Fusibles HH — Guía de Aplicación
Fusibles limitadores de corriente tipo HH | Línea IN | DAX Energy. Guía técnica completa para la selección y aplicación en media tensión.
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Características principales de operación
Los fusibles HH (Alta Capacidad de Interrupción) son dispositivos limitadores de corriente utilizados en la protección de transformadores, motores y bancos de condensadores en media tensión (3,6 kV a 36 kV). Actúan interrumpiendo corrientes de cortocircuito en pocos milisegundos, limitando la energía térmica (I²t) y los esfuerzos electrodinámicos en los equipos protegidos.
Corriente nominal (In)
Corriente máxima que el fusible soporta de forma continua sin degradación. Debe ser mayor o igual a la corriente nominal del circuito protegido.
Capacidad de interrupción
Mayor corriente de cortocircuito que el fusible puede interrumpir con seguridad. Generalmente 40 kA o 50 kA en media tensión.
Corriente mínima de interrupción (I3)
Menor corriente que el fusible interrumpe con seguridad. Por debajo de este valor el fusible no actúa — debe coordinarse con relé de sobrecorriente.
Tensión nominal
Los fusibles HH del tipo limitador de corriente poseen un rango de utilización definido a partir de su tensión nominal. Este rango corresponde a:
— Máxima tensión de operación, igual o superior a la tensión nominal;
— Mínima tensión de operación, superior al 50% de la tensión nominal del fusible.
Es decir, un fusible de tensión nominal 7,2 kV puede instalarse en sistemas de tensión fase-fase entre 3,6 y 7,2 kV. Siguiendo este criterio queda asegurada su capacidad de interrupción de cortocircuito y el mantenimiento de los valores de tensión de arco dentro de los límites normalizados.
Las clases de tensión de operación desarrolladas y adoptadas anteriormente como estándar en nuestros fusibles fueron definidas mediante proyectos muy específicos y normas internacionales. Con la evolución del diseño y su aplicación se realizó un trabajo de remodelación de los rangos de tensión nominal, optimizando el diseño constructivo, reduciendo el número de variables de producto y ofreciendo equipos estándar con rango de tensión de operación superior a los anteriores.
Rangos de tensión estándar (kV)
| Anterior | Actual |
|---|---|
| 2,4 / 2,75 | 2,4 / 3,6 |
| 3,0 / 3,6 | 2,4 / 3,6 |
| 4,16 / 4,8 | 4,16 / 7,2 |
| 6,0 / 7,2 | 4,16 / 7,2 |
| 10 / 12 | 10 / 12 |
| 13,8 | 13,8 |
| 15 / 17,5 | 15 / 17,5 |
| 20 / 24 | 20 / 24 |
| 30 / 36 | 30 / 36 |
Máxima tensión de operación
La máxima tensión de operación está relacionada directamente con la capacidad de interrupción del fusible. La aplicación en un sistema con tensión superior a la tensión nominal del fusible hace que los puntos de fusión del elemento no presenten longitudes de arco suficientemente largas para provocar su extinción, comprometiendo el tiempo de interrupción y la operación segura del fusible HH.
Mínima tensión de operación
La interrupción de la corriente de cortocircuito se da con la contraposición de la tensión de arco a la tensión de la fuente. En el momento de la interrupción ocurre una TTR (Tensión Transitoria de Restablecimiento), que depende de la corriente circulante y de las características del fusible.
Un fusible diseñado para tensión elevada produce un pico de tensión elevado. El uso de fusible HH en sistemas con tensión de operación muy inferior a la tensión nominal puede llevar al surgimiento de picos de tensión por encima de lo soportable por el circuito.
Además, una tensión de operación proporcionalmente baja puede no producir energía de arco suficiente para la rápida fusión de la arena de cuarzo — elemento responsable de la absorción de energía térmica interna del fusible y el consecuente enfriamiento y extinción del arco mediante el proceso de vitrificación. Así, el arco permanece por un tiempo mayor al previsto, pudiendo causar sobrecalentamiento que compromete los materiales aislantes y la estructura mecánica del cuerpo del fusible.
Por estas razones, la tensión de operación del fusible no debe ser inferior al 50% de su tensión nominal.
