Protección de alimestadores Con fusibles

Protección de

alimestadores

L.Sayas P.

Introducción

• En el seccionamiento de líneas aéreas de distribución llevan como elemento de protección y de maniobra seccionadores fusibles de expulsión (CUT-OUT) • También se utilizan en la protección contra cortocircuitos de líneas y transformadores de distribución

L.Sayas P.

Introducción

• Protegen contra cortocircuitos • Es el método de protección mas antigua • Se basa en el incremento de la temperatura que sufre el elemento fusible, al pasar la sobrecorriente

• El tiempo de fusión es inverso a la sobrecorriente

L.Sayas P.

Ventajas

• Es un método de protección simple

• Relativamente económico

• Limita y extingue las

corrientes de cortocircuito en ¼ de ciclo, reduciendo así las solicitaciones térmicas y dinámicas en la instalación

• Su funcionamiento es

• Poca precisión

• Envejecimiento

•Tiempos

de

operación

demasiado

prolongados para las sobrecargas

• No es conveniente para sobre corrientes

débiles

• No deben ser reparados (pierde sus

características)

• Si actúa una fase debe cambiarse los tres

Icc prevista(Is max)

t1 t2 Icc limitada onda antes de corto I(A) t(s)

t1 : Pre arcing t2 : Arcing

T =t1 +t2 tiempo total de aclaración aprox. 1/4 de ciclo(5ms)

Clasificación De Los Fusibles

Para Media Tensión

:

Por el tipo de operación;

* Tipo expulsión(FE)

Fusibles de expulsión

CLASES:

-

De un solo elemento fusible

- De dos elementos fusibles(para bajas corrientes y longitud corta.

MATERIAL:

Puede ser de plata ,Cu,Pb,Estaño o aleaciones.

CLASES POR

CAPACIDAD

DE INTERRUPCION:

-Expulsión de Potencia(alta capacidad de corte) -Expulsión tipo listón(baja capacidad de corte)

Clasificación de los fusibles tipo expulsión

Clasificación según la velocidad:

-

Fusibles de expulsión (Tipo N,K,T)

Por el tipo de utilización:

-Fusibles de Potencia(2.18-169 kV)....X/R=10-25 -Fusible de distribución(5.2-38kV)...X/R=8-15

Selección para distribución

•

La selección depende de la filosofía de protección que

se aplique al sistema

•

Fusibles tipo rápidos (K),

desconectan al sistema de

fallas en menor tiempo y coordinan mejor con los relés

•

Los fusibles Lentos(T),

soportan corrientes

transitorias mayores(Corrientes de arranque, carga fría,

etc.) y coordinan mejor con otros fusibles de la misma

clase y de clase diferente)

Relación de rapidez

•

Características de los fusibles (K) y lento (T);

Según

ANSI C37.43.

•

Para los fusibles K

se definió un ratio de velocidad de 6 a 8.

•

Para los fusibles T

un ratio de velocidad de 10 a 13.

•

El ratio de velocidad es la razón de la corriente mínima de

fusión a 0.1s a la corriente mínima de fusión a 300s o

600s(140A y 200A), dependiendo de la corriente rating del

fusible.

Relación de rapidez

600 Ix Iy 0,1 In>140A 300 Ix Iy 0,1 In<100A Iy/Ix= 6-8 ( T ) Iy/Ix= 10-13 ( K )

Otra característica

•

Adicionalmente

a

estos

puntos,

también

es

especificado

the long-time continuous current

de un

fusible. Este generalmente sería

150% del rating para

fusibles de estaño

y

100% del rating para fusibles de

plata.

Selección de fusibles

Para la selección se tiene en cuenta:

• Máxima carga normal • La corriente de arranque • La carga fría

Para seleccionar la tensión adecuada se debe tener en cuenta:

• Conexión del sistema • Tensión del sistema

• Conexión de los transformadores del sistema • Tipo de aterrizaje a tierra

Capacidad de los fusibles para distribución

• Según NEMA los fusibles pueden llevar una carga continua de 150% de su valor nominal

• Las temperaturas extremas y las precargas afectan las curvas t-I es necesario tener presente. In (KoT) 6 8 10 12 15 20 25 30 40 50 65 80 100 140 200 Icontinua(A) 9 12 15 18 23 30 38 45 60 75 95 120 150 190 300

Como se selecciona el calibre de los fusibles en forma practica ?: 6 con 10, 10 con 15 o 8

