INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERA MECNICA Y ELCTRICA- UNIDAD ZACATENCO

CARRERA: INGENIEA ELCTRICA

PROTECCIONES ELCTRICAS

FUSIBLES PARA PROTECCIN

PROFESOR: M. Castillo Lpez Valentina ALUMNOS: Rodrguez Garca Bruno Prez Pineda Erick Retana Mora Francis Alejandro

GRUPO: 8EM2

FECHA: 31 de Marzo 2015FUSIBLE LIMITADOR DE CORRIENTE

Caractersticas de operacinA. Fusibles de respaldo o rango parcial (back up)Su campo de funcionamiento satisfactorio en trminos de corriente est definido: Corriente mnima de interrupcin Mxima capacidad interruptivaEn el extremo de corriente mnima de interrupcin se pueden encontrar fusibles con tiempos de fusin tan pequeos como 0.02 segundos o tan grandes como 1000 segundos, dependiendo su diseo.B. Fusibles de aplicacin general Los fusibles de este tipo deben de ser capaces de interrumpir satisfactoriamente todas las corrientes de falla comprendidas entre su mxima capacidad interruptiva y aquellas corrientes que causen su fusin en una hora o menos C. Fusibles de rango completoEstos fusibles son capaces de interrumpir satisfactoriamente, bajo condiciones especificadas de uso y comportamiento, todas las corrientes que causan la fusin del elemento sensible a la corriente. Los tiempos mximos de fusin que se tienen para estos fusibles son hasta de ocho horas.Las caractersticas de limitacin de corriente representan la relacin entre la corriente disponible de falla en un circuito dado y el valor de la corriente de paso libre que un fusible permite fluir.

Cuando un fusible limitador de corriente opera, siempre genera un voltaje de arqueo. Esta sobretensin depende tanto del tiempo instante de iniciacin de la falla sobre la onda de tensin del sistema como del tipo de diseo del fusible. Cuando se aplica un fusible limitador de corriente debe tomarse siempre en consideracin esta sobretensin, pues existe el peligro de que se daen los apartarrayos con su operacin Nota: Existen tres tipos de curvas: las curvas caractersticas promedio de fusin tiempo-corriente, las curvas instantnea pico y curvas .El primero se aplica para todo tipo de fusible y los ltimos dos para fusibles limitadores de corriente.

Curvas de operacin

Figura I.- Curvas de corriente- tiempo de fusin de fusibles limitadores de corriente de propsitos generales para 23kV

Figura 2.- Curvas de limitacin x10 corriente para fusibles limitadores de corriente de propsito generales para 25 kVrea de InstalacinLa aplicacin actual es la proteccin de transformadores y bancos de capacitores donde se prevean niveles de corto circuito altos.Definicin de elementos fusibles de proteccin El fusible limitador se define como un dispositivo de proteccin limitador de corriente que cuando opera reduce el flujo de corriente en el circuito fallado a una magnitud considerablemente menor que la que se obtiene en el mismo circuito si el dispositivo se reemplaza con un conductor solido de igual impedancia.El fusible est formado por un elemento sensible a la corriente, un tubo contenedor, un ncleo o araa y arena de cuarzo.El elemento sensible a la corriente est formado por cintas o alambres fusibles conectados en paralelo entre s. Cuando son alambres, estos son de seccin transversal circular constante a lo largo de toda su longitud. Estos fusibles producen tensin de arco directamente relacionada con la corriente de falla, sin relacin alguna con la tensin del circuito.El material ms altamente utilizado es la plata electroltica o sus aleaciones cuyas principales caractersticas son: Buena conductividad trmica, baja resistencia elctrica, excelente en la interrupcin de altas corrientes de falla.La funcin del ncleo es sostener las cintas fusibles, las cuales generalmente se devanan en forma helicoidal sobre l. A continuacin se muestra una tabla de valores nominales de fusibles limitadores

