Aparamenta de Subestación: Fusibles de M.T. (Parte 1ª)

Definición

Dispositivo de protección que mediante la fusión de uno o más de sus elementos, diseñados especialmente, interrumpe el circuito y corta la corriente cuando esta excede un determinado valor durante un tiempo suficiente.

Clasificación

Básicamente pueden ser de dos clases según sea la tensión de arco generada:

Limitadores de corriente (son los más usados) (alta tensión de arco). Pueden ser:

Ø Fusible de uso general. Garantiza el funcionamiento correcto para corrientes comprendidas entre la que provoca la fusión en 1 hora y la corriente de su "Poder de corte asignado".

Ø Fusibles de uso asociado. Garantiza el funcionamiento correcto para corrientes comprendidas entre la "corriente mínima de interrupción" (indicada por el fabricante) y la corriente al "poder de corte asignado".

Deben ir acompañados de dispositivos de protección contra sobrecargas que eviten el deterioro de estos fusibles (a la vez que proporcionen protección contra sobrecargas de los equipos implicados).

No limitadores de corriente (p.e. los de Expulsión) (baja tensión de arco)

También, los fusibles de alta tensión pueden ser:

-          Fusibles "de interior".

-          Fusibles "de intemperie".

Consideraciones

Comparado con otros dispositivos de protección (como por ejemplo interruptores automáticos), los fusibles de MT presentan:

Ventajas:

                Economía en el coste de primera instalación.

                Especialmente eficaces en la protección contra cortocircuitos.

                Elevado poder de corte (usualmente 50 kA en MT en uT).

                Elevada limitación de corriente (ahorro en dimensionado de la instalación).

Desventajas:

                Actuación únicamente abriendo el cortocircuito y una sola vez.

                Interrupción del servicio, hasta el reemplazamiento del fusible fundido.

                Riesgo de errores en la sustitución o de intervenciones no autorizadas.

                Riesgo de envejecimiento provocando fusiones indebidas.

                Necesidad de sustituir los tres fusibles aunque funda solo uno.

                Interrupción no omnipolar (posible funcionamiento en monofásico).

Elementos constitutivos

Figura 1: Elementos constitutivos de un fusible de MT.

Leyenda de la figura 1:

Cartucho fusible

Es la parte que realiza la función activa del fusible y que debe ser sustituida cada vez que el fusible actúa.

Valores usualmente máximos: 36 kV / 400 A

Casquillo de contacto

Están previstos para establecer contacto con las pinzas de la base y sobre los que están soldados interiormente los elementos fusibles.

Soporte interior

Utilizado únicamente en los fusibles de alta tensión.

Es una pieza cerámica sobre la que se enrolla helicoidalmente el elemento fusible, con objeto de que el cartucho tenga unas dimensiones moderadas.

Cuerpo aislante

Generalmente de material cerámico.

Contiene los elementos fusibles, el material de extinción del arco y los casquillos o cápsulas de conexión con la base.

Material de extinción

Se trata de un material aislante, generalmente arena de cuarzo, que envuelve los elementos fusibles.

Su elevado grado de compacidad , ausencia de humedad, pureza y gránulometría precisa, tiene una influencia determinante en el buen comportamiento frente los cortocircuitos.

Elemento  o  elementos fusible

Constituidos por uno o más conductores en paralelo, de cobre, plata o cobre plateado.

En la tabla se indican los puntos de fusión de estos materiales. Algunos elementos disponen del punto M (Metcaff Point) de punto bajo de fusión (eutéctico "plata-estaño" o "cobre-estaño") que caracteriza los llamados "Fusibles Fríos" que definen el calibre o corriente asignada del fusible.

Percutor

Es un dispositivo auxiliar que permite tener una señal mecánica de la actuación del fusible. Esto se consigue por la fusión de un hilo de resistencia en paralelo con el elemento fusible, el cual retiene un resorte que impulsa el percutor cuando dicho hilo funde.

Su función es provocar la apertura de un "interruptor asociado" dando lugar a un corte omnipolar.

El percutor suele ser un accesorio opcional, necesario únicamente en "fusibles asociados" con interruptores.

Según la carrera del percutor y el esfuerzo del mismo, pude ser de tres tipos:

                Débil (10 a 30 mm)

                Medio (20 a 40 mm) y 20 N (2 Kg) es el más usual

                Fuerte (10 a 16 mm) y 40 N (4 Kg)

Base fusible

Es la parte del fusible insertada permanentemente en el circuito.

Está constituida por dos aisladores que soportan las pinzas en las que se enchufa el cartucho fusible y los terminales parra la conexión de los conductores externos.

