Protección de alimestadores Con fusibles

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 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

contra

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 independiente

es

L.Sayas P.

Desventajas • 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

Etapas de operación Icc prevista(Is max)

I(A)

Icc limitada t(s)

onda antes de corto t1 t2

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) * Tipo limitadores de corriente(FLC)

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

In>140A

0,1 Ix

Iy

300

In/= 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.

F4 F1

31A 30A

ICC = 253 A F2

F3

45A

15A

F5 23A Iccmin =163

ICCmin=246

Iccmin =252

Iccmin =158

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

Solución: Para F1

30*1.2 36

< F1n 600V I setting I nom CB fusible 600% 300% 400% 200%

Lado secundario V sec600V V sec>600V I setting I nom I setting CB CB fusible o Inom fuse 300% 150% 250% 250% 125% 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. 2. 3. 4.

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

1

1

R

r

1/3 1

S

1:1/3 1/3 1 s

1

1/3

T

1

Fig. 1: Falla trifásica

Relación Ifalla por devanados secundarios/primarios = 1/1 = 1.00

1/3

0

R

r

1/3 2/3

S

t

1:1/3 0 1

1/3 T

1

Fig. 2: Falla bifásica

0 R

s 1/3 t Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866

0 r

s

1/3

1/3

T

1 t Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(2/3)= 0.866

Fig. 2: Falla bifásica

0

0

R

r

0 1:1/3

0

0

S

0 s

0

0

T

0 t

Fig. 3: Falla monofásica a tierra 1

1/3 R

r

0 1:1/3 0

S

1/3 0

1/3 T

Fig. 4: Falla monofásica a tierra

s 0 0 t Relación Ifalla por devanados secundario/primario =1/(1/3)= 1.732

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:

Límites de Funcionamiento Límites de sobre excitación  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

L.Sayas P.

Límites de Funcionamiento Límites de Calentamiento  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 L.Sayas P.

Límites de Funcionamiento Capacidad de resistencia a cortocircuito o limite térmico según ANSI C.57.109  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 L.Sayas P.

Curva de daño térmico  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:

 Para la categoría II

De 70 a 100% de Imax

K  I 2 *t

;para Imax por 2s

K=1250 para el resto menor a 70% de Imax  Para categoría III

De 50 a 100% Imax

K  I 2 *t

;para Imax por 2s

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

Ucc=4% t=2s

Imax=1/0,04=25In

para

Ucc=5% t=2s

Imax=1/0,05=20In

para

Esto para la categoría I L.Sayas P.

Ejemplo de aplicación Para Z=5%, transformador de categoría II trazar la curva de daño térmico Imax=1/0,05=20In

K  I 2 *t

t=2s

K  202 * 2  800

80%Imax

70%Imax

70%Imax : 14 t  50%Imax : 10 t 

De 70 a 100% de Imax

: 16

K 800   2s I 2 202 K 800 t  2  2  3,12s I 16

: 14

t

100%Imax : 20

De 70% a menos

t

K 800   4s I 2 142

L.Sayas P.

25%Imax : 5

t

K=1250

K 1250   6,28s I2 142 K 1250   12,5s I2 162 K 1250  2  50s I2 5

• Tiempos máximos admisibles a cortocircuitos en transformadores. XT (%)

IK IN

tmax.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 sobrecorrientes.

VALORES I-T PARA DEFINIR CURVA DE DAÑO Tipo de daño

Térmico

Mecánico

N° de veces la corriente 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20 25 30 40 50

Tiempo en segundos 2000 300 100 50 35 25 20 15 12.5 5.8 3.3 2 1.5 0.8 0.5

VALORE I-T PARA DEFINIR CURVA DE ENERGIZACION Corriente transitoria INRUSH Carga fria

N° de veces la corriente 25 12 6 3

Tiempo en segundos 0.01 0.10 1.00 10.00

t

SEGUNDOS

CORRIENTE NOMINAL DEL TRANSFORMADOR CURVA DE DAÑO DEL TRANSFORMADOR

CURVA DE DAÑO DE LOS CONDUCTORES CURVA DE ENERGIZACIÓN (INRUSH Y CARGA FRIA)

AMPERIOS

I

Tecnología De Los Fusibles Ventajas • 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.

Desventajas • 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

Etapas de operación Icc prevista(Is max)

I(A)

Icc limitada t(s)

onda antes de corto t1 t2

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

Clasificación De Los Fusibles Para Baja Tensión:

• Clasificación según características funcionamiento • Identificación mediante letras,la primera letra define la clase de función y la segunda el tipo de equipo a proteger.

• 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)

Partes de un fusible NH Lengüetas para instalación

indicador

Parte superior

fusible

cuerpo

Parte inferior

Partes de un fusible NH

CURVA CARACTERISTICA DE FUSIBLES TIEMPO Seg.

Zona 1

Zona 2

Zona 3

I(A) INTENSIDAD DE CORRIENTE

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 =

2

I t

*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 TIPO CEF

8/5/2014

L.Sayas P.

8/5/2014

L.Sayas P.

Partes De Un Fusible De MT Limitador De Corriente

Fusible de MT Tipo CEF Icc=10kA

6kA

Inf=63A Icclim=6kA Is=1,8x1,4142x10=25,5kA Is=25,5kA

I(A)

onda antes de corto

Icclim=6kA

t(s)

5ms

Fusible de MT Tipo CEF Icc=10kA Inf=63A 6kA

Icclim=6kA Is=1,8x1,4142x10=25,5kA Is=25,5kA

I(A)

onda antes de corto

Icclim=6kA

t(s)

5ms

Curva Característica de Fusible de MT Tipo CEF

Curva Característica de Fusible de MT Tipo CF

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 (8 a 12In----0.1 seg.) (IEC-76)

Curvas Típicas del Transformador Curva de daño térmico del transformador

t

Curva del fusible

2s

MM

TC Daño térmico del conductor.

0.1s Curva de energización del transformador

In

8-12 In

20In

CORRIENTE

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

In=36,4A

437A

628A

Aplicación:

Aplicación:

Aplicación:

Protección de condensadores BT y MT

Protección de condensadores BT y MT 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.

Aplicación:

Aplicación: