Fusíveis HH — Guia de Aplicação

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Características principais de operação

Fusíveis HH (Alta Capacidade de Interrupção) são dispositivos limitadores de corrente utilizados na proteção de transformadores, motores e bancos de capacitores em média tensão (3,6 kV a 36 kV). Atuam interrompendo correntes de curto-circuito em poucos milissegundos, limitando a energia térmica (I²t) e os esforços eletrodinâmicos nos equipamentos protegidos.

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:

Ou seja, um fusível de tensão nominal 7,2 kV pode ser instalado em sistemas de tensão fase-fase entre 3,6 e 7,2 kV. 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. 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 com faixa de tensão de operação superior às anteriores.

Faixas de tensão padrão (kV)

Máxima tensão de operação

A máxima tensão de operação está relacionada diretamente com a capacidade de interrupção do fusível. A aplicação em sistema com tensão superior à tensão nominal do fusível faz com que os pontos de fusão do elemento não apresentem comprimentos de arco suficientemente longos para provocar sua extinção, comprometendo o tempo de interrupção e a operação segura do fusível HH.

Mínima tensão de operação

A interrupção da corrente de curto-circuito se dá com a contraposição da tensão de arco à tensão da fonte. No momento da interrupção ocorre uma TRT (Tensão de Restabelecimento Transitória), que depende da corrente circulante e das características do fusível.

Um fusível projetado para tensão elevada produz um pico de tensão elevado. O uso de fusível HH em sistemas com tensão de operação muito inferior à tensão nominal pode levar ao surgimento de picos de tensão acima do suportável pelo circuito.

Além disso, uma tensão de operação proporcionalmente baixa pode não produzir energia de arco suficiente para a rápida fusão da areia de quartzo — elemento responsável pela absorção de energia térmica interna ao fusível e consequente resfriamento e extinção do arco através do processo de vitrificação. Assim, o arco permanece por um tempo maior que o previsto, podendo causar superaquecimento que compromete os materiais isolantes e a estrutura mecânica do corpo do fusível.

Corrente nominal e corrente mínima de interrupção

Os fusíveis limitadores de corrente HH não são adequados para proteção contra sobrecargas, pois apenas podem interromper com segurança correntes superiores à sua corrente mínima de interrupção.

A 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 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, dependendo da classe de corrente (1 a 500 A).

Em caso de exposição a correntes de carga superiores à corrente nominal e inferiores a I3 (zona de sobrecarga), haverá fusão parcial dos elementos fusíveis, com as seguintes consequências:

Todos estes efeitos impactam diretamente na temperatura de operação dos fusíveis, submetendo seu corpo a um envelhecimento precoce, deterioração de seus componentes e comprometendo suas características de suportabilidade térmica, podendo em casos extremos gerar a ruptura do corpo isolante de porcelana.

Curvas tempo × corrente

Curva característica de fusão de cada fusível HH da Linha IN, por corrente nominal. Selecione o calibre para visualizar a curva tempo × corrente — base para estudos de coordenação e seletividade.

Temperatura de operação

A temperatura máxima de serviço para fusíveis HH de média tensão DAX Energy com correntes nominais superiores a 200 A, a 75–100% da corrente nominal, é aproximadamente:

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 100 °C, e nas extremidades e terminais a redução de temperatura é ainda mais sensível.

Em casos específicos, os fusíveis HH podem operar com temperaturas máximas admissíveis de 105 °C nos terminais e 220 °C no corpo cerâmico. A alta temperatura de operação não traz problemas ao fusível em si, porém pode provocar elevação de temperatura excessiva no compartimento onde está instalado, causando degradação do isolamento e comprometimento de componentes poliméricos dos equipamentos associados.

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 de instalação também influem na temperatura final.

Limites de corrente de carga (temperatura central ≤ 100 °C)

Para que a temperatura no centro do corpo cerâmico não ultrapasse 100 °C, devem ser respeitados os limites abaixo:

As relações referem-se apenas ao aquecimento do fusível, não levando em conta a correta proteção da carga associada. Para a escolha do fusível deve-se utilizar os critérios específicos para cada tipo de carga.