Figura 2: Sección: Fusible de expulsión

Funcionamiento

De modo simplificado, puede decirse que la interrupción en los fusibles se consigue cuando:

"La tensión de los múltiples arcos en serie formados por la vaporización de los elementos fusibles supera la tensión aplicada de la red"

Los elementos fusibles pueden ser :

     De sección constante

     De sección variable

En los elementos fusibles de sección constante se puede producir un número indeterminado y elevado de arcos en serie. La tensión de arco de fusible puede ser muy elevada. Los elementos fusibles de sección variable originan una tensión de arco más baja; el número de arcos en serie coincide con el de estrangulamientos de la sección.

La tensión de arco debe ser suficientemente alta pero sin exceder el nivel de aislamiento del circuito, consecuentemente:

Debe asegurarse que la fusión del fusible no produzca sobretensiones excesivas que puedan dañar los aislamientos de los circuitos en los que están instalados.

Las normas establecen valores máximos para la tensión de arco para los distintos niveles de tensión asignada.

Características

Valores característicos de corrientes asignadas en los fusibles de alta tensión

Las normas UNE y CEI definen tres corrientes en los fusibles MT:

                I 1: Poder del corte asignado (kA).

                I 2: Corriente crítica (k In). Es la que origina la máxima energía de arco.

                I 3: Corriente mínima de interrupción (k' In). Es el mínimo valor de corriente que puede ser interrumpido sin problemas por el fusible.

Los valores de I 2 e I 3 (así como In) deben estar marcados en cada fusible.

Figura 3: Placa de características de un fusible de MT

Esquema sobre las corrientes I₁, I₂ e I₃

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:

Figura 4: Gráfico de zonas de corrientes I1, I2, I3 e In

La actuación de los fusibles se evalúa mediante tres curvas o características:

Característica de fusión

Relaciona el tiempo de fusión "t" expresado en segundos y minutos con la corriente de cortocircuito expresada en amperios.

Indican valores medios validos para todas las tensiones asignadas expresados en coordenadas doble logarítmicas.

Corresponden al estado frío (20º).

Figura 5: Características de fusión

La zona a trazos es la "zona incierta" o de posible deterioro de los fusibles es decir que los fusibles pueden fundir pero dando lugar a proyección de fragmentos o llamaradas, si se someten a los valores de corriente / tiempo de estas zonas.

Características de limitación

Relacionan la corriente que circularía en el caso de cortocircuito sin fusibles de protección, con la corriente realmente pasante en caso de cortocircuito del mismo valor pero con fusibles de protección de calibre determinado.

Se representan en escalas doble logarítmica, siendo las abcisas la "corriente de cortocircuito prevista" en kA y las ordenadas la "corriente cortada" en kA de cresta.

Figura 6: Características de limitación

La limitación reduce las solicitaciones dinámicas de los elementos del cortocircuito implicado con el consiguiente ahorro.

El tiempo de actuación de los fusibles se divide en dos fases: el tiempo de fusión  o de prearco y el tiempo de arco. La limitación tiene lugar cuando el tiempo de fusión es inferior a 5 o 10 milisegundos, esto es antes de que se alcance la cresta del cortocircuito simétrico o asimétrico.

Figura 7: Tiempos de actuación

Los fusibles de calibre bajo limitan más que los fusibles de calibres altos.

Características de I²t (Energía específica)

Indican la "energía de fusión" o la "energía de actuación" de los fusibles.

Esta energía circula por todos los elementos del circuito eléctrico produciendo calentamientos, proporcionales a su resistencia ohmica, que pueden ser perjudiciales. Estos calentamientos serán tanto más importantes cuanto mayor sea el valor de I² t del fusible.

Se mide en amperios al cuadrado por segundo y representa la energía disipada durante el tiempo de fusión o total, sobre una resistencia de 1 ohmio, de ahí la denominación de Energía Específica.

También recibe el nombre de Integral de Joule cuya expresión es:

Estas curvas se representan también en coordenadas doble logarítmicas. En abcisas se tiene la corriente de corto circuito prevista (en valor eficaz simétrico) y en ordenadas la I 2 t o la Integral de Joule para cada calibre de fusible. Obsérvese que la I 2 t crece para calibres superiores siendo la cte. de cortocircuito constante.

Figura 8: Energía de actuación

Por ejemplo, para Icc prevista = 10 kA, con fusibles de: In = 40 A y In = 100 A, tenemos, I² t = 3·10⁴ A² s  e  I² t = 2 · 10⁵ A² s respectivamente.

Continua en “Aparamenta de Subestación: Fusibles de M.T.” (y Parte 2ª)
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