Tabla W.- Valores nominales de fusibles limitadoresFUSIBLE DE EXPULSIN rea de InstalacinSe instalan para proteccin de transformadores de 75 y 112 kVDefinicin de elementos fusibles de proteccin Las normas EEI-NEMA han dividido a los fusibles de expulsin en dos tipos:Rpidos y lentos, los cuales son designados por las letras K y T, respectivamente. Los eslabones K y T del mismo valor nominal tienen puntos idnticos a los 300 segundos. La figura 3 tiene curvas distintas de tiempo- corriente y que el tipo T es ms lento en altas corrientes de falla que el tipo K.Las distinciones entre los dos tipos es la relacin de velocidad, la cual es la relacin entre la corriente de fusin a 0.1 segundos y 300 segundos para los eslabones nominales por debajo de 100 Amperes, y de 0.1 segundos, y 600 segundos para eslabones nominominados por encima de 100 amperes . Los fusibles lentos tienen relaciones de velocidad entre 10 y 13 y los fusibles rpidos entre 6 y 8.1. Se han diseado otros eslabones fusibles con relacin de velocidad diferentes a las de los tipos K y T; dichos eslabones son designados por las letras H y N.Los tipo H son diseados para proveer proteccin de sobrecarga y evitar la operacin innecesaria durante las ondas de corrientes transitorias de corta duracin asociadas con arranque de motores y descargas atmosfricas; los eslabones N se disean con valores nominales de uno, dos, tres, cinco y ocho amperes. La tabla X muestra las corrientes mnimas y mximas de fusin y la relacin de rapidez para fusibles tipo K y T

Tabla X.- Datos caractersticos de eslabones tipo K y T

Figura 3.- Curvas distintas de tiempo- corrienteUna vez operado el elemento sensible a la corriente, la interrupcin se logra no solo por la reaccin del tubo aislante de material ablativo y por la expulsin del cable de cobre estaado, sino tambin por la accin de cada del tubo porta fusible. Inmediatamente despus de que ocurre la fusin del elemento sensible a la corriente aparece el arco, cuya temperatura es superior a 12 000 que al estar en contacto con el material ablativo forma una capa envolvente de vapor a una temperatura del orden de 3000. En este tipo de fusibles el arco es enfriado por conveccin, siendo el flujo refrigerante generado por la vaporizacin del material aislante por el arco. La extincin del arco se logra por la accin de dos agentes Enfriamiento por conveccin de los gases des ionizantes que se generan a alta presin. La expulsin hacia el exterior del cable de cobre estaado, el cual estuvo conectado previamente el elemento sensible a la corriente.Nota : El trabajo que desarrolla un fusible durante su operacin por corto circuito est en funcin del incremento de temperatura y la presin generada en su interior, de manera que cuando su magnitud es excedida ms all de su capacidad interruptiva el fusible se puede daar e incluso hasta explotar .Caractersticas de operacinEn la figura 4 Se representa la caracterstica de operacin bajo la accin de corriente de falla de baja y alta magnitud a la tensin del sistema.Despus que la corriente de arco se reduce a cero, para asegurar la interrupcin definitiva de la corriente de falla, la rigidez dielctrica del fusible debe ser mayor que la tensin de restablecimiento.

Figura 4.- Rigidez dielctrica y tensin de restablecimiento entre los bornes del fusible

Figura 5.- Configuracin bsica de un fusible de expulsin

Fusible de potencia.Definicin. Es un dispositivo que por la fusin de uno o ms de sus componentes especialmente diseados y dimensionados, abre el circuito al que se encuentra interconectado e interrumpe la corriente cuando esta excede un valor dado durante un tiempo suficiente. Lo anterior lo realiza por medio de la cada automtica del portafusible a una posicin que proporciona una distancia de aislamiento despus de que el fusible ha operado.Caractersticas de operacin.Son diseados para instalarse en subestaciones, lneas de distribucin y subtransmision, en donde los requerimientos de capacidad interruptiva son altos.Existen portafusibles que pueden reutilizarse despus que se fundi el elemento fusible en este caso se dice que nicamente lo que se reemplaza es el elemento de relleno que contiene el fusible y hay portafusibles que una vez operados tienen que ser reemplazados completamente.Incorporan elementos de fusibles de plata o nquel-cromo de precisin no deteriorables con caractersticas de tiempo-corriente excepcionalmente precisas que aseguran no slo un rendimiento fiable, sino tambin una continua confiabilidad de los planes de coordinacin de sistemas.Con los fusibles de potencia SMD, los dispositivos del lado de la fuente se pueden configurar para una operacin ms rpida que la prctica con otros fusibles de potencia o disyuntores, brindando as una mejor proteccin del sistema sin comprometer la coordinacin.

reas de implementacin en los SEP.Son especialmente adecuados para proteger transformadores, bancos de condensadores y cables en subestaciones de distribucin en exteriores.

Curvas de operacin.

Figura 6.- Curva de operacin

Fusible de Tres DisparosDefinicin. Es una combinacin de tres cortacircuitos fusible montados en una base e interconectados con dispositivos mecnicos de tal forma que un solo portafusible (con el fusible) pueda conectarse a un tiempo. Cuando opera ese portafusible, se conecta automticamente el siguiente portafusible al circuito. De esta manera se permite una o dos restauraciones sin necesidad de cambiar el elemento fusible fundido.Caractersticas de operacin.Ejemplo. Cortacircuito fusible tipo XS de triple disparoLa caracterstica clave del cortacircuito de fusible tipo XS de triple disparo es su contacto de transferencia de corriente giratorio. Si el primer fusible opera en respuesta a una falla, retira un mbolo y libera el mecanismo de energa almacenada dentro del contacto de transferencia de corriente. La energa almacenada gira el contacto y engancha al segundo fusible, lo que restaura el servicio. Si la falla persiste, el segundo fusible opera de la misma manera al enganchar al tercer fusible.El mecanismo de energa almacenada se carga mediante el aro de reinicio operado por prtiga en la base del cortacircuito. Adems, el aro de reinicio indica el fusible energizado. Para reiniciar el mecanismo, inserte una punta de prtiga a travs del aro de reinicio y gire el mecanismo en el sentido contrario a las agujas del reloj. Cuando reinicie, el mecanismo se pondr en posicin, listo para la siguiente operacin.reas de implementacin en los SEP.Actualmente se ha incrementado la instalacin de los dispositivos llamados fusible restaurador de dos y tres disparos, estos equipos constan de dos o tres cortacircuitos fusibles por fase, segn el caso, los cuales se conectan a la fuente mediante una barra comn y la salida se conecta al primer cortacircuito fusible.Este dispositivo se usa como una solucin econmica de proteccin en ramales de gran longitud y de caractersticas de carga generalmente rurales, aprovechando el hecho de que las fallas de mayor incidencia son del ripo de una fase a tierra. Curvas de operacin.Ejemplo. Fusible positrol , velocidad estndar S&C.

Figura 7.- Curva de operacin

Figura 8.- Fusible en hexafluoruro de azufre

Fusibles en Hexafluoruro de AzufreCaractersticas del fusibleEl hexafluoruro de azufre (SF6) ha sido ampliamente usado en la manufactura del equipo elctrico, ya que tiene como operacin principal extinguir el arco originado por las sobrecorrientes de carga y corto circuito. Para que el hexafluoruro de azufre sea un medio ms eficaz en la extincin del arco se requiere que est a una presin mayor que la atmosfrica, es decir, que sus propiedades dielctricas y extintoras del arco elctrico varan en razn directamente proporcional a la presin que se encuentra el contenido.El hexafluoruro de azufre gaseoso ha demostrado ser un medio excelente del enfriamiento del arco y de aislamiento para los interruptores. Es un compuesto muy estable, inerte hasta las 500 C, no inflamable, no txico, incoloro y carente de olor. El comportamiento electronegativo del SF6, es decir, la propiedad de capturar electrones libres y formar iones negativo, ocasiona la rpida recuperacin de la resistencia dielctrica del canal del arco inmediatamente despus de la extincin del arco.rea de InstalacinLos fusibles de hexafluoruro de azufre son empleados en las redes de distribucin subterrnea, dado que son para uso de interiores y de tipo limitador de corriente, actualmente se construyen para 15,5 kV, 27 kV y 38 kV de tensin de diseo, y con capacidades de 200 A 600 A nominales, para 15,5 kV y 27 kV tienen un intervalo de 20 kA de capacidad interruptiva y para 38 kV tienen un intervalo de 13,5 kA de interrupcin. En la siguiente imagen se muestra un fusible en hexafluoruro de azufre.Estos interruptores utilizan hexafluoruro de azufre como medio aislante y para extincin del arco. Este tiene en comparacin con el aire a la misma presin una rigidez dielctrica hasta tres veces mayor. Lo anterior se debe principalmente a su electronegatividad, ya que debido a su estructura molecular, captura electrones libres conductores. Otra razn importante para la rpida extincin del arco es su alta conductividad trmica, que permite un enfriamiento y desionizacin rpida del arco.Al igual que en el caso de los interruptores neumticos para voltajes muy altos de operacin se puede operar varias cmaras de interrupcin en serie. Las capacidades de estos interruptores es muy alta, por ejemplo, 80 kA a 800 kV, 50 kA a 420 kV y 40 kA a 245 kV. Estos interruptores pueden ser de diseo para interiores en subestaciones encapsuladas, o para arreglos de subestaciones al intemperie diseos del tipo tanque vivo o muerto.

Figura 9.- Interruptor SF6 tanque muerto.Figura 10.- Interruptor SF6 tanque vivoFusibles al vacorea de aplicacin del fusible al vacoEn este tipo de interruptores se tienen ambos contactos en una cmara al vaco en el rango de 10 4 10 9 bar. La alta capacidad dielctrica del vaco permite una distancia entre los contactos de 6 a 25 mm en posicin abierto. Este tipo de interruptores tienen principalmente aplicacin en voltajes medios hasta 38 kV. Aunque existen hasta niveles de 70 kV. Son considerablemente compactos, prcticamente no requieren de mantenimiento y tienen larga vida de operacin (30000 interrupciones a corriente nominal, 100 de corto circuito).

Caractersticas de operacin del fusible al vacoSe tienen dos contactos montados sobre una envolvente aislante de la cual se ha evacuado aire. Un contacto fijo y el otro es mvil. La interrupcin en vaco tiene la ventaja inherente de mover un contacto ligero a solo una distancia muy pequea en un medio dielctrico casi perfecto. Esto produce una interrupcin segura y rpida de las corrientes de carga de falla.En los interruptores de vaco el arco elctrico se presenta por vaporizacin del material de los contactos, como consecuencia de las altas temperaturas concentradas en algn punto de los contactos y a la presencia del alto vaco en la cmara. Al cruce por cero de la seal se condensa la mayor parte del vapor de metal en los contacto, por lo que no existe gran prdida de material. Los contactos son comnmente de cobre y cromo. Por lo anterior, la forma y material de los contactos del interruptor son importantes para el comportamiento del arco.El arco elctrico es conducido en su propio campo magntico, mientras que el movimiento del mismo y su estado es controlado por el arreglo de los contactos. Con los contactos ranurados se tienen arcos difusos a bajos niveles de corriente, concentrndose al elevarse la corriente. As que, cerca al cruce por cero de la seal se tienen arcos difusos que son ms fciles de extinguir.Para evitar un sobrecalentamiento de los contactos en el punto donde se presenta el arco, las ranuras diagonales hacen que el arco gire alrededor de los contactos y no se concentre en un solo punto, por otro lado el campo magntico lo arroja hacia la parte externa de los contactos.Figura 11.- Interruptor al vacoPrincipio de funcionamientoCuando se separan los contactos a travs de los cuales fluye la corriente, la explosin del ltimo puente de metal hace que se forme un arco de vapor metlico. Este arco, que consiste exclusivamente en el material del contacto vaporizado, es mantenido por la alimentacin externa de energa hasta que la corriente pasa otra vez por el valor cero. En ese momento se extingue finalmente el arco y el interruptor de vaco recupera su capacidad de aislamiento dielctrico, es decir, puede soportar la tensin transitoria de ruptura. Para asegurar una correcta extincin del arco cuando la corriente alcanza el valor cero, se ha de evitar a toda costa que los contactos sufran una erosin importante durante el paso de la corriente ms fuerte. Para intensidades de aproximadamente 10 kA el arco de vaco empieza a contraerse, lo que puede observarse en primer lugar por la aparicin de manchas en el nodo. La contraccin, dependiente en parte del material de contacto, hace que suministre ms cantidad de energa a estos, reduciendo por tanto la capacidad del espacio de vaco para extinguir el arco despus de que la corriente haya alcanzado el valor cero.Los contactos ms ampliamente utilizados generan un campo magntico radial (RMF, Radial Magnetic Field), que crea una fuerza electromagntica segn la regla de la mano derecha que acta sobre el arco de vaco contrado. EL arco contrado se desplaza sobre la superficie del contacto a una velocidad de 70 -150 m/s. Esta alta velocidad asegura que la erosin de los contactos sea menor, mejorando tambin de forma significativa la capacidad de interrupcin de la corriente.La capacidad de interrupcin de los interruptores de vaco puede incrementarse tambin utilizando sistemas de contacto que generen un campo magntico axial (AMF). Cuando se aplica una densidad de flujo magntico en paralelo al flujo de corriente en el arco, la movilidad de las ondas portadoras perpendiculares al flujo se reduce considerablemente. Esto es especialmente cierto en el caso de los electrones, los cuales tienen una masa menor que los iones. Figura 12.- Interruptores al vaco RMF y AMF11