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Profesor: Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe

PROFESOR CUBANO

Protecciones Eléctricas de las Redes de Distribución Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe

Conferencia 5 La selección de los fusibles y su coordinación

Sumario:

Introducción

Características generales de las Redes de Distribución

fusibles

Selección de fusibles para transformadores de distribución

Selección de fusibles para redes de distribución

Conclusiones

Objetivo:

Familiarizar a los cursantes con la selección de los fusibles para redes eléctricas y

transformadores de distribución.

Preguntas de entradas:

1. ¿Un fusible es un dispositivo primario o secundario?

2. ¿Será necesario el conocimiento de las corrientes de cortocircuito para la selección de

los fusibles?

3. ¿Un operador electricista podrá seleccionar un fusible solo a partir de las características

del transformador de distribución?

4. ¿Qué problemas trae la selección arbitraria de un fusible?

Bibliografía:

1. De la Incera, Carlos... [et al]. Problemas Resueltos y Propuestos De Protecciones De

Sistemas Eléctricos_ La Habana: ISPJAE, 1989 _ 236p.

Conferencia 5. "La Selección de los Fusibles y su Coordinación" Página

Protecciones Eléctricas de Redes de Distribución

Dr. Orlys Ernesto Torres Breffe

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2. Donald Beeman...[et al]. Industrial Power Systems. Handbook_La Habana: Instituto Del

Libro, 1969 _971p.

3. Metz-Noblat, Benoît. El rayo y las instalaciones de AT. Cuaderno Técnico Schneider No.

168_ Schneider Electric Biblioteca Técnica. 1998, p67.

4. Line Material Company. Distribution System Protection and Apparatus Coordination. USA.

1962, 89p.

5. Calvas, Roland. Los interruptores diferenciales de corrientes residuales en baja tensión.

Cuaderno Técnico Schneider No. 114_ Schneider Electric Biblioteca Técnica. 2001,

p35.

4.1 Introducción:

Aunque no es interés de este curso crear normas o métodos diferentes para la protección

de cada uno de los elementos del sistema de potencia y por el contrario, mostrar la vía

general para la protección de cualquiera de ellos. En el caso de las Redes de Distribución,

la práctica indica que sí existen diferencias.

Para citar un ejemplo, no son siempre los mismos defectos y averías los que ocurren en las

Redes de Distribución Urbanas que los que se presentan en las Redes de Distribución

Industriales de baja tensión. Además, el carácter desatendido de las primeras y la

importancia o el costo por interrupciones de las segundas, generan las diferencias antes

mencionadas.

Algo si tienen en común y es que los dispositivos que en ellas se utilizan son dispositivos

primarios, es decir, dispositivos conectados directamente al circuito de fuerza de la

instalación.

4.2. Características de las Redes de Distribución

Las Redes de Distribución son las encargadas de llevar la energía hasta los hogares,

pequeñas industrias y comercios. Estas son las más ramificadas y por lo tanto más

extensas si se unieran todos los extremos formando una sola línea.




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Estas Redes de Distribución existen en sus variantes aéreas y subterráneas. Las más

empleadas en el Ecuador y en casi todo el mundo son las aéreas, aunque las redes

subterráneas se presenten en las grandes ciudades, centros históricos, etc.

Casi todas estas redes se subdividen en primarias (13.8kV) y secundarias (220/120V). En

las redes primarias se instalan los transformadores de distribución que son el punto de

enlace a las redes secundarias.

Las redes primarias y secundarias aéreas están constituidas por un conjunto de postes

donde se instalan los conductores sujetados y separados por aisladores. Los conductores

están a la intemperie y normales están desnudos, es decir, el metal al aire libre.

Las redes aéreas tienen una frecuencia de averías (cortocircuitos, apertura de conductores)

mucho mayor que las redes subterráneas. Esto se debe a su estado a la intemperie. Las

redes aéreas por su parte resultan más económicas en su instalación, reparación y

mantenimiento que las redes subterráneas, aunque como se ha dicho antes, tienen una

mayor frecuencia de averías.