Seccionador

Fusible De

Expulsión Tipo

CUT-OUT

AISLADOR HERRAJES DE COLOCACION TUBO PORTAFUSIBLE GANCHOS DE SUJECION CONTACTOS SUPERIORES PERNO DE GIRO DISPARADOR CONTACTOS INFERIORES

CARACTERISTICA DE RESPUESTA DE FUSIBLES DE EXPULSIÓN

I(A) t(S)

TIEMPO MINIMO DE FUSION (MINIMUM MELTING)

TIEMPO DE INTERRUPSION TOTAL (TOTAL CLEARING TIME)

TIPOS DE FE LISTON: -Tipo K respuesta rápida -Tipo T respuesta lenta

CARACTERISTICA DE RESPUESTA DE

FUSIBLES DE EXPULSIÓN

CARACTERISTICA DE RESPUESTA DE

FUSIBLES DE EXPULSIÓN

CARACTERISTICA DE RESPUESTA DE FUSIBLES DE EXPULSIÓN Tipo k GRAFICO No.1

CARACTERISTICA TIEMPO-CORRIENTE (TCC) DEL FUSIBLE 10K

0.01 0.10 1.00 10.00 100.00 1000.00 10 100 1,000 CORRIENTE EN AMPERIOS t( s ) 10k

MAXIMUM CLEARING TIME (tiempo máximo de interrupción)

MINIMUM MELTING TIME (tiempo mínimo de fusión)

300

15

The long-time continuous current del fusible 10K

Otros tipos

de curva

CARACTERISTICAS

Seccionador Electrónico Restablecible (SER)

• Dispositivo de protección para redes aéreas de distribución

• Posee un censor electrónico incorporado

• Discrimina una falla temporal de una falla permanente

• Mejora el sistema de coordinación con reclosers

• Es montado en un seccionador estándar

• Abre como un tubo porta fusible Para dar una indicación visual de una falla permanente

• Después de reparar la falla simplemente se reestablece

Evolución:

Fusible tipo Link

SER

SELECIÓN E INSTALACIÓN

• Tensión del sistema

• Corriente permanente de carga

• Corriente de actuación

• Numero de

operaciones(Counts)

• Dispositivos ubicados aguas arriba y aguas a bajo.

Características Eléctricas que

Definen un Fusible en MT

• Vn y In

• Capacidad de interrupción (sim o asim)

• BIL nivel básico del aislamiento

• Respuesta de operación

• Velocidad de respuesta (K o T)

• Servicio interior o exterior

Consideraciones que debe

tenerse presente al

seleccionar fusibles en MT

• Icc mínimo en el punto de

instalación (punto

final del tramo protegido)

• Relación X/R en la impedancia equivalente(Ze)

• Curva de daño de los elementos a

proteger(conductor, transf. Etc)

• Curva de Energización de del transformador

(Inrush y carga fría)

Elección del

Fusible

en MT

A) Para Proteger Alimentadores

Troncales

k I



_{CARGA MAXIMA}



I

_{NOMINAL FUS}



025

.

I

_{CC MIN}

K >/= 1.2 Factor de crecimiento de la carga considera la Energización

Ejemplo

: Seleccionar los fusibles en los puntos indicados del sistema eléctrico mostrado utilizar fusibles tipo expulsión listón velocidad

lenta los fusibles son de estaño.

F1

F2 F3

F4

F5 ICC = 253 A

ICCmin=246 Iccmin =252 Iccmin =158

Iccmin =163 30A

45A _{15A 23A}

31A

I Permanente de fusible =1.5(In) para fusible tin =1.0(In) para fusible silver

Solución: Para F1 30*1.2 < F1n <0.25 * 253 36 < Ipf < 63.5

Iperm. De fus =1.5*25=37.5 por lo tanto se elige In=25A tipo M25T.

Aplicación:

seleccionar los fusibles en los puntos indicados utilizar fusibles de velocidad rápida y de material plata.

F1

F2 F3

F4

F5 ICC = 253 A

ICCmin=246 Iccmin =252 Iccmin =158

Iccmin =163 30A

45A _{15A 23A}

31A

Fx

Protección de transformadores de

distribución

•

Consideraciones

•

Tecnología de los

fusibles en BT

•

Fusibles de expulsión

•

Fusibles limitadores

de corriente

•

Interruptores TM

Consideraciones

• Protección de sobrecarga

• Protección por cortocircuito

• Protección de fallas internas

Consideraciones

• La NEC (National Electric Code) provee los estándares mínimos de protección de sobrecorrientes para el ajuste de los dispositivos de protección de transformadores.

A. Transformadores con tensiones nominales superiores a 600V

• Si no existe protección secundaria, estos transformadores requieren como protección primaria un interruptor(CB) o fusible que disparará a no mas del 300% o 150% de la corriente nominal del transformador respectivamente.

• Si existe un interruptor(CB) o fusible en el secundario los requerimientos de protección dependen de la tensión de cortocircuito del transformador y voltaje secundario además del tipo de protección como se resumen en la Tabla No.2.

Consideraciones

Tabla No.2 Máxima Protección de Sobrecorriente en %

Impedancia Lado primario Lado secundario

nominal del V prim>600V V sec>600V V sec  600V transformador I setting I nom I setting I nom I setting CB CB fusible CB fusible o Inom fuse

Vcc  6% 600% 300% 300% 150% 250%

Consideraciones

B. Transformadores con tensiones nominales menores o iguales a 600V

• Estos transformadores requieren esencialmente protección primaria a 125% Inom cuando no se tiene una protección secundaria, y 250% Inom como máxima protección primaria si existe una protección secundaria ajustado a no mas de 125% Inom del transformador.

Consideraciones

• Los fusibles como protección primaria de los transformadores deben ser capaces de hacer lo siguiente:

• (1) Soportar la corriente de energización del transformador (magnetizing inrush current). En general el inrush current de los transformadores puede llegar de 8 a 12 veces la corriente nominal del transformador por un período máximo de 0.1s. Este punto debe caer debajo de la curva del dispositivo de protección primario del transformador.

• (2) Eliminar un cortocircuito franco secundario antes que el transformador sea dañado. De acuerdo con IEEE Std 462-1973, los transformadores estándar son diseñados para soportar los esfuerzos internos causados por cortocircuitos en los terminales externos dentro de las siguientes limitaciones:

Consideraciones

1. 25.0 veces la corriente base por 2s 2. 20.0 veces la corriente base por 3s 3. 16.6 veces la corriente base por 4s 4. 14.3 veces la corriente base por 5s

Consideraciones

• Tener en cuenta es el desplazamiento relativo en el punto de daño que ocurre en un transformador delta-estrella con el neutro de la estrella aterrado en el lado de baja tensión. Una falla monofásica a tierra secundaria de 1pu producirá una corriente de falla de 1pu en el devanado delta del lado primario, pero causará solamente una corriente del 57.8% en la línea del devanado delta donde se encuentra el fusible primario. Por esto un segundo punto de daño, correspondiente a lo dado por IEEE Std 462-1973 deberá trazarse a 57.8% del punto normal.

•

• (3) El fusible deberá ser selectivo con los equipos de protección instalados antes y después y taimen con la curva que determina la capacidad térmica del transformador.

Fig. 1: Falla trifásica Relación Ifalla por devanados secundarios/primarios = 1/1 = 1.00

Fig. 2: Falla bifásica Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866

Fig. 3: Falla monofásica a tierra

Fig. 4: Falla monofásica a tierra Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(1/3)= 1.732 R S T r s t 1 1 1 1/3 1 1 1 1/3 1/3 R S T r s t 0 1 1 1/3 1/3 0 R S T r s t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1/3 1/3 2/3 R S T r s t 1 0 0 0 0 0 1/3 1/3 1/3 1:1/3 1:1/3 1:1/3 1:1/3

Fig. 1: Falla trifásica Relación Ifalla por devanados secundarios/primarios = 1/1 = 1.00

Fig. 2: Falla bifásica Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866

Fig. 3: Falla monofásica a tierra

Fig. 4: Falla monofásica a tierra Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(1/3)= 1.732 R S T r s t 1 1 1 1/3 1 1 1 1/3 1/3 R S T r s t 0 1 1 1/3 1/3 0 R S T r s t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1/3 1/3 2/3 R S T r s t 1 0 0 0 0 0 1/3 1/3 1/3 1:1/3 1:1/3 1:1/3 1:1/3

Curva de daño térmico

• Las curvas de daño de los equipos y

materiales son proporcionadas por los

fabricantes sin embargo, para el caso de

transformadores se puede tomar el criterio

establecido en la

“Guía de duración de

corrientes de

transformadores”(P784/D4 de la

norma ANSI C 57.12.00 para transformadores

auto enfriados de 1-500kVA:

L.Sayas P.



ANSI C57.12.00 1985

:

* 1,05 Un secundaria a plena carga, sin exceder limites de calentamiento a frecuencia nominal

* 1,10 Un secundaria en vacío, sin exceder limites de calentamiento a frecuencia nominal.



VDE 0532:

* Inducción admisible Bmax =1,05 Bn a fn y plena carga

* Bmax = 1,3 Bn a fn y t = 5min. Hasta 40 MVA

* Bmax = 1,3 Bn a fn y t = 30 seg. Para Sn > 40 MVA

Límites de Funcionamiento

L.Sayas P.



En un ciclo normal la I < 1,5 In



t < 140°c (velocidad de

degradación responde a una

función

exponencial

de

la

temperatura de modo que la

perdida se duplica para cada

incremento de 6°c

Límites de Funcionamiento

L.Sayas P.

 Los transformadores se clasifican en categorías

Categoría Monofásico Trifásico (Kva.) (Kva.) I 5 a 500 15 a 500 II 501 a 1667 501 a 5000 III 1668 a 10000 5001 a 30000 IV > 10000 > 30000

Límites de Funcionamiento

Capacidad de resistencia a cortocircuito o

limite térmico según ANSI C.57.109

L.Sayas P.

 Los transformadores se diseñan para dejar pasar una corriente

máxima de cortocircuito sin sufrir daños mecánicos y la corriente máxima de cortocircuito esta definido por :

Imax=1/Ucc(%)=1/Z(%)p.u. Para t=2s

Ejemplo:

Ucc=4% Imax=1/0,04=25In para t=2s

Ucc=5% Imax=1/0,05=20In para t=2s

Esto para la categoría I

Curva de daño térmico

 Para la categoría II De 70 a 100% de Imax

;para Imax por 2s

K=1250 para el resto menor a 70% de Imax

 Para categoría III

De 50 a 100% Imax

;para Imax por 2s

K=1250 para el resto menor a 50% de Imax

t

I

K



2

*

t

I

K



2

*

L.Sayas P.

Para Z=5%, transformador de categoría II

trazar la curva de daño térmico

Imax=1/0,05=20In t=2s De 70 a 100% de Imax 100%Imax : 20 80%Imax : 16 70%Imax : 14

t

I

K



2

*

K



20

2

*

2



800

Ejemplo de aplicación

s I K t 2 20 800 2 2    s I K t 3,12 16 800 2 2    s I K t 4 14 800 2 2    De 70% a menos K=1250 70%Imax : 14 50%Imax : 10 25%Imax : 5 s I K t 6,28 14 1250 2 2    s I K t 12,5 16 1250 2 2    s I K t 50 5 1250 2 2   

• Tiempos máximos admisibles a cortocircuitos en

transformadores.

X

T

(%)

N K

I

I

t

max.admisible

(s)

4

25,0

2

5

20,0

3

6

16,6

4

7

14,2

5

De la tabla adjunta

se deduce la

necesidad de

introducir

protecciones de

reserva, que eviten

que se superen los

tiempos máximos

admisibles de

2 2000 3 300 4 100 5 50 6 35 7 25 8 20 9 15 10 12.5 15 5.8 20 3.3 25 2 30 1.5 40 0.8 50 0.5 Mecánico Térmico

VALORES I-T PARA DEFINIR CURVA DE DAÑO

Tipo de daño N° de veces la corriente

Tiempo en segundos

25

0.01

12

0.10

6

1.00

3

10.00

INRUSH

Carga fria

VALORE I-T PARA DEFINIR CURVA DE ENERGIZACION

Corriente

transitoria

N° de veces la

corriente

Tiempo en

segundos

CORRIENTE NOMINAL DEL TRANSFORMADOR CURVA DE DAÑO DEL TRANSFORMADOR

CURVA DE DAÑO DE LOS CONDUCTORES

CURVA DE ENERGIZACIÓN (INRUSH Y CARGA FRIA)

AMPERIOS S E G U N D O S I t

Tecnología De Los Fusibles

•

Método de protección simple.

• Relativamente económico.

• Limita la Icc

• Extingue el arco aprox en 1/4 de ciclo

• Funcionamiento independiente

• Amplio rango de poder de corte

• Permite coordinar con otros dispositivos

de protección.

•

Bajo costo de mantenimiento y reposición.

