Los Fusibles

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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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• 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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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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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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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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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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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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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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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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Se adjuntas especificaciones técnicas (tabla N° 1.4 y N° 1.5).
Tabla N° 1.4
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Tabla N° 1.5
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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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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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Se adjuntas especificaciones técnicas (figura N° 1.21 y Tabla N° 1.6).
Figura N° 1.21
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Tabla N° 1.6
1.5.2.4- Laminas fusibles de medio y alto voltaje
Figura N° 1.22
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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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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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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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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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A continuación se muestran las características técnicas de un desconectador
fusible.
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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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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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