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Protección de
alimestadores
Con fusibles
L.Sayas P.
Introducción
• En el seccionamiento de líneas aéreas de distribución llevan como elemento de protección y de maniobra seccionadores fusibles de expulsión (CUT-OUT)
• También se utilizan en la protección contra cortocircuitos de líneas y transformadores de distribución
L.Sayas P.
Introducción
• Protegen contra cortocircuitos
• Es el método de protección mas antigua
• Se basa en el incremento de la temperatura que sufre el elemento fusible, al pasar la sobrecorriente
• El tiempo de fusión es inverso a la sobrecorriente
L.Sayas P.
Ventajas
• Es un método de protección simple
• Relativamente económico
• Limita y extingue las corrientes de cortocircuito en ¼ de ciclo, reduciendo así las solicitaciones térmicas y dinámicas en la instalación
• Su funcionamiento es independiente
• Poca precisión
• Envejecimiento
•Tiempos de operación demasiado
prolongados para las sobrecargas
• No es conveniente para sobre corrientes
débiles
• No deben ser reparados (pierde sus
características)
• Si actúa una fase debe cambiarse los tres
Desventajas
Icc prevista(Is max)
t1 t2
Icc
limitada
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
t1 : Pre arcing t2 : Arcing
T =t1 +t2 tiempo total de aclaración aprox. 1/4 de ciclo(5ms)
Etapas de operación
Clasificación De Los Fusibles
Para Media Tensión:
Por el tipo de operación;
* Tipo expulsión(FE)
* Tipo limitadores de corriente(FLC)
Fusibles de expulsión
CLASES: - De un solo elemento fusible
- De dos elementos fusibles(para bajas corrientes y
longitud corta.
MATERIAL: Puede ser de plata ,Cu,Pb,Estaño o aleaciones.
CLASES POR CAPACIDAD DE INTERRUPCION:
-Expulsión de Potencia(alta capacidad de corte)
-Expulsión tipo listón(baja capacidad de corte)
Clasificación de los fusibles tipo expulsión
Clasificación según la velocidad:
- Fusibles de expulsión (Tipo N,K,T)
Por el tipo de utilización:
-Fusibles de Potencia(2.18-169 kV)....X/R=10-25
-Fusible de distribución(5.2-38kV).......X/R=8-15
Selección para distribución
• La selección depende de la filosofía de protección que
se aplique al sistema
• Fusibles tipo rápidos (K), desconectan al sistema de
fallas en menor tiempo y coordinan mejor con los relés
• Los fusibles Lentos(T), soportan corrientes
transitorias mayores(Corrientes de arranque, carga fría,
etc.) y coordinan mejor con otros fusibles de la misma
clase y de clase diferente)
Relación de rapidez
• Características de los fusibles (K) y lento (T); Según
ANSI C37.43.
• Para los fusibles K se definió un ratio de velocidad de 6 a 8.
• Para los fusibles T un ratio de velocidad de 10 a 13.
• El ratio de velocidad es la razón de la corriente mínima de
fusión a 0.1s a la corriente mínima de fusión a 300s o
600s(140A y 200A), dependiendo de la corriente rating del
fusible.
Relación de rapidez
600
Ix Iy 0,1
In>140A 300
Ix Iy 0,1
In<100A
Iy/Ix= 6-8 ( T )
Iy/Ix= 10-13 ( K )
Otra característica
• Adicionalmente a estos puntos, también es
especificado the long-time continuous current de un
fusible. Este generalmente sería 150% del rating para
fusibles de estaño y 100% del rating para fusibles de
plata.
Selección de fusibles
Para la selección se tiene en cuenta:
• Máxima carga normal
• La corriente de arranque
• La carga fría
Para seleccionar la tensión adecuada se debe tener en cuenta:
• Conexión del sistema
• Tensión del sistema
• Conexión de los transformadores del sistema
• Tipo de aterrizaje a tierra
Capacidad de los fusibles para distribución
• Según NEMA los fusibles
pueden llevar una carga
continua de 150% de su valor
nominal
• Las temperaturas extremas y
las precargas afectan las
curvas t-I es necesario tener
presente.
In (KoT)
6
8
10
12
15
20
25
30
40
50
65
80
100
140
200
Icontinua(A)
9
12
15
18
23
30
38
45
60
75
95
120
150
190
300
Como se selecciona el calibre de los fusibles
en forma practica ?: 6 con 10, 10 con 15 o 8
con 12.