Las averías en estas redes aéreas son los cortocircuitos, rotura de conductores, descargas

atmosféricas, y otras muchas. En las redes subterráneas es imposible la afectación por

descargas atmosféricas y los animales casi nunca constituyen un peligro porque son redes

con conductores aisladores con materiales muy fuertes y resistentes.

La estructura de las redes de distribución es como un árbol, por esa razón muchas veces

se emplean partes de árboles para referirse a determinada parte de las mismas. A la red

que sale de la subestación se le llama tronco y a las redes que se derivan de este tronco

principal se le llama ramales. Las ramificaciones pueden ser muy grandes y muchas veces

provocan complicaciones en la selección de las protecciones necesarias para desconectar

ciertos ramales en caso de averías.

4.3. Fusibles

Los fusibles aunque son los más antiguos de los dispositivos de protecciones aún se

utilizan con gran frecuencia en la protección de las redes de distribución urbanas. Estos

dispositivos poseen el más sencillo de los funcionamientos posibles. Cuando una gran




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corriente pasa a través del fusor o lámina fusora, entonces se genera una alta temperatura

que logra fundirla, quedando así desconectada la fase averiada.

Existe mucha variedad de fusibles y muchos de estos no tienen exactamente el mismo

principio de funcionamiento, pero la variedad de estos está en dependencia del nivel de

tensión, la aplicación y la importancia del elemento a proteger.

Existe una cosa muy importante a tomar en cuenta en los fusibles y es su característica de

respuesta. Un fusible no tiene un tiempo único para su operación, sino por el contrario este

depende del nivel de la corriente que lo atraviesa. Para corrientes mayores, mayores

temperaturas y, por tanto, más rápida es la fusión de la lámina fusora y todo lo contrario

ocurre para menores corrientes. Es decir, el tiempo de operación es inversamente

proporcional a la corriente figura 1

Figura 1. Característica hipotética de temporización de un fusible.

Además de la característica de tiempo inverso, es válido destacar que existe una diferencia

entre el tiempo que necesita la lámina fusora para comenzar a fundirse y el tiempo en que

logra fundirse por completo. En este sentido los fabricantes suelen ofrecer dos curvas de

temporización, la curva de tiempo mínimo de fusión y la de tiempo máximo de limpieza. En

la figura 2 se muestran curvas reales de tiempo mínimo de fusión y tiempo máximo de

limpieza de fusibles tipo K.

Existen fusibles de numerosas definiciones o normativas. Tipos K, T, MS,H,E, entre otros.

Estas letras representan las características de inversión de las curvas. Los fusibles tipo K




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son muy empleados en las redes de distribución por que son los más rápidos o los de

mayor inversión de tiempo con respecto a las corrientes. Para proteger transformadores, se

emplean mucho, los fusibles tipo H y tipo E.

Como casi todos los dispositivos de tiempo inverso, jamás accionará para la corriente que

los caracteriza. Es decir, un fusible de 100A jamás fundirá para una corriente igual a este y

en el caso de los fusibles, este fenómeno suele ser exagerado; es decir, que un fusible de

100A comenzará la fusión con no menos de 300A. Este detalle es muy importante y útil a

la hora de coordinar el funcionamiento de los mismos con respecto a otros tipos de

dispositivos.

a) b)

Figura 2. Curva real de tiempo mínimo de fusión a) y tiempo máximo de limpieza b).

Es un dispositivo de protección primario; es decir, que no utiliza transformadores de

corriente sino que por el contrario se conecta directamente en las fases de potencia del

sistema eléctrico y, por tanto, debe tener la suficiente capacidad interruptiva; si no puede

fundirse o explotar toda la instalación; bornes, porta fusibles, etc.




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Los fusibles no pueden ajustarse; sólo se seleccionan, es decir, que el objetivo radica en

hacer una buena selección del fusible para la protección contra determinado defecto que

por lo general es el cortocircuito.

