamente. Cuando el fusible está conduciendo esta corriente permanentemente, no deben visualizarse desprendimientos de soldadura fundida en las conexiones, y la cubierta de material combustible no se quemará. Cuando un fusible de esta clase cumple con lo indicado anteriormente, el aumento de la temperatura en el exterior de un fusible de 600 A o menor, no debe ser mayor que los valores indicados en la tabla 5.14d. Tabla 5.14d. Alzas de temperatura aceptables en los fusibles.
Incrementos de la temperatura sobre la temperatura del aire
Rango de corriente
En el cuerpo ºC
En terminales ºC
0 - 100 85 50 101 - 200 85 60 201 - 600 85 75
Para los fusibles de corrientes superiores a los 600 A, el aumento de la temperatura en los terminales (cuchillas) de un fusible de 800 A, no debe ser superior a los 65 º C (117 º F), y 85 º C (153 º F) para los fusibles de 1200 A, sobre el aumento de la temperatura del equipo de calibración. Los fusibles de corrientes superiores a los 600 A, deben conducir el 110 % de la corriente nominal hasta alcanzar la estabilidad térmica. Esta temperatura se considera constante cuando, al realizar tres lecturas tomadas cada 10 minutos, no hay indicios de incremento sobre la temperatura del aire ambiente.
CAPÍTULO VI
APLICACIÓN DE FUSIBLES EN UN SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.
6.1. Determinación de los Niveles de Cortocircuito en un Sistema Eléctrico Industrial. Un factor importante a considerar en la aplicación de los fusibles, es la determinación de las corrientes máximas de cortocircuito que estos deben soportar en un determinado lugar de la red eléctrica a proteger. Como se ha mencionado anteriormente, es necesario definir todos los factores que la aplicación de un fusible requiere, su corriente y voltaje nominal, tipo de fusión, forma, dimensiones y capacidad de ruptura, de lo contrario el fusible no cumplirá con su función protectora. Debido a esto, en el presente estudio, se efectuará a modo de alcance un análisis del cálculo de las corrientes de cortocircuito, según el método que explican las normas IEEE / ANSI Standard 141-241 y 242, el cual permitirá encontrar al valor de la corriente máxima de falla en un determinado punto del sistema, para posteriormente seleccionar el fusible a utilizar según su poder de corte. Para efectuar el cálculo de estas corrientes, es necesario conocer el diagrama unilineal que representa al sistema eléctrico en cuestión. Por ejemplo en la figura 6.1, se muestra un esquema de una típica red eléctrica de distribución en media tensión, empezando desde un sistema equivalente que representa el conjunto de reactancias que existen desde las centrales generadoras, pasando por todo el sistema de transmisión de electricidad, hasta la subestación de bajada al nivel de 12 KV, con una potencia de cortocircuito trifásico de 100 MVA. A este sistema le sigue un transformador particular 12 / 0.4 / 0.230 KV, con una potencia nominal de 1000 KVA que alimenta a un cliente industrial. Su impedancia de cortocircuito es de 5.8 % y posee una conexión delta-estrella aterrizada. Para los efectos del cálculo se supondrá un cortocircuito en el punto F1 de la red de baja tensión, y se asumirá que los valores resistivos del sistema son despreciables para el ejemplo. Además, es necesario considerar el aporte de corriente de todos los motores conectados en baja tensión, ya que estos almacenan una cierta cantidad de energía por inercia mecánica de la carga, la que es liberada en el momento de la falla. El conjunto de motores se representará como un motor equivalente.
Fig. 6.1. Diagrama unilineal del sistema de potencia.
104
105
6.1.1. Cálculo de las corrientes de cortocircuito. Las normas IEEE / ANSI, indican que el primer paso es seleccionar una potencia base (Sb) conveniente para el sistema a ser estudiado. Generalmente, este valor corresponde a la potencia nominal del transformador que alimenta al circuito cuando se trata de un transformador, y para este caso la potencia es de 1 MVA (1000 KVA). La reactancia del sistema equivalente que alimenta al transformador (Reactancia del Sistema Xs), se determina de la siguiente manera:
%01.01001
3===
φSccSbXs
Luego, hay que llevar a por unidad las reactancias del transformador y del motor equivalente, es decir, expresar estos valores en función de un valor de referencia.
puXt 058.0100%8.5
== ; puXMe 25.0100%25
==
Se determina la corriente base que circula en el secundario del transformador (corriente nominal), y la corriente que aporta el motor equivalente al punto de la falla.
AkVSbIb 1443
4.031000
3=
⋅=
⋅= ; A
XMeIbIMe 5772
25.01443
===
Con todos los datos antes calculados, se puede determinar la corriente de cortocircuito trifásico en el punto F1 sin considerar el aporte de corriente del motor equivalente.
AXtXs
IbIcc 21221058.001.0
14433 =+
=+
=φ , igual a Icc3φ en F2.
La corriente de cortocircuito total en el punto F1 corresponde a la suma de la corriente Icc3φ suministrada por el sistema, más la corriente aportada por la inercia mecánica de la parte móvil del motor equivalente. En el momento de la falla, los rotores de las máquinas conectadas al sistema, tienden a seguir girando por efecto de la inercia. Mientras esto sucede, dichas máquinas se comportan como generadores, aportando una cierta cantidad de corriente al punto de falla.
AIMeqXtXs
IbtotalIcc 26993577221221.3 =+=++
=φ , igual a Icc3φ total en F2.
Fig. 6.1.1a. Diagrama unilineal de reactancias del sistema.
106
A continuación, se determinan las corrientes de cortocircuito producto de las fallas monofásicas que se pueden originar en el punto F1 del circuito. Para esto, es necesario hacer un estudio de las mallas de secuencia positiva, negativa y cero del sistema a estudiar.
Fig. 6.1.1b. Mallas de secuencia para una falla monofásica a tierra. Las reactancias de secuencia positiva y negativa del sistema equivalente, tienen el mismo valor en por unidad, vale decir: X1s = X2s = 0.01 pu. La resistencia de la malla a tierra en pu, se determina de la siguiente forma:
pukV
MVAbRMTRMT 5.124.012)(22 =⋅
=⋅Ω
=
Según lo anterior, la corriente de cortocircuito monofásico a tierra y monofásico a neutro en el punto F1 del circuito, se determina de la siguiente manera:
( ) ( ) AjRMTtXsXj
IbTIcc 4.1155.123058.0301.02
1443331312
31 =⋅+⋅+⋅
⋅=
⋅+⋅+⋅⋅
=φ
( ) ATXsXj
IbnIcc 22314194.014433
131231 =
⋅=
⋅+⋅⋅
=φ
107
6.1.2. Sistema de Protecciones. El transformador está protegido en el lado de media tensión con fusibles de expulsión de 80 amperes y curva T (lenta). El circuito de baja tensión, lo protege un interruptor de poder con protecciones electrónicas (digitrip) de 2000 amperes nominales y posee incorporado un dispositivo de protección contra las fallas a tierra. La rama F1, está protegida por un interruptor de poder similar al interruptor general, pero de 400 amperes nominales y con dispositivo contra las fallas a tierra. La rama F2 está protegida por fusibles de 500 amperes, norma IEC 269-2 para uso industrial. 6.1.2.1. Coordinación de las Protecciones. Tal como se explicó en el capítulo IV, para lograr una buena coordinación, es necesario hacer un análisis de las curvas de operación tiempo-corriente de las protecciones involucradas en el circuito. Estas curvas deben ser graficadas en la misma escala y en hoja logarítmica para facilitar la lectura. En un sistema de protecciones en cascada, es de vital importancia que las curvas o las zonas de operación de las protecciones, no se traslapen o corten entre sí, de lo contrario se pierde la coordinación. Un factor importante a considerar en este ejemplo, es la corriente de inrush que se origina en la conexión del transformador, la cual según la norma ANSI, llega a 12 veces la corriente a plena carga del transformador durante un tiempo de 0.1 segundos. Frente a esta corriente de inrush el fusible de 80 T no debe operar.
( ) AprimarioI 1.48123
1000=
⋅= ; ( ) Ainrush 577121.48I =⋅=
En este ejemplo de coordinación de protecciones, se dispone de una red eléctrica con un nivel de media tensión en 12 KV, y en baja tensión se tienen 400 volts entre fases. Para poder efectuar la coordinación, es necesario referir todas las curvas de las protecciones a un nivel de tensión común para todas, y generalmente es más práctico hacer la conversión al nivel de tensión donde existe la mayor parte de las protecciones del sistema. Para este sistema en particular, es conveniente referir la curva de operación del fusible de media tensión, al nivel de 400 volts a través de la relación indicada por la norma ANSI.
40012000)12()400( ⋅= KVIVI
De esta manera se tienen todas las curvas en un valor de tensión común para efectuar la coordinación. Otro factor a considerar en la coordinación de las protecciones, corresponde a la curva de protección térmica de tiempo corto del transformador. Dicha curva muestra las corrientes límites que el transformador puede soportar, y es importante que el sistema de protecciones esté coordinado con esta curva para no restar la vida útil del equipo.
108
6.1.2.2. Ajustes de los interruptores de poder. Los ajustes de corriente y tiempo según el régimen de operación, se realizan de acuerdo a los valores suministrados por el fabricante del equipo. Para el ejemplo se utilizarán interruptores de poder marca Cutler-Hammer, modelo Magnum DS Switchgear. El interruptor general (C) a utilizar será del tipo MSD-408, y el interruptor de la rama F1 (A) será tipo MSD-620. Para facilitar la comprensión de las curvas de los interruptores, se adjuntan en el presente estudio a modo de material anexo, las curvas que proporciona el fabricante. En la tabla 6.1.2.2 se muestran los rangos de ajuste de las protecciones digitrip. Tabla 6.1.2.2.
Característica tiempo-corriente
Ajuste valor Pickup
Punto de Pickup
Banda de tiempo en segundos
Tiempo Largo 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 0.8, 0.9, 0.95, 1.0
Veces In Ajuste Tiempo Largo
2, 4, 7, 10, 12, 15, 20, 24(a 6 veces Pickup)
Tiempo Instantáneo Off, 2, 3, 4, 6, 10 Veces In Ajuste Instantáneo
Tiempo Corto 2, 2.5, 3, 4, 6, 8, 10 Veces Ir Ajuste Tiempo Corto
0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 respuesta plana
Falla a Tierra 0.25, 0.3, 0.35, 0.40.5, 0.6, 0.75, 1.00
Veces In Ajuste Falla a tierra
0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 respuesta plana
Nota: In = Corriente nominal del interruptor Ir = Ajuste Pickup del tiempo largo
6.1.2.3. Interruptor de Poder General (C). Según los valores calculados anteriormente, la corriente nominal del transformador que circula por el secundario es de 1443 amperes. Para dimensionar la corriente nominal del interruptor, se incrementará la corriente del secundario en un 25% para cubrir los futuros aumentos de potencia del sistema, por lo tanto, la corriente incrementada es de 1803 amperes, y nominal del interruptor de poder será de 2000 amperes. Para este ejemplo, el interruptor general ubicado en el secundario del transformador debe ser ajustado a un valor de corriente mínima de tiempo largo, mayor a la nominal del transformador, tal como se muestra en la tabla 6.1.2.3.
Tabla 6.1.2.3. Valores de ajustes para interruptor de poder C. Ajustes Valor de ajuste In = 2000 Amp.
Tiempo Largo 0.9 x In Ir = 1800 Amp
Banda de tiempo 4 seg. +0 / -30% a 6xIr
Tiempo Corto 4 x Ir 7200 Amp.
Banda de tiempo 0.5 seg.
± 5%. La aplicación determina el final de la curva.
Falla a tierra 0.25 x In, ± 10% 500 Amp
Banda de tiempo 0.4 seg.
La aplicación determina el final de la curva.
109
6.1.2.4. Interruptor de Poder (A). El interruptor de poder que protege a la rama F1 del sistema, se ajustará a los valores indicados en la tabla 6.1.2.4:
Tabla 6.1.2.4. Valores de ajustes para interruptor de poder A. Ajustes Valor de ajuste In = 400 Amp.
Tiempo Largo 0.8 x In Ir = 320 Amp
Banda de tiempo 10 seg. +0 / -30% a 6xIr
Tiempo Corto 10 x Ir 3200 Amp.
Banda de tiempo 0.5 seg.
± 5%. La aplicación determina el final de la curva.
Falla a tierra 0.25 x In, ± 10% 100 Amp
Banda de tiempo 0.2 seg.
La aplicación determina el final de la curva.
6.1.2.5. Gráfico del Sistema de Protecciones. En el gráfico representativo del sistema de protecciones, deben estar graficadas las curvas de operaciones de los dispositivos involucrados en el sistema de potencia, tal como se muestra en la figura 6.1.2.5.
Fig. 6.1.2.5. Gráfico de curvas características tiempo-corriente del sistema de potencia utilizado para el análisis de coordinación de las protecciones del ejemplo de
la figura 6.1.
110
Observando en el gráfico, se puede determinar que la curva del interruptor de poder (A) ubicado en la rama F1 del sistema, es capaz de despejar todas las sobrecorrientes desde la intensidad mínima del tiempo largo (Ir = 320 A), hasta la máxima corriente de cortocircuito que se presenta en dicha zona (aprox. 27 KA). Además, la curva de protección garantiza la interrupción de las corrientes de falla a tierra (115.4 A), y las corrientes producto de las fallas monofásicas a neutro (22314 amperes). Es importante destacar que las curvas de operación de las protecciones están separadas y no se producen cortes entre ellas. Por ejemplo, la curva de corriente de fase del interruptor (A) y la zona de operación del fusible (B), no cortan la curva de fase del interruptor general C, y al mismo tiempo, estas tres curvas no cortan la zona de operación del fusible de media tensión del transformador (D). Nótese también en el gráfico, que la coordinación se presenta entre las protecciones del sistema eléctrico, y además entre la zona de operación del fusible de media tensión y el punto de Inrush del transformador, con lo cual se asegura una operación innecesaria del fusible en el momento de la conexión del equipo. 6.2. Utilización de Fusibles Limitadores en Cables. Este tipo de fusibles posee un alto grado de limitación de corriente para la protección de cortocircuitos ocurridos principalmente en cables. Se utilizan para incrementar la confiabilidad de servicio en un alimentador o una línea troncal de distribución. Los fusibles para la protección de cables no poseen un valor de corriente nominal ya que se seleccionan de acuerdo al tamaño y el tipo de cable (Aluminio o Cobre) y la configuración del sistema. Por ejemplo, un cable de 750 MCM requiere un fusible limitador de 750 MCM. La aplicación de estos fusibles está orientada principalmente al despeje de los cortocircuitos en líneas que poseen tres o más cables por fase, y deben ubicarse en ambos extremos de la línea.
Fig. 6.2a. Diagrama de Protección de Cables. Suponiendo el caso de una línea compuesta por dos cables en paralelo por fase, cada una con sus respectivos fusibles limitadores en los extremos. Cuando una falla
111
ocurre en uno de los cables, la mayor parte de la corriente fluye desde la fuente de alimentación hacia el lugar de la falla, provocando la operación del fusible ubicado en el inicio del cable. Luego, toda la sobrecorriente retorna por el segundo cable, provocando la fusión de los fusibles limitadores ubicados al comienzo del cable y al final, y la interrupción total de la fase. Si se tiene un sistema de tres o más conductores por fase, y ocurre una falla en una de ellas, la corriente fluye directamente hacia el lugar de la falla ocasionando la operación del fusible ubicado al comienzo del cable. Luego, la corriente de falla retorna hacia la alimentación y se divide por el resto de los cables en paralelo. En el nodo que une los cables (extremo final), las corrientes se suman y la corriente total fluye por el extremo hacia el cable fallado, provocando la fusión del fusible ubicado en el final del cable antes que los fusibles de los otros cables en paralelo, desconectando así solamente al cable averiado. Estos fusibles, debido a su rápida intervención frente a elevadas corrientes de falla, reducen en gran manera los esfuerzos electromagnéticos en los cables y barras conductoras, tal como se aprecia en la secuencia de imágenes de la figura 6.2b.
Fig. 6.2b. Secuencia de imágenes de ensayos comparativos de capacidad de interrupción.
La figura 6.2b muestra un ensayo de la capacidad de interrupción que poseen los fusibles en comparación con un interruptor tipo caja moldeada. Una corriente elevada de 12000 amperes, circula simultáneamente por dos circuitos trifásicos de prueba. El primero es protegido por fusibles limitadores de corriente, y el otro circuito es protegido por un interruptor tipo caja moldeada. De izquierda a derecha en la imagen, se muestra la efectividad y rapidez que poseen estos dispositivos de protección trabajando en una misma condición de sobrecorriente. Dicha efectividad se puede determinar mediante la capacidad que posee la protección para reducir los esfuerzos electromagnéticos, gracias a la rápida interrupción de las corrientes de falla que los producen. En la secuencia de imágenes, se aprecia claramente la rápida interrupción de la corriente de falla, la que solamente alcanza a deformar levemente los cables de alimentación en el circuito de fusibles. Por otra parte, la gran cantidad de corriente de falla que circula por el interruptor, no alcanza a ser despejada por éste dispositivo que finalmente es destruido producto de su limitado poder de interrupción, ocasionando notables esfuerzos electromagnéticos en los cables de alimentación.
