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II CONGRESO VENEZOLANO DE REDES Y ENERGÍA
ELÉCTRICA
Junio 2009
Comité Nacional Venezolano
A2-11
COORDINACION FUSIBLE – PARARRAYOS EN CENTROS DE TRANSFORMACION
Ing. Ricardo Castillo
Ing. Francisco Girardi
UTE Uruguay
RESUMEN
La protección de los transformadores contra las sobretensiones de los rayos es la función de un
pararrayos, no del fusible. Al colocar el pararrayos sobre la cuba del transformador, aguas abajo
del fusible, las sobretensiones de choque que pasan por ellos pueden dañarlos o quemarlos.
Es necesario que el fusible proteja al transformador contra las sobrecargas y cortocircuitos y
también asegurarse de que tenga la capacidad para soportar dichas sobretensiones.
Los fusibles tienen definida su característica de operación relacionando la magnitud de la falla
con el tiempo de operación. A tales efectos se estudia la selección de las curvas de los fusibles de
forma que protejan adecuadamente el transformador en relación a las curvas térmicas, de daño
mecánico del transformador, inrush y con los límites establecidos por las corrientes de
cortocircuito máximo determinada por la Zcc del transformador.
En este esquema de montaje se debe asegurar además que el fusible tenga la capacidad de
soportar las corrientes provocadas en el proceso de una descarga atmosférica. Para ello se
incorpora al estudio el punto de daño de sobretensión o perturbación eléctrica transitoria basado
en la fórmula semi–empírica de Jhon Zaborszky.
Como aspecto relevante se constata que los fusibles de tipo de curva combinada (rápida-lenta)
proporcionan una mejor protección para los transformadores de Distribución de los centros de
transformación incluyendo los efectos de las corrientes provocadas por sobretensiones
atmosféricas.
PALABRAS CLAVE
Sobre tensión, Fusible, Transformador
[email protected]
1. _PROTECCION CONTRA SOBRECARGAS Y DAÑOS MECANICOS
La magnitud y duración de las corrientes de falla provocan efectos térmicos y mecánicos que
deben ser considerados. Para magnitudes de corrientes de falla cercanas a la capacidad de diseño
del transformador, los efectos mecánicos son más importantes que los efectos térmicos. Con
magnitudes bajas de corriente de falla próximas al valor de sobrecarga, los efectos térmicos son
más importantes.
1.1.- Sobrecargas de corta duración con sacrificio moderado de la vida esperada
Cuando la carga es mayor que la nominal, el aislamiento se deteriora a una velocidad mayor que
la normal, siendo esta una función del tiempo y de la temperatura. Se considera razonable una
pérdida promedio de vida adicional de 1% por año o 5% en una operación de emergencia.
La guía de la Norma Nacional Americana ANSI C57.92 – 1985 para los transformadores de
distribución de carga sumergidos en baño de aceite y de potencia, contenía una sección titulada
dispositivo de protección, la cual proporcionaba información indicando la capacidad de carga
térmica de corta duración.
La característica de soporte de sobrecarga está dada por los siguientes puntos como se resume
posteriormente [1]
Tabla I Soporte de sobrecarga
Tiempo (segundos) Veces de la corriente nominal
2
25.0
10
11.3
30
6.3
60
4.75
300
3.0
1800
2.0
1.2.-Curva de capacidad térmica
La característica de capacidad térmica limita la temperatura de los devanados del transformador,
bajo el supuesto de que todo el calor almacenado está limitado a 200°C para el aluminio y 250°C
para conductor de cobre en condiciones de cortocircuito.
