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Rincón Técnico

Los Fusibles

Autores: El contenido de este artículo es un extracto tomado del portal http://patricioconcha.ubb.cl/ Elaboración técnica: Esta publicación ha sido redactada por el Ingeniero de Ejecución Eléctrico Patricio Concha Fuentes, docente del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la Universidad del Bío-Bío, en Chile. La concepción original de este lugar es como "Apuntes Virtuales", para apoyar la labor docente en el área de Máquinas Eléctricas, en el programa de Ingeniería de Ejecución en Electricidad, de dicha universidad y es de acceso y uso libre.

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Fusibles de distintos tipos y capacidades. Imagen tomada http://www.tme.eu

Un fusible es un dispositivo de protección contra sobre corriente, que opera quemándose el elemento sensor de corriente, debido a la circulación de una corriente superior al valor especificado. Las principales características de operación de un fusible son las siguientes: • • • •

Combina el elemento sensor y de interrupción en una sola unidad. Su operación depende de la magnitud y duración de la corriente que fluye a través de él. Es un dispositivo monofásico. Sólo el fusible de la fase dañada operará, quedando las otras fases activas. Después de haber operado debe cambiarse, ya sea completamente o sólo el elemento sensor de corriente y las tres fases.

1.5.1.- Fusibles para Baja Tensión Fusibles especificados bajo recomendaciones de Underwriter Laboratories poseen las siguientes características generales de operación: • Deben ser capaces de soportar un 110% de la corriente nominal en forma permanente. • Si la corriente nominal fluctúa entre 0 y 60 A, deben operar después de 1 hora con 1.35 In y de 2 horas para fusibles con corriente entre 61 y 600 A. • Fusibles con corriente nominal superior a 600 A deben operar en 4 horas con 1.5 In.

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www.tecun.com • Fusibles con diferentes voltajes y corrientes deben tener diferentes dimensiones físicas para evitar confusiones. Corriente de Interrupción: Los fusibles de baja tensión tienen capacidades de ruptura elevadas, lo que les permite interrumpir con alta eficiencia y confiabilidad altas corrientes de cortocircuitos. En resumen, para los diferentes tipos de fusibles existentes para uso en baja tensión, las capacidades de ruptura son las siguientes: • Fusibles Clase H: Inferior a 10 KA. • Fusibles Clase K: 50, 100 o 200 KA. • Fusibles Clase RK 1 y RK 5 : 200 KA. • Fusibles Clase RK 1 y RK 5 con tiempo de retardo: 200 KA • Fusibles Clase J, CC, T y L: 200 KA. Características Tiempo-Corriente: Las curvas tiempo-corriente entregadas por los fabricantes muestran los tiempos de operación de los fusibles para diferentes valores de corrientes. El valor de tiempo indicado en las curvas puede corresponder al tiempo mínimo de fusión del fusible, o bien tiempo promedio de fusión, o tiempo total de apagado de la corriente. En caso de no indicarse específicamente a que valor corresponde, se asume un valor promedio de tiempo de fusión. Este valor promedio asume una tolerancia de 10% en la corriente para un tiempo de operación definido. Por lo tanto, el tiempo mínimo de fusión se considera inferior en un 10 % en corriente al valor promedio. Para tiempos superiores a 0.1 segundo, el tiempo máximo de fusión se considera igual al tiempo total de despeje de la falla. Para tiempos entre 0.1 y 0.01 segundos, el tiempo de despeje se considera mayor al tiempo de fusión debido al tiempo de apagado del arco, que en este caso adquiere importancia. Para tiempos de operación muy cortos, el valor del I 2 t (energía disponible como resultado del paso de corriente durante el tiempo de operación) adquiere relevancia para definir criterios de coordinación y asegurar una protección efectiva. 1.5.1.1.-Clasificación de los Fusibles en Baja Tensión La forma como se clasifican los fusibles de baja tensión, de acuerdo a sus características de operación y constructivas son las siguientes: 1.5.1.1.1.-Fusible Clase G