CONCLUSIONES
A lo largo del presente estudio han quedado de manifiesto importantes conclusiones,
principalmente en lo que respecta a definir correctamente, o de tener una idea lo más
completa posible acerca del lugar que ocupan los fusibles dentro de un sistema
eléctrico. Las consecuencias que trae una mala aplicación y elección de estos
dispositivos de protección, indudablemente que encarecen el costo que significa
mantener un circuito eléctrico y todos sus componentes, ya que el valor de un fusible
es mucho menor que el equipo que protege, pero además de esto, siempre debe
tenerse en cuenta que una inadecuada utilización pone en riesgo la vida de las
personas.
Para prevenir todas estas situaciones, es importante que al momento de solicitar,
adquirir o comprar estos dispositivos de protección, se proporcione al fabricante una
información clara y completa que permita una fácil identificación del fusible en cuanto
a sus dimensiones y parámetros eléctricos tal como se expuso en el capítulo IV. Por
lo tanto, el proyecto estudiado proporciona los conocimientos básicos para el manejo
de un idioma común y una buena comunicación entre los clientes y el fabricante de
fusibles.
El campo ocupacional que poseen los fusibles es cada vez más extenso debido en
gran parte a una creciente tendencia de localizar y aislar los puntos de falla dentro de
un sistema eléctrico, sin embargo a pesar de los continuos avances tecnológicos
para optimizar la gran diversidad de dispositivos de protección, los fusibles
difícilmente podrán ser reemplazados, a no ser por otros dispositivos fusibles más
modernos. Esta afirmación puede ser comprobada por ejemplo en las redes de
distribución secundaria, donde los antiguos fusibles de Reja están siendo
reemplazados por los fusibles tipo NH. Las ventajas que poseen los fusibles en lo
que respecta a sus cualidades eléctricas, como su alta capacidad de ruptura y
limitación de corriente, lo convierten en una excelente opción en el momento de
proteger un determinado circuito. Además, la rentabilidad de un sistema eléctrico
depende, entre otros factores, de los costos de los dispositivos de protecciones a
utilizar, y las ventajas constructivas y dimensionales que poseen los fusibles en
comparación con otros dispositivos de protección, indudablemente que aportan a la
rentabilidad del sistema, pero más importante aún es la seguridad y confianza que
entregan frente a una determinada situación de falla.
Por todos los antecedentes mencionados a lo largo de éste estudio, es de vital
importancia contar con los conocimientos necesarios para determinar la correcta
utilización de los fusibles de acuerdo a la construcción, el diseño y el campo de
aplicación. Solo así se puede lograr una optimización de los sistemas de
protecciones para mantener una buena continuidad de servicio.
112
113
BIBLIOGRAFÍA
• Suplemento Aniversario 59 Años de Chilectra, 1º Septiembre 1921 – 1º
Septiembre 1980.
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• www.iicv.net • www.infineon.com • www.htee.tu-bs.de • descom.jmc.utfsm.cl
114
ANEXOS
Curva Característica de Tiempo Largo y Tiempo Corto para interruptores de poder Cutler-Hammer.
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Curva Característica de Falla a Tierra para interruptores de poder Cutler-Hammer.
CLASIFICACIÓN DE FUSIBLES SEGÚN NORMAS UL
Fusibles Protección de sobrecarga Norma UL 198G (llamada 198.6) Cubre 3 clasificaciones: 1. -micro fusibles.2. -fusibles miniatura.3. -fusibles de cartucho varios.Rango de voltaje:1. -micro fusibles,125 Vac únicamente2. -fusibles miniatura,125 o 250 Vac únicamente. 3. -fusibles de cartucho varios125 a 600Vac únicamente.Nota: Algunos fusibles tienen rangosencorriente continua cuando es adecuando su uso en dc.Rango Amperaje:1. -micro fusibles, 0-10 A2. -fusibles miniatura, 0-30 A3. -fusibles cartucho, 6-60 ACapacidad de ruptura:1. -micro fusibles, 50 Amp. simétricos2. –fusibles miniatura10.000-50.000 o 100.000 AmpNota: cuando el fusile esapropiado para trabajar en dcpodría indicarse su capacidadde ruptura en cc.Retardo de tiempo opcional:mín. 5 seg. a 200% de la corrientenominal en rango menor que 3 Amín. 12 seg. a 200% de la corrienteen rango mayor que 3 A.