Seccionador
Fusible De
Expulsión Tipo
CUT-OUT
AISLADOR
HERRAJES
DE
COLOCACION
TUBO
PORTAFUSIBLE
GANCHOS DE
SUJECION
CONTACTOS
SUPERIORES
PERNO DE GIRO
DISPARADOR
CONTACTOS INFERIORES
CARACTERISTICA DE RESPUESTA DE
FUSIBLES DE EXPULSIÓN
I(A)
t(S)
TIEMPO MINIMO DE FUSION
(MINIMUM MELTING)
TIEMPO DE INTERRUPSION TOTAL
(TOTAL CLEARING TIME)
TIPOS DE FE LISTON: -Tipo K respuesta rápida
-Tipo T respuesta lenta
CARACTERISTICA
DE RESPUESTA DE
FUSIBLES DE
EXPULSIÓN
Tipo K
CARACTERISTICA
DE RESPUESTA DE
FUSIBLES DE
EXPULSIÓN
Tipo k
CARACTERISTICA
DE RESPUESTA DE
FUSIBLES DE
EXPULSIÓN
Tipo k
GRAFICO No.1
CARACTERISTICA TIEMPO-CORRIENTE (TCC) DEL FUSIBLE 10K
0.01
0.10
1.00
10.00
100.00
1000.00
10 100 1,000
CORRIENTE EN AMPERIOS
t(s
)
10k
MAXIMUM CLEARING TIME
(tiempo máximo de interrupción)
MINIMUM MELTING TIME
(tiempo mínimo de fusión)
300
15
The long-time continuous current
del fusible 10K
Otros tipos
de curva
CARACTERISTICAS
Seccionador Electrónico Restablecible (SER)
• Dispositivo de protección para redes
aéreas de distribución
• Posee un censor electrónico
incorporado
• Discrimina una falla temporal de una
falla permanente
• Mejora el sistema de coordinación con
reclosers
• Es montado en un seccionador
estándar
• Abre como un tubo porta fusible Para
dar una indicación visual de una falla
permanente
• Después de reparar la falla simplemente
se reestablece
Evolución:
Fusible tipo Link SER
SER =
Cut out
Standard
Modulo
electrónico +
MEJORA EL SISTEMA DE COORDINACIÓN
SELECIÓN E INSTALACIÓN
• Tensión del sistema
• Corriente permanente de carga
• Corriente de actuación
• Numero de
operaciones(Counts)
• Dispositivos ubicados aguas
arriba y aguas a bajo.
Características Eléctricas que
Definen un Fusible en MT
• Vn y In
• Capacidad de interrupción (sim o asim)
• BIL nivel básico del aislamiento
• Respuesta de operación
• Velocidad de respuesta (K o T)
• Servicio interior o exterior
Consideraciones que debe
tenerse presente al
seleccionar fusibles en MT
• Icc mínimo en el punto de instalación (punto
final del tramo protegido)
• Relación X/R en la impedancia equivalente(Ze)
• Curva de daño de los elementos a proteger(conductor, transf. Etc)
• Curva de Energización de del transformador (Inrush y carga fría)
Elección del Fusible en MT
A) Para Proteger Alimentadores Troncales
k I I ICARGA MAXIMA NOMINAL FUS CC MIN 025.
K >/= 1.2 Factor de crecimiento de la carga
considera la Energización
Ejemplo : Seleccionar los fusibles en los puntos indicados del sistema
eléctrico mostrado utilizar fusibles tipo expulsión listón velocidad
lenta los fusibles son de estaño.
F1
F2 F3
F4
F5ICC = 253 A
ICCmin=246 Iccmin =252 Iccmin =158Iccmin =163
30A
45A15A 23A
31A
I Permanente de fusible =1.5(In) para fusible tin
=1.0(In) para fusible silver
Solución: Para F1 30*1.2 < F1n <0.25 * 253
36 < Ipf < 63.5
Iperm. De fus =1.5*25=37.5 por lo tanto se elige In=25A
tipo M25T.
Aplicación
Aplicación: seleccionar los fusibles en los puntos indicados
utilizar fusibles de velocidad rápida y de material plata.
F1
F2 F3
F4
F5ICC = 253 A
ICCmin=246 Iccmin =252 Iccmin =158Iccmin =163
30A
45A15A 23A
31A
Fx
Fy
Protección de transformadores de
distribución
• Consideraciones
• Tecnología de los
fusibles en BT
• Fusibles de expulsión
• Fusibles limitadores
de corriente
• Interruptores TM
Consideraciones
• Protección de sobrecarga
• Protección por cortocircuito
• Protección de fallas internas
Consideraciones
• La NEC (National Electric Code) provee los estándares mínimos
de protección de sobrecorrientes para el ajuste de los dispositivos
de protección de transformadores.