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www.tecun.com Son de 0-60 A y 300 V, de dimensiones pequeñas para uso en instrumentos de medidas, equipos electrónicos, etc. Disponibles en 4 tamaños diferentes 15, 20, 30 y 60 A con capacidad de ruptura de 100 KA. 1.5.1.1.2.-Fusible Clase H Capacidad nominal de 0-600 A y 600V. Son fusibles encapsulados con capacidad de ruptura máxima de 10 KA rms simétricos. 1.5.1.1.3.-Fusible Clase J Capacidad nominal de 0-600 A, 600 V. Tienen dimensiones físicas menores a las de un fusible clase H. Estos fusibles se clasifican como fusibles rápidos, limitadores de corriente y con capacidad de ruptura de 200 KA rms simétricos. 1.5.1.1.4.-Fusible Clase K Capacidad nominal 0-600 A, 250 y 600 V. Poseen las mismas dimensiones físicas que los fusibles clase H y tienen capacidades de interrupción entre 50, 100 KA y 200 KA simétricos. 1.5.1.1.5.-Fusible Clase R Capacidad nominal 0-600 A, 250 y 600 V. Son fusibles limitadores de corriente con capacidad de ruptura de 200 KA simétricos RMS. 1.5.1.1.6.-Fusible Clase L Capacidad nominal de 601-6000 A, 600 V y capacidad de ruptura de 200 KA efectivos simétricos. 1.5.1.1.7.-Fusible Clase T Capacidad nominal de 0-600 A, 250 y 600 V. Son fusibles limitadores de corriente compactos con 200 KA rms simétricos de ruptura. 1.5.1.1.8.-Fusible de Complemento Capacidad nominal de 0-60 A y 0-600 V. Se usan para proveer protección adicional a equipos energizados por circuitos que ya poseen protección de sobre-corriente. Por ejemplo en tubos fluorescentes, paneles de control para soldaduras, etc. 1.5.1.1.9.-Fusible para Condensadores Capacidad nominal de 0-250 A, 250 y 600 V. Se usan en conjunto con condensadores de potencia para aislar una unidad fallada del resto del banco.

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www.tecun.com Para proveer buena protección, la corriente nominal del fusible debe especificarse de acuerdo a la capacidad de sobrecarga del fusible, generalmente especificado en función de los KVAr que puede entregar. Se debe tener especial cuidado con los voltajes post falla inducidos entre los terminales del fusible para evitar el reencendido del arco. 1.5.1.1.10.-Fusible para Semiconductores Corriente nominal de 0-6000 A, y rango de voltajes de 0-1000 V. Están diseñados para operar rápidamente en caso de sobre-corriente (sobrecarga o cortocircuito). Dimensiones físicas de estos fusibles dependen del nivel de tensión. Al seleccionar estos fusibles el I 2 t (una expresión de la energía disponible como resultado por el paso de la corriente durante el tiempo de operación) del fusible debe compararse con el I 2 t del elemento semiconductor. Los fusibles para uso en convertidores estáticos se especifican de la siguiente manera: • Voltaje sin carga del transformador. • Corriente rms a través del semiconductor. • Máxima corriente de cortocircuito en el secundario del transformador. • Corriente de cortocircuito máxima del semiconductor. Es importante destacar que la selección de un fusible para proteger un semiconductor no debe hacerse en función de las corrientes nominales, pero sí en función de los valores de I 2 t que soportan ambos dispositivos. 1.5.1.2.-Fusible Limitadores de Corriente Los fusibles limitadores de corriente deben su nombre al rápido tiempo de operaciónque poseen. La principal característica de estos fusibles es que son capaces de desenergizar el circuito en falla antes de que la corriente alcance su valor máximo. Esto obliga a tener tiempos de fusión y de apagado de arco inferiores a un cuarto de ciclo (5 ms). La máxima corriente de cortocircuito que verá un equipo protegido por un fusible limitador de corriente se puede determinar a partir de gráficos editados por normas. Estos gráficos permiten conocer la máxima corriente de cortocircuito que el fusible dejará circular por el sistema. El valor de I 2 t mide la cantidad de energía calórica que pasará al circuito en caso de falla. La figura Nº 1.10 muestra cuando se produce la operación del fusible

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Figura Nº 1.10 1.5.2.-Fusible para Alta Tensión Existe una gran variedad en fusibles para media y alta tensión, tanto en niveles de corriente y voltaje, como en características constructivas y de operación. Estos fusibles pueden emplearse tanto en aplicaciones interiores como exteriores. Revisando catálogos nos podemos dar cuenta que tenemos dos grandes ramas, los fusibles para distribución de potencia - 600V (o menos) y los fusibles de media tensión.