Fusibles de bajo voltaje0-600 V
Fusibles para la protección de sobrecorriente y Cortocircuitos en
fuerza, iluminación, Alimentación y/o derivación.
No limitadorde corriente
Limitador de corriente
Clase H: Norma UL 198D (198.3) Rango de voltaje: 250 y 600Vac únicamente.Nota: Algunos fusibles tienen rangos en corriente continua cuando es adecuando su uso en dc.Rango Amperaje: 0-600 ARango de corriente de ruptura:no superior a 10.00 A simétricos(no permitido usar en la etiqueta)Dimensiones Norma UL 198BDos construcciones: renovables y no renovables.Intercambiabilidad con UL claseK1, K5, K9, NEMA clase R, UL clase RK1 y RK5 en equipos provistos con portafusibles clase R.Etiqueta del fusible debe incluir: voltaje nominal, fabricante o marca, “ac” o “corriente alterna”, renovable cuando es aplicable.Nota: clase H no requiere que aparezca en la etiqueta.
Fusibles PLUG (Balín)Norma UL 198F (llamada 198.5)Rango de voltaje: 125 Vac únicamente.Nota: Algunos fusibles pueden tener indicación de rango en cc si son adecuados para corriente continua.Rango de corriente: 0-30 ANo renovables.Capacidad de ruptura: no superior a los 10.000 A simétricos, ac solamente (no requiere que esté indicado)Dos construcciones: Base Edison y tipo S.Base Edison: todos los rangos de amperaje son intercambiables. No es intercambiable por el tipo S.Tipo S: No es intercambiable por el tipo Edison, para uso en portafusibles especiales o adaptadores para base Edison.Tres tipos de clasificación según el tornillo de la base (0-15,16-20 y 21-30 Amper)Retardo de tiempo (cuando está marcado)Debe tener un mínimo de 12 seg. a 200% de la corriente nominal.
Etiquetado.Fusibles que les esta permitido etiquetar LIMITADOR DE CORRIENTE.La etiqueta debe incluir:Clase CC, G, J, L, RK1, RK5 o T, nombre del fabricante o marca, corriente y voltaje nominal, capacidad de ruptura ac.La palabra “time Delay” o su equivalente puede ser incluida si el fusible cumple con los requerimientos de retardo de tiempo.
Fusibles para usos especiales: No hay norma al presente.Corresponde a fusibles que tienen características especiales para prevenir sobrecargas y/o cortocircuitos en equipos con:capacitores, rectificadores, interruptores integrados con fusibles, soldadoras y fusibles limitadores de cablesNo renovables: Rango de voltaje: hasta 600V (en fusibles para rectificadores hasta 1000V)Rango amperaje: probablemente hasta 6000A Capacidad de ruptura: 200.000 A simétricos.La intercambiabilidad con otras clases de fusibles está en consideración.Las características de limitación de corriente: sujetas al I2t y varían de acuerdo al tipo y tamaño de este.
Etiquetado.Fusibles que no les permite mencionar LIMITADOR DE CORRIENTE.La palabra “time Delay” o su equivalente puede ser incluida enla etiqueta de la clase K, en este caso el fusible debe cumplir con el retardo mínimo de 10 seg. a 500% de la corriente nominal.La etiqueta debe incluir:Clase K1, K5 o K9, fabricante o marca, corriente y voltaje nominal, capacidad de ruptura ac.Fusibles No
Renovables(un tiempo)
Retardo de tiempoopcional
Fusibles Renovables
sin retardo de tiempo
Rango Tiempo mínimoFusible 135% 150% 200% 500%*
Amper min. min. min. seg.0-30 60 / 2 10**
31-60 60 / 4 1061-100 120 / 6 10101-200 120 / 8 10201-400 120 / 10 10401-600 120 / 12 10601-6000 / 240 / 10
Rango Tiempo mínimofusible 135% 200% 200%Amper min. min. seg.0-30 60 2 1231-60 60 4 12
TIEMPO DE OPERACION CLASESH - J - K - L - R - TTiempo máximo
* Fusibles marcados como Acción Lenta** 8 seg. en rango de 0-30 Amper 250 V
TIEMPO DE OPERACION CLASES CC Y GTiempo máximo
Clase CCNorma UL 198.2 (siguiente revisión sería 198C)Rango voltaje: 600 VRango de corriente: 0-30 ACapacidad de ruptura: 200.000 A simétricos.No renovables.Dimensiones norma UL 198.2No es intercambiable con ningunaclase de fusibles en equipos provistos con portafusibles clase CC.Sin retardo de tiempo.
