Criterios de elección de fusibles para protección de Transformadores

La elección del calibre adecuado de fusibles para la protección de transformadores es una labor delicada que requiere el conocimiento de varios factores que repercuten directamente en las características de fusión y por tanto en las de protección. De hecho un importante número de instalaciones funcionan con fusibles que no aseguran de manera correcta la protección y ocasionan esporádicamente fusiones intempestivas,   

Los catálogos de los fabricantes proporcionan tablas de elección de la intensidad nominal In de los fusibles, en función de la potencia y la tensión MT del transformador.

A título de ejemplo, se reproducen a continuación las tablas correspondientes a los fusibles tipo Fusarc CF (Schneider Electric), para protección de Transformadores.

Estas tablas están elaboradas conforme a la norma CEI 60787 que trata especialmente sobre los fusibles destinados a este uso. Tienen en cuenta las condiciones ambientales de funcionamiento (temperatura ambiente que no exceda de + 40 °C, y una media de un período de 24 horas, de + 35 °C, como máximo), .utilización sin sobrecargas y las tres exigencias fundamentales siguientes:

-          soportar, sin fundirse la cresta de corriente que acompaña la conexión,

-          soportar la corriente en servicio continuo y las eventuales sobrecargas,

-          cortar las corrientes de defecto en los bornes del secundario del transformador.

Se detallan seguidamente los criterios en los que se fundamentan las citadas tablas:

1.- Criterio Térmico

Según el emplazamiento de los fusibles, pueden verse modificadas las condiciones de refrigeración. Este criterio establece que las pérdidas por disipación de calor que se producen en un fusible deberán ser inferiores a las permitidas por el entorno en que se encuentran instalados, la refrigeración no será la misma si funcionan al aire libre, en celdas metálicas o en compartimentos estancos.

En los casos más críticos donde la refrigeración sea reducida o la temperatura ambiente sea superior a 40ºC, deberemos adoptar fusibles de bajas pérdidas o consultar al fabricante del equipo.

2.- Intensidad de conexión en vacío

La conexión de un transformador en vacío provoca un régimen transitorio mayor o menor según sea el instante en que se aplique la tensión y la inducción remanente en que se encuentre circuito magnético. En caso de producirse la conexión al paso por cero de tensión, el valor de la corriente será máximo.

La envolvente de esta corriente de conexión viene dada por la expresión:

Siendo:

Im: Corriente máxima de cresta cuyo valor depende de la potencia del Transformador (Im = n · Int)

Constante de tiempo (su valor viene dado por el tiempo en que la intensidad decrece hasta un 37% de su valor inicial).

t = duración (en segundos) hasta que se estima que la corriente ha alcanzado su valor normal de explotación. Generalmente, se toma t = 3 τ.

La tabla siguiente da los valores indicativos de n y τ en función de la potencia del transformador.

El fusible debe soportar la corriente de conexión en vacío del transformador. Por tanto, la curva intensidad-tiempo de fusión del fusible debe quedar en todo momento a la derecha de la curva así definida.

Una regla práctica, simple y probada, que tiene en cuenta estas exigencias y que evita el envejecimiento del fusible durante su repetición, es verificar que la corriente que hace fundir el fusible en 0,1 s sea siempre superior o igual a 12 veces la corriente In del transformador.

3.- Régimen permanente y de sobrecarga

Para que el fusible no esté sometido a un envejecimiento rápido, la intensidad nominal mínima del fusible debe ser igual o superior a 1,3 veces la intensidad nominal del transformador según las condiciones de temperatura definidas anteriormente.

Si se prevé que el transformador va a funcionar con sobrecarga permanente, la elección del calibre de los cortacircuitos debe también tenerlo en cuenta; aplicándose la siguiente regla: 1,3 Isobrecarga ≤ calibre del cortacircuitos.

4.- Corriente de cortocircuito

Los fusibles deben limitar (mediante su fusión) los daños que pudiera sufrir el transformador debido a la corriente de cortocircuito.

Es necesario asegurar que la corriente a interrumpir sea superior o igual a I3, corriente mínima de corte del fusible.

JUSTIFICACIÓN:

Por su constitución física y comportamiento térmico, los fusibles de A.T. tienen una corriente mínima de fusión inferior a la corriente mínima de interrupción (los fusibles de B.T. no tienen esta peculiaridad).

Por este motivo existe una zona de corrientes peligrosas para los fusibles A.T. y que debe evitarse que pueda presentarse en servicio. El gráfico siguiente muestra la posición de dichos parámetros:

La corriente I3 es un valor límite a respetar para que la fusión de un fusible garantice la apertura del circuito eléctrico.

No es suficiente, ante un cortocircuito en MT, que un fusible funda para interrumpir la corriente ya que, para valores de corriente inferiores a I3 el fusible funde pero no corta el arco, por lo que éste se mantiene hasta que interviene un disyuntor aguas arriba del fusible.

Por tanto, se debe evitar el peligro de que el fusible se funda en la zona comprendida entre In e I3 (Condición necesaria: Icc > I3).  Los valores usuales de I3 suelen estar comprendidos entre 2 y 6 In.

Este es el motivo, en contra de opiniones extendidas, por el cual los fusibles nunca deben proteger contra sobrecargas, estas protecciones se realizan o bien mediante el control de temperatura del transformador o bien mediante relés de sobreintensidad que actúen sobre un interruptor.