1.5.2.1.- Fusibles de para la distribución de potencia - 600V (o menos). Analizando unos de los tantos fusibles existentes en el comercio, consultando el catalogo del fabricante podemos decir lo siguiente:

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www.tecun.com Catálogo COOPER BUSSMAN FLC-E 1992

Figura N° 1.11 Símbolo de catálogo KRP-C. • •

Tiempo retardo 4 segundos (mínimos) A 500% de la capacidad nominal de corriente 2

601 a 6000 amperes. 3 •

600Volts A.C. (o menos).

•

Capacidad de interrupción -200,000A rms 4 simétricos.

•

Clasificado por U.L.- Clase L CSA HRC-1.

El fusible de uso general con elementos de lamina de plata, tanto para la protección contra sobrecarga y corto circuitos en sistemas de alta capacidad (redes principales y alimentadores grandes).Tiene retardo de tiempo mínimo (mínimo de 4 segundos a una corriente 5 veces la nominal en amperes), lo cual permite seleccionar el tamaño más ajustado a la carga. A diferencia de los fusibles de acción rápida, tolera las corrientes de arranque transitorias de motores, transformadores, etc. sin tener que recurrir al sobredimensionamiento de los fusibles. Describiendo las partes que componen el fusible tenemos (figura N° 1.11): 1.- Laminas de 99,9% plata pura, incorporan al diseño “arena-plata”. Láminas de 99,9% plata pura; relleno de arena sílice. La gran conductibilidad de la plata da una perdida baja en Watt y una temperatura de operación baja en niveles de

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www.tecun.com corriente normales; minimiza la energía total de disipación instantánea máxima de falla.

de la corriente

2.- Relleno de arena de sílice de alto grado. Acelera la respuesta del fusible contra cortos circuitos por su efecto de extinción del arco en los elementos de los fusibles. Contribuye substancialmente a la acción de limitación de la corriente. 3.- Sellos de anillo, la formación de gas debido al arco dentro del cuerpo del fusible, suprime la formación del mismo y reduce la energía del arco. Los anillos de sello, maximizan la presión durante la acción de limitación de corriente. También el volumen de arena es crítico. Una perdida ligera podría tener un impacto adverso sobre la acción de limitación de corriente. Los anillos desello aseguran la retención del relleno. 4.- Terminales tratados por chorro de micro-granallas y electro-plateados. Los múltiples puntos de contacto de las superficies de los terminales del fusible conjuntamente con el plateado de las mismas, proporcionan alta conductividad eléctrica ( baja resistencia de contacto). Esto minimiza la generación de calor; y por lo tanto la temperatura de operación de los fusibles e interruptores asociados, ampliándose la vida de los componentes del sistema.

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www.tecun.com Curvas asociadas al fusible KRP-C (figuras N° 1.12 y N° 1.13)

Figura N° 1.12 -------------------------Figura N° 1.13

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www.tecun.com En esta línea existe una variedad de fusibles con diferentes características, cada cual con sus características propias y sus curvas asociadas.

1.5.2.2.- Fusibles de media tensión. Analizando este fusible de media tensión.

Catálogo COOPER BUSSMAN FLC-E 1992 Fusible de potencia: • • • • • • •

Clase –R. Clasificación U.L. Limitación de corriente a prueba de fatiga. Indicación de fusibles abiertos. Laminas de plata. Figura N° 1.14 Valores nominales de voltaje (diseño máximo):2540,5080 8300 Volts. Capacidad de corriente: 2R a 24R.