Clase GNorma UL 198.2 (siguiente revisión sería 198C)Rango de voltaje: 300 Vac únicamente.Rango de corriente: 0-60 AmperCapacidad de ruptura: 100 kA simétricos.No renovables.Dimensiones norma UL 198.2No es intercambiable con ninguna otra clase de fusibles en tamaños correspondientes a: 0-15 y 31-60 Amper.Retardo de tiempo opcional.El retardo debe tener como mínimo 12 seg. a 200% de la corriente nominal según UL 198.2 (no confundir con los 10 seg. a 500% de la corriente nominal para la clese RK1 y RK5)
Clase JNorma UL 198.22 (siguiente revisión sería 198C)Rango de voltaje: 600V ac únicamente.Rango de corriente: 0-600 ACapacidad de ruptura: 200.000 Amper simétricos.No renovables.Dimensiones norma UL 198.2.No es intercambiable con ninguna otra clase de fusible.Sin retardo de tiempo (fusibles con indicación de retardo de tiempo, no deben ser etiquetados como clase J, esos fusibles deben indicar si tienen características de las clases RK1 ó RK5)
Clase KStandard UL 198D (198.3)Rango de voltaje: 250 y 600 Vac únicamente.Nota: algunos fusibles pueden tener un rango dc cuando son adecuados para corriente continua.Rango de corriente: 0-600 AmperTres rangos de capacidad de ruptura son permitidos: 50.000, 100.000 y 200.000 amper simétricos.No renovables.Dimensiones norma UL 198D.Intercambiabilidad con UL clase H, NEMA clase H, UL clase RK1 y RK5 en equipos provistos de portafusibles clase H.Requiere que tenga un grado especificado de limitación de corriente.
Clase K1Alto grado de limitación de
corriente.Retardo de tiempo
opcional.Las mismas
características en cuanto al grado de
limitación de corriente que la clase
RK1 a 100.000 Amper simétricos.
Clase K5Moderado grado de
limitación de corriente.
Retardo de tiempo opcional.
Las mismas características en cuanto al grado de
limitación de corriente que la clase
RK5 a 10.000 Amper simétricos.
Clase K9Bajo grado de limitación de
corriente.Retardo de
tiempo opcional.
Clase LNorma UL 198.2 (siguiente revisión sería UL 198 C)Rango de voltaje: 600 Vac únicamente.Rango de corriente: 601-6000 AmperCapacidad de ruptura: 200.000 Amper simétricos.No renovables.
Clase RNorma UL 198E(llamada 198.4)Rango de voltaje: 250 y 600 Vac únicamente.Rango de corriente: 0-600 AmperCapacidad de ruptura: 200.000 amper simétricos.Dos clases: RK1 y RK2.
Clase TNorma UL 198HRango de voltaje: 300 y 600 Vac únicamente.Rango de corriente: 0-1200 A (300V), y 0-800 A (600V)Capacidad de ruptura: 200.000 A simétricos.
simétricos.No renovables.Dimensiones norma UL 198.2No tiene intercambiabilidad con ninguna otra clase de fusibles.Clase L puede ser marcado “Lento” (dado que UL no ha investigado el retardo de tiempo en la clase L, existe considerable variación entre los distintos fabricantes.
simétricos.Dos clases: RK1 y RK2.No renovable.Dimensiones norma UL 198E.No tiene intercambiabilidad con ninguna otra clase de fusibles en equipos provistos con portafusibles clase H.Retardo de tiempo opcional para clase RK1 y RK5 (mínimo 10 seg. a 500% de la corriente
Capacidad de ruptura: 200.000 A simétricos.No renovables.Dimensiones no finalizadas pero menor que la clase J.No es intercambiable con ninguna otra clase de fusible.Limitación de corriente similar a la clase J pero con menores valores de Ip
I2
Clase RK5Moderado grado de limitación de corriente.Similar en característicasa la clase K5 a 100.000 Amper simétricos.Retardo de tiempo opcional.
Clase RK1Alto grado de limitación de corriente.Similar en caraterísticas a la clase RK1 a 100.000 Amper simétricos.Retardo de tiempo opcional.