El criterio más fiable es que ante la intensidad de cortocircuito trifásica prevista el fusible debe fundir antes de 2 segundos cuando la potencia del transformador sea menor o igual a 630 kVA, o bien antes de 3 segundos si la potencia es mayor de 630 kVA. Es decir:

5.- Corriente de transición (I4)

Este criterio, en muchos proyectos olvidado, es de suma importancia y debe prestársele la atención que merece.

Definiremos por corriente de transición (I4) al valor de la intensidad trifásica para la cual los fusibles y el interruptor intercambian la función de cortar.

Puede significar un riesgo elegir el calibre de los fusibles más elevado del que le corresponde. En los interruptores combinados con fusibles, debido a las tolerancias de las curvas características de los fusibles (aproximadamente ± 20%) los tres fusibles nunca funden a la vez, siempre hay un fusible que interrumpe la corriente antes, mientras que la corriente que pasa por las otras dos fases puede ser interrumpida por el interruptor. Esto sería posible, siempre que el tiempo de apertura del interruptor sea menor que el tiempo que tarda en fundir el siguiente fusible.

Para intensidades superiores a la intensidad de transición del combinado tienen que ser los fusibles los que corten y nunca el interruptor. Para evitar el riesgo de que el interruptor corte intensidades superiores a su poder de corte, se impone la siguiente condición que limita el máximo calibre que puede emplearse:

La corriente de transición del combinado, hallada mediante ensayo, debe ser menor que la intensidad para la que funde el fusible, para un tiempo de 0,9 veces el tiempo de apertura del interruptor, según recomendaciones de la norma IEC 420.

Ejemplo práctico:

A continuación se expone un ejemplo práctico de elección de fusibles siguiendo los criterios descritos anteriormente:

1.- DATOS DE PARTIDA:

Potencia del transformador: 1000 kVA

Relación de transformación: 20.000/420 V

Tensión de cortocircuito: Ucc = 6%

Por tanto la intensidad nominal y de cortocircuito del transformador serán:

2.- ESTIMACIÓN DEL FUSIBLE

Con el valor obtenido de In se estima un valor del fusible de 63 A de 24kV (ver tablas).

Según catálogo de fusibles Fusarc CF (Schneider Electric) este fusible tiene las siguientes características:

Resistencia en frío: R = 22 mΩ

Corriente mínima de corte: I3 = 215 A

3.- VERIFICACIÓN DEL FUSIBLE ELEGIDO

3.1.- Criterio Térmico:

Para que el fusible pueda ser instalado en celdas ruptofusible SM6 ó RM6 (Schneider Electric) las pérdidas en caliente que se producen en los fusibles deberán ser:

Ppérd. < 85 W para celdas SM6

Ppérd. < 60 W para celdas RM6

Estas pérdidas son función de la resistencia en frío del fusible, de la intensidad nominal del transformador y también están afectadas por un factor (1,7) ya que las pérdidas calculadas son en caliente, mientras que la resistencia que estamos utilizando es la resistencia en frío del fusible. Por tanto:

Observamos que estos fusibles se pueden instalar tanto en celdas SM6 como en RM6 ya que sus pérdidas en caliente de 31 W son inferiores a 85 y 60 W, por lo que se da por cumplido el criterio térmico.

3.2.- Intensidad de conexión en vacío

Una vez representada la curva de vacío del transformador se debe verificar que no corta con la de fusión del fusible.

La curva a representar es:

Para los valores de n = 10 

= 0,35  que corresponden a la potencia del transformador, la fórmula a representar sería:

Los puntos que se obtienen de esta curva representada juntamente con la curva del fusible serían:

t	0,01	0,05	0,1	0,2	0,3	0,4	0,7
If	280	250	216	163	122	92	39

Comprobamos así que dicha curva y la de fusión del fusible no se interseccionan, con lo que garantizamos que el fusible no fundirá al conectar el transformador en vacío.

3.3.- Régimen permanente o de sobrecarga

Debe cumplirse: 1,3 · In ≤ If. Sustituyendo valores obtenemos:

1,3 · 28,8 = 37,4 A < 63 A

Se cumple el criterio.

3.4.- Corriente de cortocircuito

Para la potencia del transformador de 1000 kVA debe cumplirse:

De la gráfica del fusible de 63 A obtenemos que para 3 seg. le corresponden If = 260 A. Sustituyendo valores, tendremos:

Se cumple, por tanto el criterio.

Para la corriente mínima de corte debe además cumplirse que  Icc > I3. Sustituyendo valores obtenemos:

Según catalogo: I3 = 215 A

480 A > 215 A

También se cumple el criterio.

3.5.- Régimen de transición

El valor de la corriente de transición para celdas SM6, 24 kV (Schneider Electric) con interruptores combinados es: I4 =1400 A. Por lo que 1400 A > If (36 milisegundos) para fusibles de 24 kV.

De la gráfica del fusible de 63 A obtenemos que para 36 ms. le corresponde I = 800 A. por tanto:

Para celdas SM6: 1400 A > 800 A. Se cumple el criterio

Dado que el fusible estimado cumple con todos los criterios, éste será el adecuado para instalar en la celda ruptofusible SM6 para proteger el transformador.

Se observa la necesidad de consultar al fabricante de las celdas para conocer la corriente de transición del interruptor combinado, sobretodo cuando fusibles y celdas no corresponden al mismo fabricante.

Artículo disponible en pdf en la siguiente URL:

http://www.mediafire.com/view/7gm2xux4of13d2j/Criterios_de_elección_de_fusibles_para_protección_de_Transformadores.pdf