4.4. Selección de fusibles para los transformadores de distribución

Los transformadores de distribución se protegen normalmente mediante fusibles (figura 4).

Incluso muchos de ellos son transformadores conocidos como “autoprotegidos”, lo cual

solo significa que el fusible está dentro del transformador, sumergido en el mismo aceite en

el interior del tanque. Es un fusible con características fusoras muy similar al que se emplea

en un transformador protegido por un fusible externo.

Figura 4. Banco de transformadores de distribución protegidos mediante fusibles externos.

La selección del fusible para proteger un transformador para por una serie de restricciones

que se pueden entender una vez comprendidos los fenómenos internos que suceden en el

transformador.




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Los transformadores de distribución son máquinas fuertes que toleran numerosas averías

externas, así como regímenes anormales. Pero mayores corrientes las tolera un menor

tiempo, que menores corrientes. A la relación de corriente contra tiempo en la curva de

tolerancia o soporte del transformador a las sobrecorrientes, se le llama “Curva de Daño del

Transformador” y se muestra en la figura 5.

Figura 5.Curva de daño del transformador de distribución

Algunos autores han establecido esta curva o varios dentro de ella con cierta exactitud,

pero esta relación es válida para transformadores construidos bajos los estándares de




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ANSI. En la figura 6 se muestra la relación entre la corriente y el tiempo de soporte de

dicha corriente en el transformador.

Figura 6. Valores de corrientes contra tiempo en la curva de Daño de los

Transformadores de Distribución

En la figura 6 se puede observar como para valores muy altos de 25 veces la corriente

nominal del transformador, el tiempo de tolerancia es muy corto de 2 segundos. Pero las

corrientes del orden de los 5 veces la nominal, pueden ser soportadas por mucho más de

30 segundos hasta alcanzar el minuto.

Si se quiere seleccionar un fusible que proteja al transformador, debe quedar a la izquierda

de esta curva de tal forma que para cualquier sobrecorriente, se funda primero el fusible

antes que esta corriente permanezca tanto tiempo como para dañar al transformador.

El fusible igualmente no se puede fundir a la máxima corriente nominal del transformador,

ni a las corrientes de Inrush que se conoce de las clases anteriores, pueden ser muy

elevadas en determinadas condiciones. En la figura 7 se muestra de forma gráfica como la

curva de tiempo contra corriente del fusible está en el medio entre la Curva de la corriente

de Inrush y la Curva de Daño del transformador.

Específicamente hablando, la curva de tiempo mínimo de fusión debe estar a la derecha de

la curva de magnetización o de Corriente de Inrush y la curva de tiempo máximo de

limpieza del fusible, debe estar a la izquierda de la Curva de daño del transformador.




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Figura 7. Características gráficas de las exigencias impuestas al fusible que

protege un transformador.

Este proceso en ocasiones es imposible de lograr. Algunas veces es casi imposible

encontrar curva o un tipo de fusible que logre insertarse entre ambas curva y por lo genera,

casi todos los fusibles aunque están a la izquierda de la curva de magnetización, no están

completamente a la derecha de la curva de daño del transformador. Casi todos los autores

afirman que por tal razón, el fusible no protege al transformador contra sobrecargas y se

instalan protecciones en el secundario.

En la figura 8 se muestra de forma gráfica como la Curva de Daño es cortada por la curva

de tiempo máximo de limpieza. Alrededor de un 200 o un 300% de sobrecarga del

transformador no es detectada por el fusible.




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Fusible 8. Relación entre la corriente máxima de limpieza del fusible y

las curvas de daño del transformador de distribución.

Este método no es muy aconsejable para ser aplicado en las empresas de distribución

dado que construir las curvas y compararlas gráficamente, toma mucho tiempo que muchas

no existen en las operaciones rápidas y las toma de decisiones que se deben tomar.