Corriente nominal y corriente mínima de interrupción
Los fusibles limitadores de corriente HH no son adecuados para la protección contra sobrecargas, ya que solo pueden interrumpir con seguridad corrientes superiores a su corriente mínima de interrupción.
La corriente mínima de interrupción I3 es la menor corriente de interrupción admisible que contempla el mayor tiempo entre la elevación de la corriente y la ruptura del fusible HH de manera segura. Los valores dependen de la tensión nominal, la longitud del elemento y el diámetro del cuerpo del fusible. El valor de la corriente mínima de interrupción es de 2,5 a 7 veces la corriente nominal, dependiendo de la clase de corriente (1 a 500 A).
En caso de exposición a corrientes de carga superiores a la corriente nominal e inferiores a I3 (zona de sobrecarga), habrá fusión parcial de los elementos fusibles, con las siguientes consecuencias:
— Alteración de la resistencia óhmica del fusible;
— Reducción de la sección transversal del elemento fusible;
— Tiempos de fusión excesivamente largos;
Todos estos efectos impactan directamente en la temperatura de operación de los fusibles, sometiendo su cuerpo a un envejecimiento prematuro, deterioro de sus componentes y comprometiendo sus características de soportabilidad térmica, pudiendo en casos extremos generar la ruptura del cuerpo aislante de porcelana.
Los fusibles HH DAX Energy no son aplicables en la protección contra sobrecargas. Es necesaria la utilización de relés de protección para la detección y protección contra corrientes situadas entre la corriente nominal del fusible y la corriente mínima de interrupción I3. Las curvas tiempo × corriente de los dispositivos de protección contra sobrecarga deben pasar por debajo de los puntos correspondientes a la corriente I3.
Fusibles — Rango 6 A a 73 A
| Nominal (A) | Corriente (A) | Tiempo (s) |
|---|---|---|
| 6 A | 16 A | 750 s |
| 10 A | 24 A | 120 s |
| 16 A | 35 A | 60 s |
| 25 A | 60 A | 35 s |
| 32 A | 85 A | 30 s |
| 40 A | 110 A | 25 s |
| 50 A | 130 A | 23 s |
| 63 A | 170 A | 22 s |
| 73 A | 220 A | 20 s |
Fusibles — Rango 100 A a 630 A
| Nominal (A) | Corriente (A) | Tiempo (s) |
|---|---|---|
| 100 A | 310 A | 20 s |
| 125 A | 400 A | 20 s |
| 160 A | 480 A | 20 s |
| 200 A | 630 A | 20 s |
| 250 A | 820 A | 20 s |
| 315 A | 1000 A | 20 s |
| 400 A | 1300 A | 20 s |
| 500 A | 1500 A | 20 s |
| 630 A | 1700 A | 20 s |
Temperatura de operación
La temperatura máxima de servicio para fusibles HH de media tensión DAX Energy con corrientes nominales superiores a 200 A, al 75–100% de la corriente nominal, es aproximadamente:
Terminales de conexión
85 °C
Extremos del cuerpo cerámico
110 °C
Centro del cuerpo cerámico
160 °C
En situación real de uso normal, la corriente de carga debe ser como máximo el 50% del valor de la corriente nominal del fusible HH. En esa situación la temperatura máxima en el centro del cuerpo cerámico cae a valores inferiores a 100 °C, y en los extremos y terminales la reducción de temperatura es aún más sensible.
En casos específicos, los fusibles HH pueden operar con temperaturas máximas admisibles de 105 °C en los terminales y 220 °C en el cuerpo cerámico. La alta temperatura de operación no trae problemas al fusible en sí, pero puede provocar una elevación de temperatura excesiva en el compartimento donde está instalado, causando degradación del aislamiento y compromiso de componentes poliméricos de los equipos asociados.
La temperatura varía en función de la resistencia óhmica del elemento fusible, de las características físico-químicas de la arena utilizada como medio aislante y disipador de calor, y de las características del tubo cerámico. Las condiciones de ventilación del lugar de instalación también influyen en la temperatura final.
Recomendación: Al momento de la selección, considerando valores nominales iguales (tensión, corriente y capacidad de interrupción), se recomienda siempre que sea posible la utilización del fusible de mayor dimensión disponible. Los fusibles de mayores dimensiones poseen una temperatura de operación menor en comparación con fusibles de las mismas características eléctricas con dimensiones menores, pues el aumento de la potencia disipada es proporcionalmente menor que el aumento de su área de disipación de calor.
Límites de corriente de carga (temperatura central ≤ 100 °C)
Para que la temperatura en el centro del cuerpo cerámico no supere los 100 °C, deben respetarse los límites siguientes:
| Long. "e" | I ≤ 100 A | 100–200 A | 200–400 A | 500 A |
|---|---|---|---|---|
| 225 mm | 0,80 × Ifusible | 0,70 × Ifusible | — | — |
| 325 mm | 0,90 × Ifusible | 0,75 × Ifusible | 0,60 × Ifusible | — |
| 475 mm | 0,95 × Ifusible | 0,75 × Ifusible | 0,60 × Ifusible | 0,55 × Ifusible |
| 570 mm | 0,95 × Ifusible | 0,75 × Ifusible | 0,60 × Ifusible | 0,55 × Ifusible |
Las relaciones se refieren únicamente al calentamiento del fusible, sin tener en cuenta la correcta protección de la carga asociada. Para la elección del fusible deben utilizarse los criterios específicos para cada tipo de carga.
Envejecimiento
En condiciones ambientales adecuadas, operación normal y dimensionamiento correcto, operando a temperatura no superior a la recomendada, el fusible HH no presenta degradación de sus características a lo largo del tiempo. Sin embargo, cuando se somete a las condiciones siguientes, habrá degradación del elemento fusible:
Corrientes de sobrecarga
Ocasionan la quema parcial del elemento fusible, causando una alteración en su resistencia óhmica y comprometiendo su capacidad de conducción permanente.
Corrientes transitorias de alta frecuencia
Sobretensiones repetitivas de corriente (como la energización de condensadores back-to-back) causan fatiga térmica en los elementos fusibles.
Corrientes transitorias inferiores a I3 por tiempos superiores a los previstos
Corrientes de arranque, energización o inrush que exceden los valores establecidos de duración provocan deterioro.
Cortocircuito trifásico sin actuación de las 3 fases
Puede causar sobrecalentamiento, quema indebida o, en casos extremos, la ruptura del cuerpo de porcelana o de los contactos eléctricos por sobrecalentamiento.
La verificación de la elevación de la temperatura de operación durante actividades de mantenimiento preventivo o predictivo puede ser un indicador de alteración en la resistencia óhmica interna del fusible.
Fusible HH para protección de bancos de condensadores
[1]— Los bancos de condensadores generalmente presentan una elevada corriente de energización (inrush). Los fusibles seleccionados para la protección deben poseer una curva tiempo × corriente que presente soportabilidad a esas corrientes, permitiendo la energización del banco sin la quema de los fusibles. El número de maniobras, las corrientes de inrush, la operación back-to-back, las tensiones transitorias de maniobra y las corrientes armónicas influyen directamente en el comportamiento de los fusibles.
[2]— Los fusibles HH limitadores de corriente son fusibles del tipo "respaldo", destinados a interrumpir corrientes elevadas de cortocircuito. No son adecuados para la protección de sobrecargas. Así, un fusible limitador debe presentar la mayor corriente nominal posible que garantice los límites de corriente de corte de acuerdo con la soportabilidad de los equipos asociados.
[3] — La combinación de fusible con condensadores en general lleva a la elección de fusibles con corriente nominal de 2,5 a 4 veces la corriente nominal del banco. Corrientes inferiores pueden llevar al fusible a la quema por las corrientes de inrush o eventuales corrientes armónicas. Corrientes nominales más elevadas no darían una protección correcta a los condensadores.
Banco individual
≥ 2,5 × Ibanco
Considerando todas las posibles variaciones de la capacitancia y de la tensión de alimentación.
Back-to-back (bancos en paralelo)
~ 4 × Ibanco
A menos que la corriente de inrush sea limitada a valores próximos al de energización sin back-to-back.
[4] — La tensión nominal del fusible debe ser al menos 1,5 veces la tensión de operación del sistema (tensión fase-fase). En bancos con conexión back-to-back o en sistemas con sobretensiones de alta intensidad, deben utilizarse fusibles de mayor tensión, del orden de 2 × la tensión del sistema.