Esta condición se satisface mediante la ecuación descrita a continuación, asumiendo que la
temperatura máxima ambiente es de 30°C promedio y la temperatura máxima de servicio llega a
110°C antes del cortocircuito:
I²t = K
Donde:
I = corriente simétrica de cortocircuito en valor por unidad
t = duración en segundos
K = 1250
2
1.3.-Curva de corrientes transitorias
Cuando el transformador se energiza, existe una corriente de excitación llamada de Inrush cuya
magnitud viene definida por el flujo residual en el núcleo del transformador y el punto de
conexión en la curva de tensión. Se ha establecido una curva definida por los siguientes puntos:
Tiempo (segundos)
0.01
0.1
1.0
10.0
Tabla II Inrush
Veces de la corriente nominal
25.0
12
6
3
1.4.-Curva de daños mecánicos
El daño mecánico queda establecido por la formula:
I²t = K
Donde:
I = corriente simétrica de cortocircuito en valor por unidad
t = duración en segundos
K = constante determinada por las especificaciones técnicas, la cual establece la amplitud de la
corriente simétrica aplicada y el tiempo del ensayo de cortocircuito en 0,5 o 1 seg.
Tabla III Amplitud de corriente simetrica
Potencia nominal
(kVA)
15
25
37,5
50
75
100
167
Sobrecorriente simétrica
(p.u.)
40
40
35
35
35
35
25
K
800
800
612,5
612,5
612,5
612,5
312,5
Cuando la curva de daño mecánico sea más exigente que la curva de capacidad térmica, o de las
corrientes de sobrecarga de corta duración que soporta el transformador; se tomara la curva de
daño mecánico para las corrientes de defecto superiores al 70% de la máxima corriente posible
(determinada por la Zcc% del transformador). En caso de que el valor de la corriente del 70% sea
inferior al valor de la corriente de sobrecarga de corta duración de 2 segundos, se continuara la
curva de daño mecánico hasta este valor.
3
2. SELECCIÓN DE FUSIBLES PARA PROTECCIÓN DE TRANSFORMADORES
Los fusibles tienen definida su característica de operación relacionando la magnitud de la falla
con el tiempo de operación, a tales efectos se deben seleccionar las curvas de los fusibles situadas
debajo o a la izquierda de las curvas térmicas y de daño mecánico del transformador; y a la
derecha de la curva de Inrush, hasta las intersecciones de la corriente de cortocircuito máxima
establecida por la Zcc del transformador y de la línea de referencia de 0.02 segundos.
Cuando el pararrayos del transformador se coloca aguas debajo de los fusibles, se deben
seleccionar las curvas de forma que tengan la capacidad para soportar las sobretensiones por
descarga atmosférica
2.1
Características de operación del fusible
La característica del fusible es definida por dos curvas: la de mínimo tiempo de fusión (Minimun
Meeting Time) y la de tiempo total de despeje (Maximun Clearing Time) [2].
Curvas de tiempo mínimo y máximo de fusión.
La curva de mínimo tiempo de fusión se establece mediante la magnitud de la corriente y el
tiempo promedio que toma para fundir el fusible substrayendo el 10% a los tiempos.
El fusible tiene un tiempo de formación del arco asociado con el despeje de la corriente; este
tiempo es el que toma el fusible para interrumpir el circuito luego de que el fusible funde. Los
tiempos de arco se suman al máximo tiempo de fusión adicionando un 10% al tiempo promedio
de fusión. Estas dos curvas son los extremos de las características del fusible y son las curvas
publicadas por los fabricantes.
Una corriente que corte la curva del mínimo tiempo de fusión no asegura que este funda; eso
dependerá de efectos tales como temperatura ambiente, o fatiga del elemento fusible, causada por
el efecto de calentamiento de corrientes de falla que han pasado por el fusible pero no han sido lo
suficientemente elevadas para fundirlo.
2.2.-Capacidad del fusible para soportar las sobretensiones por descarga atmosférica
La duración de la corriente de sobretensión debido a un rayo es tan pequeña que el calor generado
en el fusible no tiene posibilidades de ser disipado por conducción, convección o radiación.
Como un valor conocido la corriente de sobretensión es convertida mediante la fórmula semi–
empírica de Zaborszky [3] en un equivalente térmico de corriente RMS 60 Hz, el cual produciría
en el fusible durante 0,02 segundos aproximadamente (i0,02) la misma cantidad de calor que
produciría la sobretensión.
La magnitud de la corriente de sobretensión varía con el tamaño y el voltaje del transformador,
así como también con el nivel básico de aislamiento del sistema.
i0,02 = 7SE/En2
4
Donde E es la tensión nominal del transformador en kilovoltios (kV). En es la tensión de impulso
en kilovoltios (kV) y S la potencia nominal en kilovoltamperes (kVA). La tensión de impulso
puede ser considerada igual al BIL del sistema, aunque será un poco menor
3. EFECTIVIDAD DE LA PROTECCION
La protección es efectiva cuando las curvas del fusible quedan situadas debajo o a la izquierda de
las curvas térmicas y de daño mecánico del transformador; y a la derecha de la curva de Inrush,
hasta las intersecciones de la corriente de cortocircuito máxima establecida por la Zcc del
transformador y de la línea de referencia de 0.02 segundos.
3.1.- Análisis de transformador de 15 kVA monofásico
Fig 1 Diagrama de coordinación de protecciones del transformador 15 kVA
Para proteger el transformador de 15 kVA se utiliza un fusible de 2K
Como se puede apreciar en la Fig. 1, en este caso la protección es efectiva, con el inconveniente
de no poder sobrecargar al máximo el transformador.
5
Tensión nominal de los transformadores 13,8 kV y BIL de 95 kV
Como se aprecia en la Fig. 2, las curvas de los fusibles tipo SLOW RAPID DUAL protegen a los
transformadores mejor contra daños térmicos, permitiendo las sobrecargas temporarias.
Fig 2 Diagrama de coordinación de protecciones del transformador 15 kVA
3.2.- Análisis de transformador de 167 kVA monofásico
Fig 3 Diagrama de coordinación de protecciones del transformador 167 kVA
6
Para proteger el transformador de 167 kVA, se utiliza un fusible de 20K. Como se aprecia en la
Fig. 3, en este caso la protección no es efectiva, ya que la sobretensión convertida en un
equivalente térmico de corriente RMS 60 Hz, corta el melting del fusible; lo cual provocaría
fatiga del elemento fusible y posible apertura por sobretensiones de rayo.
A los efectos de establecer cuál es la protección adecuada se prueba con un fusible de 25K.
Fig 4 Diagrama de coordinación de protecciones del transformador 167 kVA
Y con fusibles tipo SLOW RAPID DUAL
Fig 5 Diagrama de coordinación de protecciones del transformador 167 kVA
7
Con fusibles de 25K (Fig. 4) la protección es efectiva, con el inconveniente de no poder
sobrecargar al máximo el transformador. La sobrecarga de corta duración que protege este calibre
de fusible es similar a la que protege el de 20 K (Fig. 3); por lo cual no hay una pérdida de la
protección térmica del transformador respecto al calibre anterior.
En cambio las curvas de los fusibles tipo SLOW RAPID DUAL (Fig. 5) protegen a los
transformadores mejor contra daños térmicos, permitiendo las sobrecargas temporarias.
4. CONCLUSIONES
Es posible coordinar las protecciones contra daños térmicos, mecánicos y corriente de Inrush; así
como las sobretensiones de rayo mediante fusibles tipo K. Dada la conveniencia de colocar el
pararrayos en la cuba del transformador deben ser revisadas las tablas de fusibles para soportar
las sobretensiones por descargas atmosféricas.
Las curvas de los fusibles tipo K tienen el inconveniente de no proteger adecuadamente a los
transformadores contra sobrecargas temporarias.
Las curvas de los fusibles tipo SLOW RAPID DUAL protegen a los transformadores mejor
contra daños térmicos, permitiendo las sobrecargas temporarias.
Dado que generalmente las empresas eléctricas de distribución no colocan fusibles de protección
en la Baja Tensión del transformador, es conveniente el análisis de estos fusibles a los efectos de
incorporarlos en el sistema de protecciones. El fusible SLOW RAPID DUAL contempla en un
solo elemento tanto la protección en MT como en BT.
BIBLIOGRAFÍA
[1]
ANSI/IEEE C57.109 IEEE Guide for Liquid-Immersed Transformer Through-FaultCurrent Duration
[2] ANSI/IEEE C37.42 Specification for High-Voltage Expulsion Type Distribution Class
Fuses, Cutouts, Fuse Disconnecting Switches and Fuse Links
[3] AIEE periódico No. 54-303, 1954
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