Por esta razón se aplican métodos de tabulación que permiten seleccionar mucho más

rápidamente los fusibles a ser empleados en cada transformador. En la figura 9 se muestra

la tabla propuesta por ANSI para transformadores de distribución construidos bajos sus

estándares.




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Figura 9. Tabla para la selección del fusible adecuado para la protección de transformadores

de distribución.




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En la tabla anterior (figura 9) se busca el fusible a partir de la potencia del transformador

(Transformer Size kVA) y del voltaje del primario. En las columnas está el voltaje y en las

filas están las potencias del transformador. En el punto de intercepción está la corriente

máxima del transformador y el fusible que se pueden emplear en su protección.

Según la tabla mostrada en la figura 6 para un transformador de 10 kVA que está

alimentado a 7620 V por el primario, este se puede proteger con un fusible de 2 H. Este

transformador de 10 kVA consume como máximo 1.312 A.

4.5 Selección de fusibles para las redes de distribución

En la selección del fusible hay que tener en cuenta, al igual que en todos los aparatos de

sobrecorrientes de tiempo inverso, que no deben de accionar a la corriente de servicio

máxima (Iser.máx.) en régimen estable y transitorio permisible.

Además de lo anterior, el fusible que se esté seleccionando debe ser más lento que la

protección contra cortocircuito adyacente. Si la protección adyacente es un fusible (figura

10), entonces se debe cumplir que el tiempo mínimo de fusión del fusible que estamos

seleccionando sea mayor que el tiempo máximo de limpieza del fusible adyacente, para la

máxima corriente de cortocircuito de este último.

Figura 10. Circuito hipotético que muestra la protección por

fusibles de una simple red de distribución




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Expresado matemática y gráficamente, se obtiene:

.máx.serf II

)1n.(máx.cc

)1n(ml)n(mf

I

t75.0t

donde:

Iser.máx: Es la corriente de servicio máximo que

puede circular por el fusible n.

(n): Es la identificación del fusible seleccionado.

(n-1) Es la identificación del fusible adyacente.

Figura 11. Coordinación entre dos fusibles

Como se observa en la figura 11, para la corriente de cortocircuito Icc2, ambos fusibles se

fundirán en un tiempo similar y, por tanto no se cumplirá la selectividad necesaria. Algo

diferente se presenta para la corriente Icc1 donde se cumple que el fusible F1 se fundirá

mucho más rápido que el fusible F2, en caso que se le mantuviera la corriente.

De hecho, se puede concluir que dos fusibles coordinarán hasta un nivel máximo de

corriente de cortocircuito. Basados en esta afirmación, muchas compañías brindan tablas

de coordinación de fusibles (tabla 3.1), mostrando los niveles de corrientes que cumplen la

norma de selectividad [4]. Es importante destacar que estas tablas responden a fusibles de

un mismo tipo o fabricante, de ahí que su utilización en otros tipos de fusibles pueda

constituir un error con graves consecuencias.

Tabla 3.1. Tabla hipotética para la coordinación de fusibles

Fusibles a seleccionar

Fusibles adyacentes F1 F2 F3 F4 F5

F1 - Icc1 Icc2 Icc4 Icc7

F2 - - Icc3 Icc5 Icc8

F3 - - - Icc6 Icc9

F4 - - - - Icc10

F5 - - - - -




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La numeración dada a los fusibles que están en la tabla es para representar el crecimiento

de la corriente de fusión en los mismos. El fusible F5, tiene mayor corriente de fusión que el

F4 y así hasta llegar hasta el F1. Los fabricantes muestran en sus tablas los estándares que

ellos producen.

Se puede observar como el fusible F1 jamás coordinará con ninguno de los adyacentes

dado que todos son de mayor o igual corriente de fusión que él, por tanto, jamás se

cumplirán las normas de selectividad. Luego los fusibles mayores coordinarán con los

menores hasta un nivel de corriente determinado que se muestra en la celda que está en el

cruce entre las columnas y las filas. Para el ejemplo mostrado, el fusible F4 coordinará con

un fusible F2 para corrientes menores o iguales a Icc5. Es decir, si tenemos corrientes de

cortocircuitos en el tramo protegido por el fusible F2 mayores que Icc5, entonces se

necesitará escoger un fusible mayor que F4 porque estos dos no coordinarán y podrán

fundirse juntos en el momento del cortocircuito pudiendo quedar el circuito completo sin

energía.

En la figura 12 se muestra las tablas que permiten coordinar los fusibles que protegen a las

redes de distribución. En las filas se encuentran los fusibles existentes y los fusibles que se

desean escoger están las columnas. En la intercepción entre uno y otra, está la corriente

máxima de cortocircuito cuando se instalar juntos.

Figura 12. Tabla de coordinación de fusibles para la protección de redes eléctricas.




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4.6. Conclusiones

En las Redes de Distribución Urbana, es muy utilizado el Fusible para actuar contra

cortocircuitos. Para proteger los transformadores de distribución también es común el

empleo de fusibles en el primario.

Las características de tiempo contra corriente de los fusibles para la protección de los

transformadores de distribución, deben estar a la izquierda de la Curva de Daño del

transformador y a la derecha de la curva de Corriente de Inrush. La mayoría de las veces,

el fusible no protege al transformador contra sobrecargas ligeras entre un 200 y un 300%

de la nominal.

Existen tablas o es necesario conformar tablas de coordinación para hacer el proceso de

coordinación y selección de fusibles para transformadores de distribución un proceso

rápido y eficaz en las empresas eléctricas.

En las redes eléctricas de distribución los fusibles se seleccionan de tal forma que

coordinen con el fusible aguas abajo en las redes, además de que deben cumplir no

fundirse a las corrientes de servicio máximo que está circulando en las redes eléctricas.

Este proceso de coordinación debe cumplir un 75% como margen de seguridad.

Parecido a la selección de fusibles para transformadores, la selección de fusibles en las

redes eléctricas se la realiza más eficazmente empleando las tablas de coordinación. Estas

tablas existen para determinados fusibles y la mayoría de las veces es necesario

confeccionarlas.

Existen muchos programas de computación que facilitan la coordinación de los dispositivos

de protección y se pueden citar dos ejemplos de ellos en programas muy potentes:

CAPTOR y POWER PLOT. Estos constituyen herramientas gráficas para facilitar la

coordinación mediante las curvas (t vs i) de los dispositivos que tengan en sus librerías,

pero las normas de protección deben ser chequeadas por los especialistas.

Preguntas de control

1. ¿Cuáles son los problemas que presentan los fusibles como protección de los

transformadores de distribución?




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2. ¿Qué se conoce como curva de tiempo mínimo de fusión y tiempo máximo de limpieza

en los fusibles?

3. ¿Qué debe cumplir un fusible para proteger eficazmente a un transformador?

4. ¿Usted cree que se puede seleccionar un fusible para proteger redes eléctricas

mediante la corriente de servicio máximo de la red?

5. ¿Qué aspectos deben cumplir los fusibles para considerarse coordinados en las redes

eléctricas de distribución?

6. ¿Dos fusibles, uno mayor que otro, coordinarán para cualquier valor de corriente?

Justifique su respuesta.

7. ¿Usted cree que si se cambian las características de la red eléctrica, es decir, calibres

de conductores, potencias de las subestaciones, etc, será necesario revisar si los

fusibles aún coordinan o simplemente, esta coordinación se la realiza una sola vez y

quedan coordinados de por vida?

Motivación de las clases posteriores

Las próximas clases son actividades prácticas que permitirán desarrollar las habilidades

fundamentales para la selección de fusibles, así como la coordinación entre estos. Las

clases prácticas permitirán enfatizar y dominar las técnicas de coordinación.

La próxima conferencia trata sobre la selección de los Reconectadores y la coordinación

entre estos y los fusibles. Esta coordinación es un poco más compleja y depende de que se

hayan entendido los conceptos de coordinación de fusibles presentados en esta

conferencia.

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