INSTITUTO PROFESIONAL INACAP

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1 INSTITUTO PROFESIONAL INACAP INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES ELECTRICOS NIBALDO ANDRES ACOSTA ACUÑA 2004

2 INSTITUTO PROFESIONAL INACAP INGENIERIA DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD TRABAJO DE TITULACION PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO DE EJECUCION EN ELECTRICIDAD CON MENCION EN POTENCIA ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES ELECTRICOS PROFESOR GUIA: Gabriel Leyton Valenzuela NIBALDO ANDRES ACOSTA ACUÑA 2004

3 AGRADECIMIENTOS Al tener que dar las gracias, debo decir que primeramente agradezco a mi madre, que con mucho esfuerzo me brindó la posibilidad de emprender el gran desafío que significa estudiar una carrera profesional, que teniendo que cumplir el rol de padre y madre, con su sabiduría y entrega logró sostener a la familia con gran paciencia y cariñosos consejos. A todas las personas que me apoyaron incluso desde mucho antes de emprender esta larga carrera, especialmente a Patricia, la razón de mi felicidad. Me siento profundamente agradecido del señor Horst Ziller por la posibilidad brindada en su empresa para desarrollar mi práctica profesional, como también dar las gracias por la confianza depositada en mí, además de ser un gran maestro al entregarme sus conocimientos adquiridos durante muchos años. A mi profesor guía, Don Gabriel Leyton le agradezco por su excelente disponibilidad y paciencia que siempre demostró tener a lo largo de este proceso. Nibaldo Andrés Acosta Acuña

4 RESUMEN Desde hace muchos años, el Fusible Eléctrico es el elemento de protección más utilizado para proteger circuitos eléctricos en los distintos niveles de baja, media y alta tensión. La seguridad de su accionamiento y sus ventajas económicas, constructivas, mecánicas y eléctricas, en comparación con otros dispositivos de protección, han convertido al fusible en la opción número uno en el momento de proteger las instalaciones eléctricas. El continuo crecimiento del sector industrial origina la intensificación del consumo energético eléctrico, lo que trae como consecuencia que las fallas eléctricas sean más comunes. Con el fin de proteger los sistemas eléctricos, hoy en día es necesario optar por la alternativa más segura y económica, para lo cual los fusibles eléctricos desechables son la mejor solución al problema, aún cuando en muchas alternativas de protección se utilizan los dispositivos automáticos. En el ámbito eléctrico se emplea comúnmente el término fusible para referirse a un dispositivo de protección, pero lo cierto es que la definición que identifica completamente a dicho elemento, no es totalmente conocida entre las personas, especialmente en los estudiantes del área. Según lo planteado anteriormente, es válido hacer una completo estudio del funcionamiento y diseño de fusibles eléctricos, comenzando con una reseña histórica que detalle la aparición del primer fusible patentado por el señor Thomas Alva Edison y los aportes de James Prescott Joule y de Julius Robert von Mayer en el área de la termología, además de entregar definiciones de termodinámica y conceptos utilizados en los fusibles tales como el tiempo de pre-arco (Melting), tiempo arco (Arc) y tiempo total de despeje (Clearing), corriente prevista de corte, intensidad limitada, energía disipada (i 2 t), los cuales son importantes para comprender los fenómenos físico-eléctricos que se originan en la operación de un fusible eléctrico. Actualmente existe una gran gama de fusibles, de acuerdo a la necesidad y utilización, por lo tanto es importante analizar la forma de codificación que utilizan los fabricantes de fusibles, para visualizar definiciones y posteriormente hacer una correcta elección de dichos elementos de protección. La existencia de una serie de fenómenos físicos que ocurren en la operación de un fusible permitirá definir los conceptos de fusión, ebullición, vaporización y formación de arco, con el fin de explicar con profundidad las etapas del proceso físico del corte de un fusible en régimen adiabático, analizando matemáticamente las ecuaciones que caracterizan dichas etapas para finalmente encontrar la constante de Mayer. Dicha constante permite determinar el tiempo de pre-arco para una determinada corriente eléctrica, conociendo la superficie transversal y el material empleado del elemento fusible (plata, cobre, aleaciones, etc.). Los parámetros y características eléctricas de los fusibles (valores nominales) tales como la corriente, el voltaje, capacidad de ruptura, tipo de fusión (lento, rápido, ultra rápido etc.) son necesarios de estudiar, y además de las características mecánicas como son la forma, dimensiones, los materiales de fabricación del cuerpo del fusible y el medio de extinción del arco, entre otras. También es muy importante resaltar las ventajas y desventajas que tienen los fusibles eléctricos en comparación con los interruptores termo-magnéticos, y además los conceptos de selectividad y coordinación, además de las normativas nacionales e internacionales referentes a fusibles, cuales son sus alcances y campos de aplicación, de qué forma clasifican a los fusibles según el voltaje nominal y el rango de tiempo de operación, permiten adoptar medidas importantes en el momento de fabricar estos dispositivos de protección. En virtud de lo anterior, el presente estudio de seguro permitirá adquirir un real conocimiento de lo que significa un fusible, y de la importancia que éste posee en su desempeño en las redes eléctricas. 1

5 2 INDICE Pág. Resumen...1 Capítulo I INTRODUCCIÓN Objetivo General Objetivos Específicos Justificación del Tema...5 Capítulo II DESARROLLO HISTÓRICO DE LOS FUSIBLES Y PRIMEROS ESTUDIOS DE LOS EFECTOS TÉRMICOS PRODUCIDOS POR LA CORRIENTE Evolución Histórica del Fusible Eléctrico Inicio de la Producción y Consumo de la Electricidad en Chile Primeros Estudios de los Efectos Calóricos Producidos por la Corriente Eléctrica Propiedades Físicas de la Materia Característica Tiempo-Corriente en la Etapa de Pre-arco Adiabático Análisis del Código de Fusibles DELTA...16 Capítulo III TEORÍA DEL FUNCIONAMIENTO Y DISEÑO DE FUSIBLES Conceptos a Considerar en el Diseño de un Fusible Proceso Físico del Corte de un Fusible en Régimen Adiabático Análisis Matemático del Tiempo de Fusión en Régimen Adiabático para una Lámina de Plata Origen del Arco Eléctrico en la Operación de un Fusible...33 Capítulo IV CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DE FUSIBLES Definición del Fusible Eléctrico Partes que Componen un Fusible Características Eléctricas de los Fusibles Información general de fusibles suministrada por el fabricante...53

6 Clases de fusión en los fusibles Análisis Comparativo de Fusibles y otros Dispositivos de Protecciones Eléctricas Coordinación Selectiva...66 Capítulo V PRUEBAS Y NORMAS REFERENTES A FUSIBLES Medición de fusibles en laboratorio Clasificación de fusibles según su tensión nominal Normas Nacionales e Internacionales referentes a Fusibles Eléctricos Norma IEC para fusibles de Alta Tensión limitadores de corriente Fusibles de Rango R para media tensión Norma ANSI C37.42, 43 Fusibles de Expulsión Norma BS 88 para fusibles de voltajes menores o iguales a 1000 V ac y 1500 V dc Norma UL 198 B para Fusibles clase H Norma UL 198 C para Fusibles clase G, CC, J y L Norma ANSI / NEMA FU1 para Fusibles clase J Norma ANSI / NEMA FU1 para Fusibles clase L Norma UL 198 D para fusibles clase K Norma UL 198 E para fusibles clase R Norma UL 198 H para fusibles clase T Capítulo VI APLICACIÓN DE FUSIBLES EN UN SISTEMA DE POTENCIA Determinación de los Niveles de Cortocircuito en una Red Eléctrica Utilización de Fusibles Limitadores en Cables CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS...114

7 CAPITULO I INTRODUCCIÓN OBJETIVO GENERAL. Estudiar el funcionamiento de los fusibles eléctricos bajo el punto de vista de los fenómenos físicos y eléctricos en el proceso de fusión y la metodología aplicada en su diseño, analizando condiciones adiabáticas, arco y disipación. Además se agregarán criterios de diseño y normas de clasificación OBJETIVOS ESPECÍFICOS. Realizar un estudio de los aspectos más relevantes en el área de la termología (calorimetría) y termodinámica, los aportes efectuados por Joule y R. J. von Mayer con el fin de establecer una base sólida de conceptos a ser utilizados en el presente estudio. Realizar un estudio de los conceptos, definiciones y parámetros eléctricos más utilizados en los fusibles, el cual permitirá la correcta comunicación de ideas en un idioma común. Analizar desde el punto de vista de los fenómenos físicos, el principio de funcionamiento de los fusibles eléctricos dentro de un período netamente adiabático. Modelar las ecuaciones fundamentales del proceso físico del corte de un fusible, aplicando conceptos fundamentales del cálculo. Analizar y evaluar las pruebas y ensayos obtenidos de laboratorio, comparando con resultados teóricos, mencionando posibles soluciones o alternativas en el diseño. Realizar un estudio de las características eléctricas y mecánicas, además de los aspectos constructivos de los distintos tipos de fusibles detallando cada una de sus partes componentes, ensayos de laboratorio, material fotográfico, las normas nacionales e internacionales referentes a los fusibles eléctricos y la manera en que los clasifica. Para el cumplimiento de este objetivo, se recurrirá a libros y catálogos del Departamento Técnico de la empresa FUSELCO Ltda. (Empresa en la cual se realizó la práctica Profesional) Analizar las ventajas y desventajas que poseen los fusibles eléctricos en comparación con los interruptores magneto-térmicos. Además, se estudiarán los conceptos de selectividad y coordinación, ya sea entre fusibles o trabajando con otros dispositivos de protección, utilizando las curvas de tiempo-corriente y gráficos de selectividad según la energía i 2 t para su representación gráfica. Describir la aplicación de fusibles en un Sistema Eléctrico de Potencia, mediante la determinación de los niveles de cortocircuito aplicado por las normas IEEE / ANSI y la utilización de conceptos anteriormente estudiados para efectuar la coordinación con otros dispositivos de protección. 4

8 1.3. JUSTIFICACIÓN DEL TEMA. 5 La mayoría de los fabricantes de fusibles entregan en sus catálogos la información necesaria para la correcta elección de sus fusibles según las distintas aplicaciones, pero, prácticamente no existe literatura acerca de una investigación seria, completa y acabada del tema de fusibles eléctricos que entregue conocimientos en cuanto al diseño, construcción y fabricación, el origen histórico de los fusibles eléctricos, conceptos de física, electricidad y termodinámica asociados al tema, sus características principales y la clasificación de fusibles según las normas nacionales e internacionales, entre otros. Debido a esto, se justifica la investigación referente al tema de los fusibles eléctricos con la finalidad de aportar con literatura que indudablemente servirá como material de apoyo tanto a estudiantes, ingenieros y profesores del área.