Fusíveis HH | Guia de aplicação
FUSÍVEIS LIMITADORES DE CORRENTE TIPO HH – Linha IN
Predecessores, fusíveis HH – INEPAR | ARTECHE | MONTEMA
Características principais de operação
Tensão nominal
Os fusíveis HH do tipo limitador de corrente possuem uma faixa de utilização definida a partir de sua tensão nominal. Esta faixa corresponde a:
– Máxima tensão de operação, igual ou superior à tensão nominal;
– Mínima tensão de operação, superior a 50% da tensão nominal do fusível;
Ou seja, um fusível de tensão nominal 7,2 kV pode ser instalado em sistemas de tensão fase-fase entre 3,6 e 7,2kV. Seguindo este critério, fica assegurada sua capacidade de interrupção de curto-circuito e manutenção dos valores de tensão de arco dentro dos limites normalizados.
As classes de tensão de operação anteriormente desenvolvidas e adotadas como padrão em nossos fusíveis foram definidas através de projetos muito específicos e normas internacionais, devido a isto existiam várias classes de tensão nominal de operação, onde eram mantidas faixas bem estreitas de tensão nomimal mínima e máxima de aplicação. Com a evolução do projeto e sua aplicação, foi realizado um trabalho de remodelagem das faixas de tensão nominal, otimizando o projeto construtivo, reduzindo o número de variáveis de produto e oferecendo equipamentos padrão que possuem uma faixa de tensão de operação superior as anteriores.
Desta forma estão padronizadas as seguintes classes de tensão nominal:
Máxima tensão de operação, a máxima tensão de utilização está relacionada com a capacidade de interrupção do fusível. O uso em sistema com tensão superior à tensão nominal do fusível faz com que os pontos de fusão do elemento fusível prata não apresentem comprimentos de arco suficientemente longos para provocar sua extinção. Ou seja, a elevada tensão mantém o arco, de modo que não há a interrupção da corrente, pelo menos no tempo previsto.
A interrupção da corrente de curto-circuito se dá com com a contraposição da tensão de arco à tensão da fonte. Ao final do processo de interrupção aparece um pico de tensão, que depende da corrente circulante e das características do fusível. Um fusível projetado para tensão elevada produz um pico de tensão elevado.
Mínima tensão de operação, deste modo, o uso de fusível HH em sistemas com tensão de operação muito inferior à tensão nominal do fusível pode levar ao surgimento de picos de tensão acima do suportável pelo circuito. Além disso, uma tensão de operação proporcionalmente baixa pode não produzir uma energia de arco suficiente para a rápida fusão da areia de quartzo, elemento responsável pela absorção de energia térmica interno ao fusível e consequente resfriamento e extinção do arco, através do processo de vitrificação da areia. Assim, o arco permanece por um tempo maior que o previsto, podendo causar um superaquecimento que pode comprometer os materiais isolantes e estrutura mecânica do corpo do fusível.
Por essas razões a tensão de operação do fusível não deve ser inferior a 50 % de sua tensão nominal.
Corrente nominal e corrente mínima de interrupcão
Os fusíveis limitadores de corrente HH não são adequados para proteção contra sobrecargas, pois apenas podem interromper com segurança correntes superiores a sua corrente mínima de interrupção.
Corrente mínima de interrupção I3, é a menor corrente de interrupção admissível que contempla o maior tempo entre a elevação da corrente ao rompimento do fusível HH de maneira segura. Os valores de corrente mínima de interrupção dependem da tensão nominal, comprimento do elemento e diâmetro do corpo do fusível. O valor da corrente mínima de interrupção é de 2,5 a 7 vezes a corrente nominal do fusível, dependento da sua classe de corrente, estas que abrangem correntes 1 a 500A. No caso de fusíveis expostos a correntes de carga superiores a sua corrente nominal de operação e inferiores a corrente mínima de interrupção, é configurado um ambiente desfavorável ao fusível HH, configurando uma situação de operação em sobrecarga. Neste cenário, haverá fusão parcial dos elementos fusiveis, onde a soma das tensões de arco originadas nestes pontos de fusão será inferior à tensão mínima necessária para interrupção total da corrente de falta. O cenário de sobrecarga sem atuação, pode trazer as seguitnes consequências:
– Alteração da resistência ohmica do fusível;
– Redução da seção transversal do elemento fusível;
– Tempos de fusão excessivamente longos;
Todos estes efeitos impactam diretamente na temperatura de operação dos fusíveis, submetendo seu corpo a um envelhecimento precoce, deterioração de seus componentes e compromentendo suas características de suportabilidade térmica, podendo em casos extremos gerar a ruptura do seu corpo isolante de porcelana.
