Diseño de Un Fusible

La figura muestra la variación de la temperatura en cada instante, originada por el paso de una corriente de cortocircuito por el elemento fusible, donde los términos involucrados en el gráfico se explican a continuación: 

Tf: Temperatura de fusión del elemento fusible.



t1: Tiempo necesario para

alcanzar la temperatura de fusión del

elemento. 

t2: Inicio del estado líquido.



Tv: Temperatura de vaporización del elemento fusible.



t3: Inicio del arco eléctrico.

Para detallar el proceso físico del corte de un fusible en la etapa de pre-arco, es necesario definir  y aclarar los términos utilizados para describir el proceso: Fusión: es el cambio de una sustancia del estado sólido al líquido, normalmente por la aplicación de calor. Ebullición: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. Para que ello ocurra debe aumentar la temperatura en toda la masa del líquido. Vaporización: es el cambio de estado que ocurre cuando una sustancia pasa del estado líquido al estado de vapor. La diferencia con el anterior es que en la vaporización el cambio de estado ocurre solamente en la superficie del líquido. Cuando circula una corriente de falla por el elemento fusible, se produce un rápido incremento de la temperatura. Este gran flujo de electrones al moverse aceleradamente, adquieren una cierta cantidad de energía cinética. Debido al choque contra las partículas fijas de los átomos (resistencia eléctrica), liberan dicha energía la cual aumenta la amplitud de su vibración para finalmente transformarse en calor. Cuando el material se encuentra en su temperatura de fusión (punto A), el calor generado es absorbido por el propio material y no produce variación de temperatura, quedando en un equilibrio térmico durante su transformación. En el punto A del gráfico se inicia el proceso de fusión del material, encontrándose n su estado sólido y al cabo del tiempo t2 (punto B) se encuentra totalmente líquido. La temperatura sigue incrementándose hasta llegar a la temperatura de ebullición (punto C) en la cual hierve la totalidad de la masa del líquido hasta alcanzar el estado gaseoso. En el tiempo t2 a t3, se produce la vaporización del líquido, es decir, empieza a hervir vaporizándose desde su superficie hasta la totalidad de su masa. En definitiva, si un sólido es calentado suficientemente se obtiene un líquido. Si se continúa aumentando la temperatura se obtiene un gas y si se continúa calentando, al gas llegará una temperatura que los átomos se ionizarán y se obtiene un plasma. Cuando una partícula de movimiento rápido, como un electrón, una partícula alfa o un fotón, colisiona con un átomo de gas, éste expulsa un electrón, dejando un ion cargado. Los iones convierten en conductor al gas. Otro modo de convertir un gas en plasma consiste en hacer pasar electrones de alta energía a través del gas

FUSIBLES DE EXPULSIÓN Diseño Este tipo de fusibles consta básicamente de los siguientes componentes: Un cilindro interior aislante de material ablativo, el cual puede ser fibra vulcanizada, papel aislante impregnado de resina fenólica, resinas termoplásticas termo f ijas con o sin material de relleno. El elemento sensible a la corriente (fusible) esta constituido por un alambre o cinta, de sección transversal casi siempre constante y de longitud muy corta (entre 2 y 5 cm). El material de este elemento puede ser plata, cobre, aleaciones de plata o cobre, aleación níquelcromo, plomo, estaño, o aleaciones de plomo-estaño. Además tiene un botón cabezal y el conductor inferior. Cada una de sus partes se observa en la figura 10.5.Los diseños más comunes son: Una combinación de soldadura eutéctica y elemento de alta corriente para eslabones fusible de descargar atados de 1 a 8 A. Un elemento de hilo para fusibles de estaño reatados de 5 a 20 A y de fusibles de plata reatados de 5 a100 A Un elemento fundido a troquel para fusibles de estaño reatados de 25 a 100 A. Un elemento de disparo para fusibles de estaño reatados sobre 100 A. Los eslabones fusibles descritos por 2, 3, 4 tienen un hilo tensionado de alta resistencia que protege el elemento fusible contra rotura mecánica accidental. La longitud y el diámetro del elemento fusible determinan la corriente y el tiempo necesario para fundir el elemento. El elemento puede ser largo o corto.• El elemento largo: a bajas corrientes gradualmente desarrolla un punto caliente en el centro y rompe tan pronto se alcanza la temperatura de fusión.• El elemento corto : a la misma corriente desarrolla un punto caliente que no

alcanza la temperatura de fusión dejando el fusible calentado pero no fundido.  A altas corrientes ningún elemento tiene tiempo de sacar el calor hacia afuera. Operación