• Poca precisión

• Envejecimiento

• No es conveniente para sobre corrientes

débiles

• No deben ser reparados (pierde sus

características)

• Si actúa una fase debe cambiarse los tres

Icc prevista(Is max)

t1 t2 Icc limitada onda antes de corto I(A) t(s)

t1 : Pre arcing t2 : Arcing

T =t1 +t2 tiempo total de aclaración aprox. 1/4 de ciclo(5ms)

Clasificación De Los Fusibles

• Fusible gL:

De uso general y empleados para proteger cables y conductores, adecuado para sobrecarga y cortocircuitos.

• Fusible aM:

De acompañamiento. Se usa para proteger

motores y debe usarse acompañado de un elemento térmico para la protección de sobrecarga.

• Fusible gR:

De uso general y para protección de semiconductores.

• El fusible mas usado es el tipo gL. (sirve para cortocircuito y sobrecarga)

Para Baja Tensión

:

• Clasificación según características funcionamiento

• Identificación mediante letras,la primera letra define la clase de

Parte superior

Parte inferior

Lengüetas para instalación

fusible

cuerpo

Partes de un fusible NH

CURVA CARACTERISTICA DE

FUSIBLES

Zona 2 Zona 1 Zona 3 INTENSIDAD DE CORRIENTE I(A) Seg. TIEMPO

FUSIBLES LIMITADORES DE

CORRIENTE

*Limita la Icc a valores inferiores del valor pico de falla *El valor pico depende de la característica de la red(X/R)

*Material : alambre sección transversal, cintas, etc. sumergido en relleno de cuarzo que extingue el arco y absorbe la mayor

cantidad de energía generada

ENERGIA GENERADA POR Icc =

*TIPOS DE LIMITADORES DE CORRIENTE (ANSI C37.40) -Fusible de respaldo

-fusible de aplicación general -Fusible de rango completo

FUSIBLE

DE MT

LIMITADOR DE

CORRIENTE

Partes De Un Fusible

De MT

Limitador De

Corriente

Fusible de MT

Tipo CEF

Icc=10kA Inf=63A Icclim=6kA Is=1,8x1,4142x10=25,5kA 6kA Is=25,5kA Icclim=6kA onda antes de corto I(A) t(s) 5ms Is=25,5kA Icclim=6kA onda antes de corto I(A) t(s) 5ms

Fusible de MT

Tipo CEF

Icc=10kA Inf=63A Icclim=6kA Is=1,8x1,4142x10=25,5kA 6kA Is=25,5kA Icclim=6kA onda antes de corto I(A) t(s) 5ms Is=25,5kA Icclim=6kA onda antes de corto I(A) t(s) 5ms

Fusibles como Protección de

transformadores de distribución

Consideraciones

•In del transformador

•Curva del daño térmico del transf. Dato típico:(20In--2seg.) •Curva de daño térmico de los conductores(catálogo de fab.) •Curva de energización del trafo.(Inrush y carga fria) dato típico

Curvas Típicas del Transformador

In t 2s 0.1s 8-12 In 20In

Curva de daño térmico del transformador

Curva del fusible

Daño térmico del conductor. CORRIENTE Curva de energización del transformador MM _TC

Aplicación: Elegir el fusible adecuado un transformador de 630kVA.10/0.23 kV, sabiendo que el fusible debe ser limitador de corriente en MT.

Según CNE T IV

Inf =1.5 In trafo ,(si el valor de cálculo no corresponde en el catalogo se usa el inmediato superior)

Solución:

InT =630/1.73x10 =36.4A

Inf =1.5x36.4=54,6A normalizando según catalogo Infn=63A

Datos técnicos del fusible:

Tipo : CEF, Limitador de corriente Un : 12kV tensión asignada

I1 : Imax de fusible de ensayo 50kA I3 : Mínima corriente de corte 190 A Pn : Potencia disipada a la In 78W

628A 437A

La corriente nominal del fusible debe ser mayor que la

homóloga del capacitor debido a la presencia de armónicas

en el sistema y a la mencionada corriente de conexión,

siendo aconsejable que la relación no supere al doble para

disminuir el riesgo de explosión. Las relaciones de fusión

sugeridas son: entre 1,5 y 1,9 cuando se trate de fusibles

cuyo valor de corriente nominal no supera los 30 a 35 A,

disminuyendo a valores entre 1,25 y 1,5, para calibres

superiores a los citados.