A. Transformadores con tensiones nominales superiores a 600V
• Si no existe protección secundaria, estos transformadores
requieren como protección primaria un interruptor(CB) o fusible
que disparará a no mas del 300% o 150% de la corriente nominal
del transformador respectivamente.
• Si existe un interruptor(CB) o fusible en el secundario los
requerimientos de protección dependen de la tensión de
cortocircuito del transformador y voltaje secundario además del
tipo de protección como se resumen en la Tabla No.2.
Consideraciones
Tabla No.2 Máxima Protección de Sobrecorriente en %
Impedancia Lado primario Lado secundario
nominal del V prim>600V V sec>600V V sec 600V
transformador I setting I nom I setting I nom I setting CB
CB fusible CB fusible o Inom fuse
Vcc 6% 600% 300% 300% 150% 250% 10% Vcc< 6% 400% 200% 250% 125% 250%
Consideraciones
B. Transformadores con tensiones nominales menores o iguales
a 600V
• Estos transformadores requieren esencialmente protección
primaria a 125% Inom cuando no se tiene una protección
secundaria, y 250% Inom como máxima protección primaria si
existe una protección secundaria ajustado a no mas de 125%
Inom del transformador.
Consideraciones
• Los fusibles como protección primaria de los transformadores
deben ser capaces de hacer lo siguiente:
• (1) Soportar la corriente de energización del transformador
(magnetizing inrush current). En general el inrush current de los
transformadores puede llegar de 8 a 12 veces la corriente nominal
del transformador por un período máximo de 0.1s. Este punto
debe caer debajo de la curva del dispositivo de protección
primario del transformador.
• (2) Eliminar un cortocircuito franco secundario antes que el
transformador sea dañado. De acuerdo con IEEE Std 462-1973,
los transformadores estándar son diseñados para soportar los
esfuerzos internos causados por cortocircuitos en los terminales
externos dentro de las siguientes limitaciones:
Consideraciones
1. 25.0 veces la corriente base por 2s
2. 20.0 veces la corriente base por 3s
3. 16.6 veces la corriente base por 4s
4. 14.3 veces la corriente base por 5s
Consideraciones
• Tener en cuenta es el desplazamiento relativo en el punto de
daño que ocurre en un transformador delta-estrella con el neutro
de la estrella aterrado en el lado de baja tensión. Una falla
monofásica a tierra secundaria de 1pu producirá una corriente de
falla de 1pu en el devanado delta del lado primario, pero causará
solamente una corriente del 57.8% en la línea del devanado delta
donde se encuentra el fusible primario. Por esto un segundo punto
de daño, correspondiente a lo dado por IEEE Std 462-1973
deberá trazarse a 57.8% del punto normal.
•
• (3) El fusible deberá ser selectivo con los equipos de protección
instalados antes y después y taimen con la curva que determina la
capacidad térmica del transformador.
Fig. 1: Falla trifásica Relación Ifalla por devanados secundarios/primarios = 1/1 = 1.00
Fig. 2: Falla bifásica Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866
Fig. 3: Falla monofásica a tierra
Fig. 4: Falla monofásica a tierra Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(1/3)= 1.732
R
S
T
r
s
t
1
1
1
1/3
1
1
11/3
1/3
R
S
T
r
s
t
0
1
1
1/3
1/3
0
R
S
T
r
s
t
0
0
0
0
0
00
0
0
1/3
1/3
2/3
R
S
T
r
s
t
1
0
0
0
0
0
1/3
1/3
1/3
1:1/3
1:1/3
1:1/3
1:1/3
Fig. 1: Falla trifásica Relación Ifalla por devanados secundarios/primarios = 1/1 = 1.00
Fig. 2: Falla bifásica Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866
Fig. 3: Falla monofásica a tierra
Fig. 4: Falla monofásica a tierra Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(1/3)= 1.732
R
S
T
r
s
t
1
1
1
1/3
1
1
11/3
1/3
R
S
T
r
s
t
0
1
1
1/3
1/3
0
R
S
T
r
s
t
0
0
0
0
0
00
0
0
1/3
1/3
2/3
R
S
T
r
s
t
1
0
0
0
0
0
1/3
1/3
1/3
1:1/3
1:1/3
1:1/3
1:1/3
Curva de daño térmico
• Las curvas de daño de los equipos y
materiales son proporcionadas por los
fabricantes sin embargo, para el caso de
transformadores se puede tomar el criterio
establecido en la “Guía de duración de
corrientes de transformadores”(P784/D4 de la
norma ANSI C 57.12.00 para transformadores
auto enfriados de 1-500kVA:
L.Sayas P.