Resistência ôhmica e potência dissipada

A resistência ôhmica (medida a frio, ~20 °C) e a potência dissipada de cada fusível HH permitem dimensionar a ventilação e o balanço térmico de painéis e cubículos de média tensão. Os valores de potência consideram o fusível operando a 50% da corrente nominal (corrente de carga máxima recomendada).

Tensão de arco

Durante a interrupção, a tensão de arco do fusível HH deve manter-se entre 250 e 350 V (valores determinados experimentalmente). Caso a tensão de arco ultrapasse 400 V, a capacidade de interrupção é reduzida.

Esse equilíbrio entre tensão nominal, comprimento do elemento e energia de arco é o que assegura a extinção rápida da corrente de curto-circuito sem gerar sobretensões perigosas ao circuito — e é a razão pela qual a tensão de operação não deve ser inferior a 50% da tensão nominal do fusível.

Envelhecimento

Em condições ambientais adequadas, operação normal e dimensionamento correto, operando em temperatura não superior à recomendada, o fusível HH não apresenta degradação de suas características ao longo do tempo. Porém, quando submetido às condições abaixo, haverá degradação do elemento fusível:

A verificação da elevação de temperatura de operação durante atividades de manutenção preventiva ou preditiva pode ser um indicador de alteração na resistência ôhmica interna do fusível.

Fusível HH para proteção de bancos de capacitores

[4] — A tensão nominal do fusível deve ser pelo menos 1,5 vezes a tensão de operação do sistema (tensão fase-fase). Em bancos com ligação back-to-back ou em sistemas com surtos de tensão de alta intensidade, deve-se utilizar fusíveis de tensão maior, da ordem de 2 × 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 sua corrente nominal seja a mais alta possível. Como regra prática:

[2] — Para fornecer proteção adequada, o fusível deve situar-se acima do ponto correspondente à corrente de inrush de magnetização e abaixo do ponto de máxima corrente suportável de curto-circuito.

Se a corrente de magnetização não for conhecida, pode-se considerar:

A máxima corrente suportável pelo transformador corresponde à corrente de curto-circuito passante, por um tempo de 2 segundos (conforme ABNT NBR-5356/1981, item 5.5.8.1): I_cc = I_n / z, onde z é a impedância em p.u. O ponto 0,58 × I_cc refere-se à máxima corrente suportável por transformador conexão delta-estrela aterrada, para curto-circuito fase-terra no secundário.

Impedâncias típicas de curto-circuito (ABNT NBR-5356)

Coordenação tempo × corrente

Tabela de seleção — fusível HH para transformadores

Fusível mínimo e máximo recomendado por potência e tensão nominal, atendendo ao critério 1,4·I_trafo ≤ I_fusível ≤ 3·I_trafo e à coordenação com inrush e suportabilidade. Para transformadores que podem operar em sobrecarga, adotar valores próximos ao máximo.

O fusível adotado deve atender também à seletividade com os demais dispositivos de proteção (primário e secundário do transformador).

Proteção secundária (NEC) — máximo dispositivo de sobrecorrente

Em % da corrente nominal do transformador, para primário com tensão > 600 V dotado de fusível.

Fusível 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 qualquer corrente de curto-circuito irá provocar a queima de qualquer fusível em um tempo muito curto. A proteção do circuito é assegurada pelo fusível independentemente de sua corrente nominal.

O dimensionamento real do fusível considera:

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, porém somente em casos onde não seja possível aumentar a corrente do fusível.

Contatores a vácuo + Fusíveis HH

Coordenação Contator × Fusível HH

Os contatores DAX Energy possuem capacidade de interrupção de 6,3 kA simétrico eficaz e corrente momentânea suportável de 55 kA pico por 1/2 ciclo. As condições de aplicação:

Os maiores fusíveis DAX Energy para aplicação em contatores a vácuo:

Para coordenação correta, o fusível deve iniciar a interrupção de correntes maiores que 6 kA em tempo inferior ao de abertura do contator. Uma corrente de 6 kA (12 × In de um fusível de 500 A) inicia fusão em ~80 ms (extinção total em 150 ms). Como o contator inicia abertura em 100 ms, o tempo é satisfatório. Correntes de curto maiores levam à interrupção pelo fusível em tempos muito inferiores a 1 ciclo.