Os fusíveis HH são recomendados para proteção contra correntes de curto-circuíto, sendo necessária a utilização de reles de proteção para detecção e proteção contra correntes situadas entre a corrente nominal do fusível e a corrente mínima de interrupção I3. Neste caso, as curvas tempo x corrente dos dispositivos de proteção contra sobrecarga devem passar, portanto, abaixo dos pontos correspondentes à corrente I3, conforme tabela abaixo:
Temperatura de operação
A temperatura máxima de serviço para fusíveis HH de média tensão DAX Energy com correntes nominais superiores a 200A, é aproximadamente:
– Terminais de conexão, 85ºC | Extremidades do corpo cerâmico, 110ºC | Centro do corpo cerâmico, 160ºC.
Estas temperaturas referem-se a situação em que a corrente da carga situa-se entre 75% e 100% da corrente nominal do fusível. Em situação real de uso normal, a corrente de carga deve ser no máximo 50% do valor da corrente nominal do fusível HH, nessa situação a temperatura máxima no centro do corpo cerâmico cai para valores inferiores a 100ºC, nas extremidades do corpo cerâmico e nos terminais de conexão a redução de temperatura é percebida de maneira mais sensível. Teoricamente ou em casos específicos, os fusíveis HH podem operar com as máximas temperaturas admissíveis abaixo:
– Terminais de conexão, 105ºC | Corpo cerâmico, 220ºC.
A alta temperatura de operação não traz problemas ao fusível, porém pode provocar a elevação de temperatura excessiva no compartimento onde este está instalado, caso a temperatura do compartimento exceda os valores máximos permissíveis de temperatura máxima de operação dos equipamentos associados dentro do mesmo compartimento, poderá haver degradação do isolamento, compromentimento de componentes poliméricos e efeito negativo na vida útil destes materiais.
Na prática, admite-se que o fusível trabalhe com uma temperatura de até 100ºC no centro do corpo cerâmico.
A temperatura varia em função da resistência ôhmica do elemento fusível, das características físico-químicas da areia utilizada como meio isolante e dissipador de calor e das características do tubo cerâmico. As condições de ventilação do local onde o fusível está instalado também influem na temperatura final. Em função disso é possível que fusíveis de mesmas características nominais apresentem temperaturas de operação distintas, mesmo que operando em condições similares.
Considerando que as grandezas físico-químicas dos elementos que compõe os fusíveis HH, quando corretamente aplicados, não se alteram com o tempo, e se mantenham as características de carga, operação do sistema e demais equipamentos associados, a verificação da elevação de sua temperatura de operação durante atividades de manutenção preventiva ou preditiva, pode ser um indicador de que há uma alteração em sua resistência ohmica interna.
No momento da seleção do tamanho de um fusível, considerando valores nominais iguais, tensão, corrente e capacidade de interrupção, recomenda-se sempre que possível a utilização do fusível de maior dimensão disponível dentro da faixa de tensão selecionada. Quanto maior a dimensão do fusível, maior é a sua potência dissipada, porém o aumento da potência dissipada é proporcionalmente menor que o aumento de sua área de dissipação de calor, portanto fusíveis de maiores dimensões possuem uma temperatura de operação menor quando comparados a fusíveis de mesmas características elétricas, porém com dimensões menores.
Considerando apenas o efeito térmico na operação do fusível, para que a temperatura no centro do corpo cerâmico não ultrapasse o limite 100ºC, devem ser respeitados os limites de corrente de carga informados na tabela abaixo:
INSERIR TABELA
As relações das correntes da tabela referem-se apenas ao aquecimento do fusível, não levando em conta a correta proteção da carga associada. Para a escolha do fusível a ser aplicado deve-se utilizar os critérios específicos para cada tipo de carga, além de atender as relações acima
Envelhecimento
Se dimensionado corretamente, em operação normal, com condições ambientes adequadas, sem excesso de umidade,poluentes ou temperatura de operaçao superior a recomendada, o fusível HH não apresenta degradação de suas características ao longo do tempo. Porém quando submetido a:
– Correntes de sobrecarga;
– Correntes transitórias de alta frequencia;
– Correntes transitórias inferiores a corrente mínima de interrupçao e superiores a faixa de operação nominal por tempos de patida / energizaçao / inrush superiores aos valores estabelecidos;
– Ocorrência de curto-circuíto trifásico onde não há atuação das 03 fases;
Haverá a degradaçaoao do elemento fusível, visto que tais correntes transitórias levam a queima parcial dos elementos fusíveis causando alteração em sua resistência ohmica, consequentemente comprometendo sua capacidade de condução permanente, apresentando aquecimento excessivo, queima indevida ou em casos extremos a ruptura do corpo de porcelana ou seus contatos elétricos por superaquecimento.