Los fusibles de media tensión Clase R están indicados como limitadores de corriente suplementarios en unión con motores de media tensión y control de motores. Los fusibles de limitación de corriente pueden ser diseñados como clase R si cumplen con los siguientes requerimientos: • Que el fusible interrumpa con seguridad todas las corrientes entre su capacidad de interrupción mínima y máxima. • Que el fusible se abra en un rango de 15 a 35 segundos en un valor de 100 veces el numero “R” (ANSI C37.46). Guía para la aplicación de fusibles Clase – R, los fusibles limitadores de corriente deben seleccionarse de tal manera, que la curva del rele de sobrecarga cruce a la curva de fusión de mínima del fusible en un valor de

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www.tecun.com corriente mayor del 110% de la corriente del rotor bloqueado del motor que se este utilizando.

Figura N° 1.15-------------------- Figura N° 1.16 Ejemplo: Un motor de 2300 Volts tiene una capacidad de corriente a plena carga de 100 amperes y una corriente de rotor bloqueado de 600 amperes. El rele de sobrecarga utilizado tiene unas características tiempo-corriente que se muestra en la figura N° 1.15. Para escoger el fusible adecuado se debe interpolar el 110% de la corriente del rele bloqueado y la familia de fusibles que tengan un valor de voltaje adecuado, sobre la misma grafica del rele de sobrecarga.(figura N° 1.15). El fusible que debe seleccionarse es él más pequeño, cuyas características de fusión mínima crucen la curva de corriente de relevo de sobrecarga en un valor superior al 110% de la corriente de rotor bloqueado. En este ejemplo seria un fusible de 2400 Volts, 9R. Dependiendo del tipo de instalación y el arrancador utilizado, un fusible JCK-9R, JCK-A-9R o JCH-9R será la decisión correcta.

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Figura N° 1.17

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Figura N° 1.18

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www.tecun.com Se adjuntas especificaciones técnicas (tabla N° 1.4 y N° 1.5). Tabla N° 1.4

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www.tecun.com Tabla N° 1.5

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www.tecun.com 1.5.2.3.- Fusible Clase –E para transformadores de potencia alta y baja. Catálogo COOPER BUSSMAN FLC-E 1992 Fusible Clase –E. • Limitación de corriente con indicación o sin indicación. • Casquillos plateados. • Valores de voltaje (Diseño máximo): 2475, 2750, 5500, 8300,15.500 Volts. • Valores de corriente: 1/4E a 10E. Bajo amperaje, los fusibles de media tensión clase-E son fusibles limitadores de corriente de uso general. La Clase–E define las características de fusióntiempo-corriente del fusible y permite la intercambialidad eléctrica del fusible la misma clase E. Para que un fusible de uso general tenga una clasificación E, se deben cumplir con las siguientes condiciones: El elemento de respuesta de corriente debe fundirse en 300 segundos a una corriente RMS dentro del rango de 200% a 240% del valor de corriente continua del fusible.(ANSI C37.46). Aplicación: Los fusibles de transformadores de potencia deben tener una capacidad suficiente para manejar transcientes que permitan pasar corrientes por efecto magnético del transformador. La corriente pico máxima, por efecto magnético, y su duración varia con el diseño del transformador. Las corrientes, por efecto magnético, se denotan usualmente como un porcentaje de la corriente del transformador a plena carga. La duración de la corriente pico máxima usualmente se da en se da en segundos. En el evento de no existir información, la norma general es dimensionar el fusible a un valor equivalente del al 300% de la corriente de plena carga del primario del transformador. Ejemplo: Un fabricante de transformadores establece que un transformador de potencia monofásico de 800VA ,2400Volts tiene una corriente pico, por efecto magnético de 12X durante 0,1 segundos. Ipc = (800VA/2400V)= 0.333 Amperes. Corriente pico =12X0.333= 4 Amperes.

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www.tecun.com Puesto que la tensión es de 2400V, podemos utilizar un fusible JCW o JCD. El fusible adecuado seria un JCW-1e. Utilizando la norma general,300% de 0.333Amperios es 0.999 Amperes. Por consiguiente, escogeríamos un JCW-1E o JCD-1E

Figura N° 1.19------------------------------------------ Figura N° 1.20

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www.tecun.com Se adjuntas especificaciones técnicas (figura N° 1.21 y Tabla N° 1.6).