Una vez que ha operado el elemento sensible a la corriente, la interrupción se logra no sólo por la reacción del tubo aislante de material ablativo y por la expulsión del cable de cobre estañado, sino también por la acción de caída del tubo porta fusible, haciéndose visible la operación y la ubicación de la falla .En algunos diseños de fusibles de baja corriente nominal se agrega un resorte interior de tensión o compresión que ayuda a separar más rápido al cable de cobre estañado del contacto interior fijo, sujetado de alguna forma al contacto superior. Inmediatamente después de que ocurre la fusión (o pre arqueo) del elemento sensible a la corriente aparece el arco, cuya temperatura

es superior a 12 000 ºK, que al estar en contacto con el material ablativo forma una capa envolvente de vapor a una temperatura del orden de los 3000 ºK. En este tipo de fusibles el arco es enfriado por convección, siendo el flujo refrigerante generado por la vaporización del material aislante por el arco. La extinción del arco se logra por la acción de dos agentes E n f r i a m i e n t o p o r  convección de los gases des ionizantes que se generan a al ta pr es ió n. La expulsión hacia el exterior del cable de cobre estañado, al cual estuvo conectado previamente el elemento sensible a la corriente. 1. Cabezal del botón de contacto con rosca. 2. Arandela. 3. Terminal superior. 4. Elemento fusible. 5. Pantalla protectora contra corona. 6. Terminal inferior. 7. Hilo tensor (o muelle de tensión) 8. Cable interior. 9. Coraza protectora (también sirve como soporte al muelle de tensión). 10. Cable exterior. 11. Hilo forjado.

a) Para menos de 1A b) Entre 10 y 100A.

Eslabón fusible típico usado en cortacircuitos de distribución tipo intemperie.

Existen dos formas para la expulsión de los gases generados:•La expulsión por 

un extremo de tubo porta fusible, La expulsión de los gases por  ambos extremos del tubo porta fusible. El cilindro de material aislante de una sola pieza puede soportar varias operaciones que dependen de la magnitud de la corriente que se pretende interrumpir, del material utilizado en su construcción y de la construcción del elemento sensible a la corriente. Dicho de otra manera, cuando ocurre una falla, el elemento fusible se funde y se establece un arco (trayectoria conductiva de partículas ionizadas como iones metálicos y gas ionizado). Dicho arco debe ser extinguido rápidamente a fin de prevenir daño al sistema y a los equipos. El fusible de expulsión típico usa elementos relativamente cortos para detectar sobre corrientes y empezar la interrupción. Los elementos que producen gas des ionizado son uno o varios de los siguientes: fibra, melanina, ácido bórico, aceite y tretracloruro de carbón. Estos gases se mezclan rápidamente con los gases ionizados y los des ioniza, crean turbulencia de alta presión y cuando la corriente alcanza el cero se recupera la fortaleza del dieléctrico y se extingue el arco, se presenta un transitorio de voltaje antes de recuperar el voltaje del sistema. En la medida que la corriente de falla es mayor, la duración del periodo de arqueo será menor. Sin embargo, la interrupción siempre ocurrirá hasta que la corriente pase por su valor cero en uno o más semiciclos. En las figuras 10.6 y 10.7 se representa la característica de operación de estos fusibles bajo la acción de corriente de falla de baja y alta magnitud a la tensión del sistema.

La figura 10.7 muestra las señales típicas de corriente, voltaje y tiempo que se presentan durante la interrupción normal del fusible de expulsión. Puede observase que no hay limitación de corriente y al final del tiempo de interrupción el voltaje puede rápidamente restablecerse pero antes se presenta un alto transitorio de recuperación de voltaje. Una ventaja del fusible de expulsión es que una vez quemado el fusible, puede ser recargado con mucha

facilidad. Otra ventaja es que el porta fusible admite una amplia variedad de eslabones fusible y de posibilidades de coordinación. Después que la corriente de arco se reduce a cero, para asegurar la interrupción definitiva de la corriente de falla, la rigidez dieléctrica del fusible debe ser mayor que la tensión de restablecimiento (Ver figura10.8).Hasta el instante de interrupción de la corriente de arco, la tensión en los bornes del fusible tiene un valor muy reducido, pero inmediatamente después la tensión de restablecimiento se incrementa para alcanzar o rebasar el valor cresta de la tensión del sistema. Sin embargo, debido a la presencia de la capacitancia C y de la inductancia L de la red, esa transición ocurre con una oscilación amortiguada por la resistencia R siempre presente. El circuito que representa la condición anterior se ilustra en la figura 10.9.

La relación de fusión se define como el cociente entre la corriente nominal de un fusible primario y la corriente nominal del transformador correspondiente. Es deseable trabajar con las relaciones de fusión lo más bajas posible siempre y cuando se tome en consideración el efecto de las corrientes transitorias de energización de los transformadores y las corrientes de energización de otras cargas que fluyen en un circuito, después de una interrupción momentánea. Los fusibles de expulsión se ven sometidos a diferentes condiciones de operación del sistema durante el tiempo que duran instalados en la red, lo que afecta sus características eléctricas y mecánicas. Estos cambios son producidos principalmente por: El efecto de las sobretensiones inducidas en las redes por las descargas atmosféricas. Las interrupciones en el servicio. Las características de la carga. Debido al efecto de esos agentes, los fusibles envejecen a consecuencia de cambios en su estructura metalografía. En algunos casos el cambio se manifiesta por la fusión parcial del elemento sensible a la corriente, condición bajo la cual llegan a operar en ausencia de sobrecargas o fallas de cortocircuito. En el caso particular de las unidades fusibles de 3 amperios tipo K, por estar su elemento sensible a la corriente sometido a la acción simultánea del efecto térmico de la corriente eléctrica y el esfuerzo de tensión mecánica que durante su vida útil ejerce el resorte de comprensión que trae consigo, el índice de fusibles operados es realmente alto. Los cambios que se originan en el elemento sensible a la corriente debido a la acción de estos agentes hacen que las curvas características corriente –tiempo de fusión se desplacen hacia la

izquierda con respecto a su posición original, perdiéndose parcialmente la coordinación con otros elementos de protección contra sobre corrientes conectados en serie. De acuerdo con estudios realizados en alimentadores de distribución de 23 kV, las corrientes producidas por sobretensiones inducidas por descargas atmosféricas y corrientes magnetizantes de energización causan la operación del 32.4 % de las unidades fusibles 3 K, que se utilizan en la protección de los transformadores de 75y 112.5 kVA. Aún cuando los transformadores se encuentren protegidos con pararrayos siempre estarán sometidos al efecto delas sobretensiones de corta y larga duración inferiores o iguales a la tensión de descarga del pararrayos. Los pararrayos de clase distribución limitan las sobretensiones a 50 kV, magnitud suficiente para producir saturación en los núcleos de los transformadores. Las interrupciones en el servicio traen consigo la aplicación de pulsos de corriente a 60 Hz en forma de corrientes magnetizantes de energización a los fusibles de protección primarios de los transformadores conectados a un alimentador. En una serie de pruebas de aplicación de corrientes de magnetización a un transformador de 75 kVA23 / 0.22 kV, conexión delta-estrella aterrizada, a unidades fusibles 3K (conectando en serie en cada fase), se encontró que su resistencia eléctrica sufrió un incremento de acuerdo con las características constructivas o de aplicación de cada una de ellas. En la figura 10.10 se muestran los incrementos de resistencia de los fusibles instalados en una de las fases del circuito de pruebas. El distinto comportamiento de los fusibles de 3 A tipo K se puede apreciar en la figura 10.11, en donde se muestra la variación de la resistencia óhmica de los fusibles instalados en alimentadores con carga mixta y residencial. Los efectos producidos por las sobretensiones de origen atmosférico en las redes de distribución se han estudiado desde dos puntos de vista diferentes:•En relación al aislamiento, se consideran los impulsos de

tensión con frente de onda muy escarpado, los cuales producen flameos tanto en aisladores como en terminales de transformadores. En este último caso, se provoca la falla de fase o de fases a tierra en el lado de media tensión, con la consecuente operación de las unidades fusibles. Desde el punto de vista de la operación de los transformadores, las sobretensiones a considerar son las llamadas de larga duración (del orden de milisegundos), cuyo efecto se refleja en el transformador como un cambio en el flujo de operación en el instante de aplicación de la sobretensión y, por tanto, en la presencia de corrientes anormales que pueden hacer operar a los fusibles o al menos dañarlos. Con la aplicación de un impulso de tensión aparecen varias componentes de corrientes transitorias. De ellas las que más daño causan a los fusibles son: La componente impulsiva de la corriente, posterior a la saturación del núcleo. La corriente transitoria de magnetización a la f recuencia de estado estable. Por otra parte, se tiene que todo impulso de tensión, sin importar cuán pequeño sea, provoca cambios en elflujo de operación del transformador y, por tanto, la aparición de corrientes transitorias de magnetización, cuya magnitud depende

República Bolivariana De Venezuela Universidad Del Zulia Facultad De Ingeniería Escuela De Eléctrica Cátedra: Sistema De Protección

Seccion 001 – 2do Semestre Del 2012

Maracaibo, Diciembre del 2012

FUSIBLES DE EXPULSIÓN Diseño Este tipo de fusibles consta básicamente de los siguientes componentes: Un cilindro interior aislante de material ablativo, el cual puede ser fibra vulcanizada, papel aislante impregnado de resina fenólica, resinas termoplásticas termo f ijas con o sin material de relleno. El elemento sensible a la corriente (fusible) esta constituido por un alambre o cinta, de sección transversal casi siempre constante y de longitud muy corta (entre 2 y 5 cm). El material de este elemento puede ser plata, cobre, aleaciones de plata o cobre, aleación níquelcromo, plomo, estaño, o aleaciones de plomo-estaño. Además tiene un botón cabezal y el conductor inferior. Cada una de sus partes se observa en la figura 10.5.Los diseños más comunes son: Una combinación de soldadura eutéctica y elemento de alta corriente para eslabones fusible de descargar atados de 1 a 8 A. Un elemento de hilo para fusibles de estaño reatados de 5 a 20 A y de fusibles de plata reatados de 5 a100 A Un elemento fundido a troquel para fusibles de estaño reatados de 25 a 100 A. Un elemento de disparo para fusibles de estaño reatados sobre 100 A. Los eslabones fusibles descritos por 2, 3, 4 tienen un hilo tensionado de alta resistencia que protege el elemento fusible contra rotura mecánica accidental. La longitud y el diámetro del elemento fusible determinan la corriente y el tiempo necesario para fundir el elemento. El elemento puede ser largo o corto.• El elemento largo: a bajas corrientes gradualmente desarrolla un punto caliente en el centro y rompe tan pronto se alcanza la temperatura de fusión.• El elemento corto : a la misma corriente desarrolla un punto caliente que no

alcanza la temperatura de fusión dejando el fusible calentado pero no fundido.  A altas corrientes ningún elemento tiene tiempo de sacar el calor hacia afuera. Operación

Una vez que ha operado el elemento sensible a la corriente, la interrupción se logra no sólo por la reacción del tubo aislante de material ablativo y por la expulsión del cable de cobre estañado, sino también por la acción de caída del tubo porta fusible, haciéndose visible la operación y la ubicación de la falla .En algunos diseños de fusibles de baja corriente nominal se agrega un resorte interior de tensión o compresión que ayuda a separar más rápido al cable de cobre estañado del contacto interior fijo, sujetado de alguna forma al contacto superior. Inmediatamente después de que ocurre la fusión (o pre arqueo) del elemento sensible a la corriente aparece el arco, cuya temperatura