Fusível HH para proteção de Bancos de Capacitores
[1] – Bancos de capacitores geralmente apresentam uma elevada corrente de energização, chamada de corrente de inrush. Os fusíveis selecionados para proteção de bancos de capacitores devem possuir uma curva de tempo x corrente que apresente suportabilidade a essas correntes, permitindo a energização do banco de capacitores sem a queima dos fusíveis. O número de manobras realizadas, as correntes de inrush dos capacitores, a operação back-to-back, as tensões transitórias de manobra e a presença de correntes de harmônicos são fatores que influem diretamente no comportamento dos fusíveis de proteção.
[2] – Fusíveis HH limitadores de corrente são fusíveis do tipo “de retaguarda”, ou seja, são fusíveis destinados a interromper correntes elevadas de curto-circuito. Eles não são adequados para proteção de sobrecargas, portanto é fato que podem vir a danificar-se caso sejam submetidos a estas correntes e condições adversas de aplicação. Assim, um fusível limitador deve apresentar a maior corrente nominal possível que garanta os limites de corrente de corte de acordo com a suportabilidade dos equipamentos associados e opere com as correntes de energização fora de sua zona de sobrecarga.
[3] – A combinação de fusível com capacitores em geral leva à escolha de fusíveis com corrente nominal de 2,5 a 4 vezes a corrente nominal do banco. Correntes inferiores podem levar o fusível à queima pelas correntes de inrush ou eventuais correntes harmônicas, enquanto que correntes nominais mais elevadas não dariam uma proteção correta aos capacitores.
Para bancos individuais a corrente do fusível deve situar-se acima de 2,5 vezes a corrente nominal do banco de capacitores (considerando todas as possíveis variações da capacitância e da tensão de alimentação).
Para ligação de bancos em paralelo (ligação back-to-back), ou seja, com mais de um banco ligado à mesma barra, a corrente do fusível deve situar-se próxima a 4 vezes a corrente nominal do banco, a menos que a corrente de inrush seja limitada a valores próximos à corrente de energização que o banco apresentaria sem a ligação back-to-back.
Esses valores de referência são orientativos, sendo o ideal o calculo das correntes de energização e seleção do fusível HH a partir destes valores, seja de um banco de capacitores único, ou aplicações em back-to-back – mais de um banco de capacitores na mesma barra. Para fusíveis protegendo capacitores instalados junto a motores deve-se verificar a forma de ligação (barras independentes ou barra comum). É usual haver diversos motores conectados a uma mesma barra, com funcionamento simultâneo e, portanto, dando um efeito de ligação paralela aos capacitores.
[4] – A tensão nominal do fusível deve ser pelo menos 1,5 vezes a tensão de operação do sistema onde o banco está instalado (tensão fase-fase). Em bancos com ligação back-to-back ou em sistemas onde forem previstos surtos de tensão de alta intensidade, deve-se utilizar fusíveis de tensão maior, da ordem de 2x a tensão do sistema.
Fusível HH para proteção de Transformadores
A proteção de transformador por meio de fusível limitador de corrente deve levar em conta as seguintes condições:
[1] – A corrente nominal do fusível deve ser superior à corrente nominal do transformador, incluindo as sobrecargas admissíveis. Devido ao pronunciado aquecimento do fusível é conveniente que a sua corrente nominal seja a mais alta possível. Como regra prática recomenda-se que a corrente do fusível seja pelo menos da ordem de 1,4 vezes a corrente do transformador. Este fator evita, também, que o fusível seja submetido a sobrecargas caso o transformador opere com carga acima de sua potência nominal. A corrente do fusível não deve ser maior que 3 vezes a corrente do transformador (conforme o NEC) – 1,4 x ITransformador ≤ IFusível ≤ 3 x ITransformador. Esta condição pode ser ligeiramente diferente para transformadores de pequena potência em função da não disponibilidade de fusíveis com correntes iguais às calculadas. Para o cálculo da corrente nominal do transformador deve-se considerar a potência máxima, com todos os estágios de refrigeração em operação.