Figura N° 1.21

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www.tecun.com Tabla N° 1.6

1.5.2.4- Laminas fusibles de medio y alto voltaje

Figura N° 1.22

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www.tecun.com Estas laminas fusible garantizan efectiva protección contra sobrecargas a sistemas y equipos. Además brindar protección a los equipos, pueden ser coordinados con otros dispositivos de protección para seccionamiento con el fin de aislar circuitos parciales de sus alimentadores. 1.5.2.4.1- Laminas fusible EEI-NEMA Tipos K y T Son fabricados en el diseño universal cabeza de botón y están disponibles en capacidades desde 6 hasta 200 amperes para la utilización en sistemas de distribución exterior hasta de 27KV.Las capacidades de corrientes preferidas según EEI – NEMA son 6, 10, 15, 25, 40, 65, 100, 140 y 200 amperes. Las capacidades intermedias o no preferidas, son 8, 12, 20, 30, 50 y 80 amperes. Según las normas, las laminas fusibles EEI-NEMA están divididas en 2 tipos. El tipo “K” con características rápidas y el tipo “ T ” con características de retardo. Ambas laminas K y T de la misma capacidad tienen puntos idénticos de 300 y/o 600 segundos en la misma curva tiempo –corriente; así se manifiestan las mismas características de sobrecarga. Sin embargo, las curvas T – C son diferentes por debajo de estos puntos. La lamina K actúa de forma más rápida en casos de sobrecorrientes que la lamina T del mismo tamaño. La distinción entre los dos tipos de láminas está basada en la relación de rapidez. Entre las corrientes de fusión a 0.1 segundos y 300 segundos para las laminas con capacidades hasta 100 amperes, y a 0.1 segundos y 600 segundos para laminas con capacidades mayores a 100 amperes. Las laminas tipo K (rápidas) tienen relaciones de rapidez entre 6 y 8.1 y las laminas del tipo T (lentas) tienen relaciones de rapidez entre 10 y13. 1.5.2.4.2.- Laminas fusible para transientes tipo H Están fabricadas en el diseño universal de cabeza de botón y su capacidad es de 1, 2, 3 y 5 amperios. Han sido desarrolladas principalmente para aplicarse como fusibles primarios de transformadores pequeños. Estas láminas están diseñadas específicamente para desempeñar dos funciones: • Garantizar el nivel de protección contra sobrecarga normalmente asociada con láminas de 1, 2, 3 y 5 amperes. • Evitar operación innecesaria durante sobrecorrientes transitorias de corta duración asociadas con el arranque de motores y descargas atmosféricas. 1.5.2.4.3.- Laminas de fusible Tipo N Las laminas fusible tipo N se ajustan a las normas NEMA y han sido reemplazadas por las laminas tipos K y T. Tienen relaciones de rapidez aproximadamente iguales que las laminas EE-NEMA tipo K (rápidas). Las laminas fusible tipo N son fabricadas en el diseño universal de cabeza de botón en valores de 5 hasta 200 amperes para usarse en circuitos dimensionados de

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www.tecun.com acuerdo con las normas NEMA hasta 27KV,el tipo de fusible de lamina abierta se puede encontrar en 5 a 50 amperes para uso hasta de 15KV. 1.5.2.5.- Fusibles de potencia tipo SMD-20, SMD-40, Y tipo SMD (fusible existente en el mercado, lo ofrece la empresa mexicana “S & ELECTRIC MEXICANA”) Este tipo de fusible proveen protección para un amplio espectro de fallas, detectan e interrumpen todas las fallas, grandes, medianas y pequeñas (hasta la mínima corriente de fusión); con voltaje de línea a línea o de línea tierra, en el fusible, si la falla es en el lado primario o en el lado secundario del transformador independiente del tipo de conexión de los devanados del transformador. Los fusibles de potencia del tipo SMD-20 están diseñado expresamente para los sistemas de distribución de hoy en día, donde las altas corrientes de falla, los altos voltajes y las altas cargas, comúnmente los llevan los llevan a operar más allá de sus capacidades ( figura N° 1.22 ). Las capacidades interruptivas son las siguientes (tabla N° 1.7). Tabla N° 1.7 Capacidad Interruptiva Amperes, RMS, Simétricos

Voltaje, KV Nominal

Máximo

60 Hz

50 Hz

14.4

17

14000

11200

25

27

12500

10000

34.5

38

10000

8000

Emplean una tecnología única de material sólido y baja energía para la interrupción de fallas que produce una expulsión mínima de gases y solo un 20 por ciento de la energía del arco de un cortacircuito convencional. Los fusibles del tipo SMD-40 están especialmente adaptado a altas corrientes de carga y a los requerimientos de interrupción de fallas de subestaciones de distribución (figura N° 1.23). Las capacidades interruptivas (tabla N° 1.8)

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www.tecun.com Tabla N° 1.8 Capacidad Interruptiva Amperes, RMS, Simétricos

Voltaje, KV Nominal

Máximo

60 Hz

50 Hz

4.8

5.5

25000

20000

14.4

27

25000

20000

25

29

20000

16000

Un silenciador de acero inoxidable virtualmente elimina el ruido y las fuerzas de reacción comúnmente asociadas con los fusibles de potencia exteriores. Estos fusibles de bajo peso son fácilmente manejables usando pértiga universal equipada con una abrazadera. Los fusibles de potencia SMD proporciona una protección confiable y económica para transformadores y bancos de condensadores en subestaciones exteriores (figura N° 1.23, N° 1.24 y N° 1.25). Están disponibles en las siguientes capacidades (tabla N° 1.9): Tabla N° 1.9 Capacidades 50/60 Hz KV

Amperes, RMS

Nominal

Máximo

NBAI

Máximo

Inter. Simétricos

34.5

38

200

100E

6700

200E

17500

300E

33500

100E

5000

200E

1310

300E

31500

100E

3350

200E

8750

300E

17500

46

69

48.3

72.5

250

350

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www.tecun.com 300E

25000

115

121

550

250E

10500

138

145

650 o 750

250E

8750

Figura N° 1.23

Figura N° 1.24

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Figura N° 1.25

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www.tecun.com A continuación se muestran las características técnicas de un desconectador fusible.

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www.tecun.com PLANILLA DE DATOS TÉCNICOS CORTACIRCUITOS FUSIBLES DE EXPULSIÓN (CUTOUT)

1. País de origen:

BRASIL

2. Fabricante:

MAURIZIO & CIA. LTDA (M&C)

3. Modelo según fabricante:

MZ-89021

4. Normas de fabricación y ensayos:

ANSI C37.42-1989

5. Para uso:

Intemperie

PARÁMETROS ELÉCTRICOS 6. Tensión nominal (kV):

15

7. Frecuencia nominal:

50/60 Hz

8. Corriente Nominal (A):

300

9. Tensión de ensayo a frecuencia industrial 50 Hz 1 min. (kV) - Terminal contra masa: 34 - Entre terminales: 38 10. Tensión de ensayo a impulso onda 1,2 x 50 µs (kVcr) -Terminal contra masa: 110 -Entre terminales: 110 6. Capacidad de interrupción simétrica (kA):7,1 7. Capacidad de interrupción asimétrica (kA):10 8. Máxima elevación de temperatura de los contactos (ºC):20 9. Máxima elevación de temperatura de los terminales (ºC):17 10. Máxima elevación de temperatura de las partes metálicas que trabajen como resortes (ºC):5 11. Medida de la resistencia eléctrica del circuito principal antes y después del ensayo de calentamiento ( ? .): 350 BASE PORTAFUSIBLES 12. Tensión nominal máxima (kV):

15

13. Corriente nominal (A):

300

14. Distancia de fuga (mm):

250

15. Peso de la base porta fusible (kg):

6,2

TUBO PORTAFUSIBLE

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www.tecun.com 10. Tensión nominal máxima (kV):

15

11. Corrientes nominales de fusibles (A):

100

12. Material del tubo porta fusible (exterior y Fibra de interior): vulcanizada

vidrio,

fibra

13. Numero de fusiones mínima del tubo porta 6 con capacidad de ruptura fusible: máxima 14. Diámetro interno del tubo porta fusible 13 (mm):

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