Estos valores de referencia son orientativos. Lo ideal es el cálculo de las corrientes de energización y la selección del fusible HH a partir de estos valores, ya sea de un banco único o de aplicaciones back-to-back. Para fusibles que protegen condensadores instalados junto a motores, debe verificarse la forma de conexión (barras independientes o barra común).
Fusible HH para protección de transformadores
La protección de un transformador mediante fusible limitador de corriente debe tener en cuenta las siguientes condiciones:
[1] — La corriente nominal del fusible debe ser superior a la corriente nominal del transformador, incluyendo las sobrecargas admisibles. Debido al pronunciado calentamiento del fusible, conviene que su corriente nominal sea la más alta posible. Como regla práctica:
Criterio de selección (según NEC)
1,4 × Itrafo ≤ Ifusible≤ 3 × Itrafo
Para el cálculo de la corriente nominal del transformador, considerar la potencia máxima con todas las etapas de refrigeración en operación.
[2] — Para proporcionar una protección adecuada, el fusible debe situarse por encima del punto correspondiente a la corriente de inrush de magnetización y por debajo del punto de máxima corriente soportable de cortocircuito.
Si la corriente de magnetización no se conoce, puede considerarse:
Imag = 12 × In
Tmag = 0,1 s
Imag = 20–25 × In
Tmag = 0,01 s
(según ANSI/IEEE Std. 242-1986)
La máxima corriente soportable por el transformador corresponde a la corriente de cortocircuito pasante, por un tiempo de 2 segundos (según ABNT NBR-5356/1981, ítem 5.5.8.1): Icc = In / z, donde z es la impedancia en p.u. El punto 0,58 × Icc se refiere a la máxima corriente soportable por un transformador con conexión delta-estrella aterrada, para cortocircuito fase-tierra en el secundario.
Tabla de selección — transformadores de distribución
Valores de referencia para transformadores con impedancia estándar (Z = 4–6%).
| Potencia (kVA) | Tensión | Fusible | Cap. Interrupción |
|---|---|---|---|
| 75 | 15 kV | 2 A | 50 kA |
| 112.5 | 15 kV | 3,15 A | 50 kA |
| 150 | 15 kV | 3,15 A | 50 kA |
| 225 | 15 kV | 6,3 A | 50 kA |
| 300 | 15 kV | 10 A | 50 kA |
| 500 | 15 kV | 16 A | 50 kA |
| 750 | 15 kV | 25 A | 50 kA |
| 1000 | 15 kV | 31,5 A | 50 kA |
| 1500 | 15 kV | 40 A | 50 kA |
| 2000 | 15 kV | 63 A | 50 kA |
| 2500 | 15 kV | 80 A | 50 kA |
| 75 | 36 kV | 2 A | 40 kA |
| 112.5 | 36 kV | 2 A | 40 kA |
| 150 | 36 kV | 2 A | 40 kA |
| 225 | 36 kV | 3,15 A | 40 kA |
| 300 | 36 kV | 3,15 A | 40 kA |
| 500 | 36 kV | 6,3 A | 40 kA |
| 750 | 36 kV | 10 A | 40 kA |
| 1000 | 36 kV | 16 A | 40 kA |
| 1500 | 36 kV | 20 A | 40 kA |
| 2000 | 36 kV | 25 A | 40 kA |
| 2500 | 36 kV | 31,5 A | 40 kA |
Fusible HH para protección de arranque de motores
La función de los fusibles limitadores de corriente es proteger el circuito contra corrientes de cortocircuito. Dentro de este principio, la corriente del fusible puede ser bastante alta en relación con la corriente de carga, pues cualquier corriente de cortocircuito provocará la quema de cualquier fusible en un tiempo muy corto. La protección del circuito queda asegurada por el fusible independientemente de su corriente nominal.
El dimensionamiento real del fusible considera:
— La corriente del fusible debe ser lo suficientemente baja para que la corriente de corto limitada sea inferior a la capacidad de los componentes protegidos;
— La corriente debe ser lo suficientemente alta para que el fusible no se queme durante el arranque;
— Debe haber coordinación con el relé de protección contra sobrecargas;
— El fusible debe soportar la posibilidad de arranques sucesivos o a cortos intervalos (ítem más crítico en la definición del fusible para protección de motores).