[2] – Para fornecer uma proteção adequada ao transformador o fusível deve situar-se acima do ponto corespondente à corrente de inrush de magnetização e abaixo do ponto de máxima corrente suportável de curto-circuito.
INSERIR GRAFICO
Se a corrente de magnetização não for conhecida, pode-se considerar:
Imag = 12 x In Tmag = 0,1 seg ou Imag = 20 a 25 x In Tmag = 0,01 seg (conforme ANSI/IEEE Std. 242-1986 – Buff Book 5.11.5)
onde In corresponde à corrente nominal do transformador.
A máxima corrente suportável pelo transformador corresponde à corrente de curto-circuito passante pelo transformador, por um tempo de 2 segundos (conforme ABNT NBR –5356/1981, item 5.5.8.1): ICC = In / z TCC = 2 seg onde In corresponde à corrente nominal do transformador e z corresponde à sua impedância em p.u.
O ponto 0,58 ICC refere-se à máxima corrente suportável por transformador conexão delta-estrela aterrada, para um curto-circuito fase-terra no secundário.
Segundo a ABNT NBR-5356/1981, item 5.5.2.3, as impedâncias típicas para transformadores são:
Fusíveis HH para proteção de partida de motores
A função de fusíveis limitadores de corrente é proteger o circuito contra correntes de curto-circuito. Dentro deste princípio, a corrente do fusível pode ser bastante alta em relação à corrente de carga, pois pode-se dizer que qualquer corrente de curto-circuito irá provocar a queima de qualquer fusível em um tempo muito curto. A proteção do circuito, portanto, é assegurada pelo fusível independentemente de sua corrente nominal.
O dimensionamento real do fusível considera:
– a corrente do fusível deve ser baixa o suficiente para que a corrente de curto limitada seja inferior à capacidade dos componentes protegidos. Este item em geral não é crítico;
– a corrente deve ser alta o suficiente para o fusível não queimar durante a partida;
– Deve haver coordenação com o relé de proteção contra sobrecargas;
– o fusível deve ser alto o suficiente para que o fusível não queime durante a partida do motor, considerando a possibilidade de partidas sucessivas ou a curtos intervalos. Este item é o mais crítico na definição do fusível na proteção de motores;
INSERIR GRAFICO
Para motores de construção normal, sem características especiais, em geral o fusível adequado possui corrente da ordem de 2 a 2,5 vezes a corrente nominal do motor. Para motores com baixas correntes de partida pode-se aceitar correntes de carga ligeiramente maiores que 50 % da corrente do fusível. Isto, porém, somente deve ser feito em casos onde não seja possível aumentar a corrente do fusível.
A operação do fusível com corrente maior que 50 % de sua nominal leva a um aquecimento pronunciado do seu corpo de porcelana, o que deve ser evitado sempre que possível.
Curvas de aplicação para partida de motor:
Para motores com corrente de partida da ordem de 6 vezes a corrente nominal, o fusível é obtido dos gráficos a seguir, em função do tempo de partida. Em situações limites usar sempre o fusível maior.
Se a corrente de partida for menor que 6 vezes a nominal, como no caso de partida com reator ou auto-transformador, adotar fusível com corrente acima do obtido nas curvas, procurando satisfazer a condição IFUSÍVEL 2 x INOMINAL DO MOTOR.
Características principais na operação de Contatores a vácuo + Fusíveis HH
[1] – Contatores a vácuo são dispositivos destinados a executar um elevado número de manobras de interrupção sob carga em condições normais de operação / corrente nominal, sendo ideais para comando de motores, banco de capacitores e outras cargas que requerem um chaveamento frequente. Portanto sua principal característica é a capacidade de realizar um alto número de manobras frequentes.