ANSI C57.12.00 1985:
* 1,05 Un secundaria a plena carga, sin exceder
limites de calentamiento a frecuencia nominal
* 1,10 Un secundaria en vacío, sin exceder limites de
calentamiento a frecuencia nominal.
VDE 0532:
* Inducción admisible Bmax =1,05 Bn a fn y plena
carga
* Bmax = 1,3 Bn a fn y t = 5min. Hasta 40 MVA
* Bmax = 1,3 Bn a fn y t = 30 seg. Para Sn > 40 MVA
Límites de Funcionamiento
Límites de sobre excitación
L.Sayas P.
En un ciclo normal la I < 1,5 In
t < 140°c (velocidad de
degradación responde a una
función exponencial de la
temperatura de modo que la
perdida se duplica para cada
incremento de 6°c
Límites de Funcionamiento
Límites de Calentamiento
L.Sayas P.
Los transformadores se clasifican en
categorías
Categoría Monofásico Trifásico
(Kva.) (Kva.)
I 5 a 500 15 a 500
II 501 a 1667 501 a 5000
III 1668 a 10000 5001 a 30000
IV > 10000 > 30000
Límites de Funcionamiento
Capacidad de resistencia a cortocircuito o
limite térmico según ANSI C.57.109
L.Sayas P.
Los transformadores se diseñan
para dejar pasar una corriente
máxima de cortocircuito sin sufrir
daños mecánicos y la corriente
máxima de cortocircuito esta
definido por :
Imax=1/Ucc(%)=1/Z(%)p.u. Para
t=2s
Ejemplo:
Ucc=4% Imax=1/0,04=25In para
t=2s
Ucc=5% Imax=1/0,05=20In para
t=2s
Esto para la categoría I
Curva de daño térmico
Para la categoría II
De 70 a 100% de Imax
;para Imax por 2s
K=1250 para el resto menor a 70% de Imax
Para categoría III
De 50 a 100% Imax
;para Imax por 2s
K=1250 para el resto menor a 50% de Imax
tIK *2
tIK *2
L.Sayas P.
Para Z=5%, transformador de categoría II
trazar la curva de daño térmico
Imax=1/0,05=20In t=2s
De 70 a 100% de Imax
100%Imax : 20
80%Imax : 16
70%Imax : 14
tIK *2 8002*202 K
Ejemplo de aplicación
sI
Kt 2
20
80022
sI
Kt 12,3
16
80022
sI
Kt 4
14
80022
De 70% a menos K=1250
70%Imax : 14
50%Imax : 10
25%Imax : 5
sI
Kt 28,6
14
125022
sI
Kt 5,12
16
125022
sI
Kt 50
5
125022
• Tiempos máximos admisibles a cortocircuitos en transformadores.
XT
(%)N
K
I
I tmax.admisible
(s)
4 25,0 2
5 20,0 3
6 16,6 4
7 14,2 5
De la tabla adjunta
se deduce la
necesidad de
introducir
protecciones de
reserva, que eviten
que se superen los
tiempos máximos
admisibles de
sobrecorrientes.
2 2000
3 300
4 100
5 50
6 35
7 25
8 20
9 15
10 12.5
15 5.8
20 3.3
25 2
30 1.5
40 0.8
50 0.5
Mecánico
Térmico
VALORES I-T PARA DEFINIR CURVA DE DAÑO
Tipo de dañoN° de veces la
corriente
Tiempo en
segundos
25 0.01
12 0.10
6 1.00
3 10.00
INRUSH
Carga fria
VALORE I-T PARA DEFINIR CURVA DE ENERGIZACION
Corriente
transitoria
N° de veces la
corriente
Tiempo en
segundos
CORRIENTE NOMINAL
DEL TRANSFORMADOR
CURVA DE DAÑO DEL
TRANSFORMADOR
CURVA DE DAÑO DE
LOS CONDUCTORES
CURVA DE ENERGIZACIÓN
(INRUSH Y CARGA FRIA)
AMPERIOS
SE
GU
ND
OS
I
t
Tecnología De Los Fusibles
• Método de protección simple.
• Relativamente económico.
• Limita la Icc
• Extingue el arco aprox en 1/4 de ciclo
• Funcionamiento independiente
• Amplio rango de poder de corte
• Permite coordinar con otros dispositivos
de protección.
• Bajo costo de mantenimiento y reposición.