Para motores de construcción normal, sin características especiales, en general el fusible adecuado posee una corriente del orden de 2 a 2,5 veces la corriente nominal del motor. Para motores con bajas corrientes de arranque se pueden aceptar corrientes de carga ligeramente mayores que el 50% de la corriente del fusible, pero solo en casos donde no sea posible aumentar la corriente del fusible.
La operación del fusible con una corriente mayor al 50% de su nominal lleva a un calentamiento pronunciado del cuerpo de porcelana, lo que debe evitarse siempre que sea posible. Si la corriente de arranque es menor que 6 × In, como en el caso de arranque con reactor o autotransformador, adoptar un fusible con corriente por encima de la obtenida en las curvas, procurando satisfacer la condición Ifusible ≥ 2 × Imotor.
Contactores de vacío + Fusibles HH
[1] — Los contactores de vacío son dispositivos destinados a ejecutar un elevado número de maniobras de interrupción bajo carga en condiciones normales de operación, siendo ideales para el comando de motores, bancos de condensadores y cargas que requieren conmutación frecuente.
[2] — Por la tecnología empleada en sus interruptores de vacío, los contactos eléctricos no son adecuados para la interrupción de corrientes de cortocircuito. Los contactores son equipos de maniobra, a diferencia de los interruptores automáticos empleados en la protección contra cortocircuito.
Interruptor
Bajo n.º de maniobras
Alto poder de interrupción
Contactor
Alto n.º de maniobras
Bajo poder de interrupción
[3] — En sistemas donde la corriente de cortocircuito supera la capacidad del contactor, es necesario utilizarlo junto con un dispositivo que limite o elimine esta corriente en un tiempo inferior al de apertura del contactor. Por esta razón, los contactores normalmente se instalan con fusibles HH: el contactor conmuta las corrientes normales y sobrecargas, y el fusible interrumpe las corrientes de cortocircuito.
[4] — Los contactores de vacío DAX Energy poseen corriente nominal de 400/630 A, corriente soportable de corta duración y capacidad de interrupción de 6,3 kA. Por lo tanto, su uso en sistemas con corrientes de corto superiores a 6,3 kA demanda la utilización de Fusibles HH asociados.
[5] — Los Fusibles HH limitadores poseen capacidades de interrupción de hasta 100 kA. Para fusibles de hasta 7,2 kV asociados al contactor, la máxima corriente es 500 A con capacidad de ruptura 31,5 kA, llevando la corriente limitada por debajo de la capacidad de cierre del contactor.
Interrupción del contactor
6,3 kA
Pico momentáneo (1/2 ciclo)
55 kA
Corriente limitada por el fusible
~40–45 kA pico
Coordinación Contactor × Fusible HH
Los contactores DAX Energy poseen capacidad de interrupción de 6,3 kA simétrico eficaz y corriente momentánea soportable de 55 kA pico por 1/2 ciclo. Las condiciones de aplicación:
[A] — Sin fusibles HH: corriente de cortocircuito del sistema ≤ 6,3 kA;
[B] — Con fusibles HH: corriente limitada por el fusible ≤ 55 kA pico, con duración ≤ 1/2 ciclo.
Los mayores fusibles DAX Energy para aplicación en contactores de vacío:
HH 4,16/4,8 kV — 400 A — 40 kA
Limita una corriente de 40 kArms a ~40 kA pico, duración ~1/4 de ciclo.
HH 4,16/4,8 kV — 500 A — 31,5 kA
Limita una corriente de 31,5 kArms a ~45 kA pico, duración ~1/4 de ciclo.
Para una coordinación correcta, el fusible debe iniciar la interrupción de corrientes mayores que 6 kA en un tiempo inferior al de apertura del contactor. Una corriente de 6 kA (12 × In de un fusible de 500 A) inicia la fusión en ~80 ms (extinción total en 150 ms). Como el contactor inicia la apertura en 100 ms, el tiempo es satisfactorio. Corrientes de corto mayores llevan a la interrupción por el fusible en tiempos muy inferiores a 1 ciclo.
Nota: En sistemas donde la tensión de mando se obtiene de la misma barra que alimenta la carga, se recomienda usar el fusible de menor calibre posible o que la tensión de mando provenga de otra fuente, preferiblemente corriente continua.
¿Necesita ayuda con la selección?
Nuestro equipo de ingeniería puede dimensionar el fusible ideal para su aplicación específica, incluyendo estudios de coordinación y selectividad.