[2] – Consequentemente, pela tecnologia empregada em seus interruptores a vácuo, aptos a realizar um alto número de manobras em condições normais de operação, os contatos elétricos empregados nos contatores a vácuo não são adequados para interrupção de correntes de curto-circuito. Contatores a vácuo, são equipamentos para manobra, diferente de disjuntores empregados na proteção contra correntes de curto-circuíto. Principal diferença entre contatores e disjuntores:
Disjuntor, baixo número de manobras, alto poder de interrupção;
Contator, alto número de manobras, baixo poder de interrupção;
Estas características são válidas para todos os tipos de contatores, independentemente do seu tipo construtivo, meio de extinção do arco ou fabricante
[3] – Em sistemas onde a corrente de curto-circuito ultrapassa a capacidade do contator é necessário utilizá-lo em conjunto com algum dispositivo que limite ou elimine esta corrente em um tempo inferior ao tempo de abertura do contator. Por esta razão contatores normalmente são instalados em conjunto com fusíveis HH. Deste modo o contator chaveia as correntes normais de carga e as eventuais sobrecargas, ficando a cargo do fusível a interrupção das correntes de curto-circuíto.
[4] – Os contatores a vácuo de média tensão fabricados pela DAX Energy possuem corrente nominal de 400/630A, corrente suportável de curta duração e capacidade de interupção de 6,3 kA. Portanto seu uso em sistemas com correntes de curto-circuito superiores a 6,3kA demanda da utilização de Fusíveis HH associados.
[5] – Os Fusíveis HH do tipo limitador de corrente, possuem capacidades de interrupção de até 100kA, dependendo de sua tensão, corrente nominal e dimensões. Para fusíveis de até 7,2 kV máxima tensão admissível associados ao contator, a máxima corrente existente é de 500 A com capacidade de ruptura 31,5 kA, o que leva a uma corrente limitada inferior à capacidade de fechamento do contator ou à sua corrente suportável de curta duração, garantindo a sua correta operação.
[6] – Na aplicação dos fusíveis HH em conjunto com os contatores deve-se assegurar que a capacidade de interrupção do fusível seja superior à corrente de curto-circuito do sistema.
Coordenação Contator x Fusível HH
Os contatores DAX Energy possuem capacidade de interrupção de 6,3kA simétrico eficaz e uma corrente momentânea suportável de 55 kA pico por 1/2 ciclo. As condições de aplicação do contator, portanto, são:
[A] – Sem fusiveis HH, a corrente de curto-circuito do sistema deve ser igual ou inferior a 6,3kA;
[B] – Com fusiveis HH, a corrente limitada pelo fusível deve ser no máximo 55 kA pico, com duração menor ou igual a meio ciclo.
Os maiores fusíveis de fabricação DAX Energy, para aplicação em contatores a vácuo apresentam as seguintes características:
– Fusível HH 4,16/4,8kV 400A 40kA, limita a corrente de curto presumida de 40 kArms em
aproximadamente 40 kA pico, com uma duração da ordem de 1/4 de ciclo;
– Fusível HH 4,16/4,8 kV 500A 31,5 kA, limita a corrente de curto presumida de 31,5 kArms em
aproximadamente 45 kA pico, com uma duração também da ordem de 1/4 de ciclo;
Assim, observa-se que os fusíveis de maiores correntes, conseqüentemente de menor limitação, levam a correntes passantes menores que as correntes suportadas pelo contator, sendo, portanto, adequados ao uso com o contator contator a vácuo.
Outro ponto que deve ser atendido para haver a correta coordenação é que o fusível deve iniciar a interrupção de correntes maiores que 6kA em um tempo inferior ao de abertura do contator, para evitar que possa haver uma operação simultânea e o contator realize a abertura dos contatos principais com corrente maior que sua capacidade de interrupção. Uma corrente de 6kA corresponde a 12 vezes a corrente de um fusível de 500A, nesta situação o fusível iniciará sua fusão em um tempo próximo a 80 ms (com extinção total em 150 ms). Como o contator inicia sua abertura com 100 ms, o tempo acima é satisfatório.
Correntes de curto-circuito maiores levam a uma interrupção pelo fusível em tempos muito inferiores a 1 ciclo, assegurando a manutenção do contator em seu estado fechado.
Esta verificação deve ser feita em sistemas onde a tensão de comando é obtida da mesma barra que alimenta a carga e que, portanto, sofre uma grande queda durante a ocorrência de um curto-circuito.
Esta é uma situação muito particular, visto que é difícil que haja motores de grande porte em sistemas de corrente de curto-circuito muito baixas (combinação fusível de alta corrente + corrente de curto baixa), somado ao fato de que a tensão de comando do contator venha do mesmo sistema através de transformador de comando.
Quando isto ocorre recomendamos que seja usado fusível de menor calibre possível ou que a tensão de comando seja de outra fonte, preferencialmente corrente contínua.