Ventajas
• Poca precisión
• Envejecimiento
• No es conveniente para sobre corrientes
débiles
• No deben ser reparados (pierde sus
características)
• Si actúa una fase debe cambiarse los tres
Desventajas
Icc prevista(Is max)
t1 t2
Icc
limitada
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
t1 : Pre arcing t2 : Arcing
T =t1 +t2 tiempo total de aclaración aprox. 1/4 de ciclo(5ms)
Etapas de operación
Clasificación De Los Fusibles
• Fusible gL: De uso general y empleados para proteger
cables y conductores, adecuado para sobrecarga y cortocircuitos.
• Fusible aM: De acompañamiento. Se usa para proteger
motores y debe usarse acompañado de un elemento térmico para la protección de sobrecarga.
• Fusible gR: De uso general y para protección de
semiconductores.
• El fusible mas usado es el tipo gL. (sirve para cortocircuito y sobrecarga)
Para Baja Tensión:
• Clasificación según características funcionamiento
• Identificación mediante letras,la primera letra define la clase de
función y la segunda el tipo de equipo a proteger.
Parte superior
Parte inferior
Lengüetas para instalación
fusible cuerpo
Partes de un fusible NH
indicador
Partes de un fusible NH
CURVA CARACTERISTICA DE
FUSIBLES
Zona
2
Zona
1
Zona
3
INTENSIDAD DE
CORRIENTE
I(A)
Seg.
TIEMPO
FUSIBLES LIMITADORES DE
CORRIENTE
*Limita la Icc a valores inferiores del valor pico de falla
*El valor pico depende de la característica de la red(X/R)
*Material : alambre sección transversal, cintas, etc. sumergido en
relleno de cuarzo que extingue el arco y absorbe la mayor
cantidad de energía generada
ENERGIA GENERADA POR Icc =
*TIPOS DE LIMITADORES DE CORRIENTE (ANSI C37.40)
-Fusible de respaldo
-fusible de aplicación general
-Fusible de rango completo
I t2
FUSIBLE
DE MT
LIMITADOR DE
CORRIENTE
TIPO CEF
8/5/2014 L.Sayas P.
8/5/2014 L.Sayas P.
Partes De Un Fusible De MT
Limitador De Corriente
Fusible de MT
Tipo CEF
Icc=10kA
Inf=63A
Icclim=6kA
Is=1,8x1,4142x10=25,5kA
6kA
Is=25,5kA
Icclim=6kA
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
5ms
Is=25,5kA
Icclim=6kA
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
5ms
Fusible de MT
Tipo CEF
Icc=10kA
Inf=63A
Icclim=6kA
Is=1,8x1,4142x10=25,5kA
6kA
Is=25,5kA
Icclim=6kA
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
5ms
Is=25,5kA
Icclim=6kA
onda antes
de corto
I(A)
t(s)
5ms
Curva Característica de Fusible de MT Tipo CEF
Curva Característica de Fusible de MT Tipo CF
Fusibles como Protección de
transformadores de distribución
Consideraciones •In del transformador
•Curva del daño térmico del transf. Dato típico:(20In--2seg.)
•Curva de daño térmico de los conductores(catálogo de fab.)
•Curva de energización del trafo.(Inrush y carga fria) dato típico
(8 a 12In----0.1 seg.) (IEC-76)
Curvas Típicas del Transformador
In
t
2s
0.1s
8-12 In 20In
Curva de daño térmico del transformador
Curva del fusible
Daño térmico del conductor.
CORRIENTE
Curva de
energización
del transformador
MM TC
Aplicación: Elegir el fusible adecuado un transformador de 630kVA.10/0.23
kV, sabiendo que el fusible debe ser limitador de corriente en MT.
Según CNE T IV
Inf =1.5 In trafo ,(si el valor de cálculo no corresponde en el catalogo
se usa el inmediato superior)
Solución:
InT =630/1.73x10 =36.4A
Inf =1.5x36.4=54,6A normalizando según catalogo
Infn=63A
Datos técnicos del fusible:
Tipo : CEF, Limitador de corriente
Un : 12kV tensión asignada
I1 : Imax de fusible de ensayo 50kA
I3 : Mínima corriente de corte 190 A
Pn : Potencia disipada a la In 78W
628A 437A In=36,4A
Aplicación:
Aplicación:
Aplicación:
Protección de condensadores BT y MT
La corriente nominal del fusible debe ser mayor que la homóloga del capacitor debido a la presencia de armónicas en el sistema y a la mencionada corriente de conexión, siendo aconsejable que la relación no supere al doble para disminuir el riesgo de explosión. Las relaciones de fusión
sugeridas son: entre 1,5 y 1,9 cuando se trate de fusibles cuyo valor de corriente nominal no supera los 30 a 35 A, disminuyendo a valores entre 1,25 y 1,5, para calibres superiores a los citados.
Protección de condensadores BT y MT
Aplicación:
Aplicación:
