Solución para el Control y Protección de Motores de Media Tensión Utilizando Contactores-Fusibles al Vacío (VCF) en un Sistema de Transporte de Carbón

1. Antecedentes del Proyecto

Un sistema de transporte de carbón consta de 15 transportadores de banda impulsados por motores de media tensión. El sistema opera en condiciones complejas, con los motores sometidos a cargas pesadas y arranques frecuentes. Para abordar estos desafíos y lograr un control efectivo y una protección confiable durante el arranque del motor, el proyecto adopta integralmente dispositivos de combinación de Contactores de Vacío-Fusible (VCF) para la distribución de energía de motores de media tensión de 6kV. Esta solución detalla las características técnicas, ventajas y aplicación del VCF, proporcionando una referencia confiable para condiciones de trabajo similares.

2. Ventajas y Características Técnicas Principales del VCF

2.1 Estructura Avanzada del Equipo y Tecnología de Aislamiento

• ​Tipo de Equipo: Esta solución emplea una estructura extraíble de VCF para facilitar la instalación, mantenimiento y reemplazo.
• ​Tecnología Central: Utilizando aislamiento compuesto de resina epoxi y tecnología de Gelificación Automática por Presión (APG), el interruptor de vacío se encapsula directamente en resina epoxi, mejorando significativamente el rendimiento de aislamiento, la resistencia mecánica y la estabilidad ambiental.
• ​Mecanismo de Operación: El mecanismo de operación está diseñado con precisión y presenta un bajo consumo de energía.

2.2 Composición Integral y Amplia Aplicabilidad

• ​Composición del Equipo: El VCF consiste en una combinación optimizada de fusibles limitadores de corriente de alta tensión (capaces de interrumpir una amplia gama de corrientes de cortocircuito) y contactores de vacío VCX operables con frecuencia, formando una solución de circuito F-C clásica.
• ​Ventajas Principales: Ofrece larga vida útil, rendimiento estable y bajo ruido.
• ​Ámbito de Aplicación: Se utiliza ampliamente en sistemas de alimentación auxiliar de alta tensión en centrales térmicas, así como en las industrias metalúrgica, petroquímica y minera. Es adecuado para el control y la protección de cargas como motores de alta tensión, transformadores y hornos de inducción.

2.3 Alta Adaptabilidad y Características de Seguridad

• ​Compatibilidad con Gabinetes: La unidad extraíble de VCF coincide con las dimensiones y las posiciones de interbloqueo de cinco prevenciones de las unidades extraíbles de interruptores en armarios de montaje central de 800 mm de ancho, permitiendo un reemplazo sin modificaciones en los armarios existentes.
• ​Conveniencia de Mantenimiento: El diseño extraíble permite un reemplazo seguro y conveniente de los fusibles de alta tensión fuera del gabinete.
• ​Método de Sujeción: El contacto de vacío puede configurarse para sujeción eléctrica o mecánica según los requisitos del cliente.
• ​Protección contra Falta de Fase: Equipado con una protección completa contra falta de fase. En caso de una falta de fase, el fusible opera y se bloquea mecánicamente para asegurar que el VCF desconecte el circuito del motor, evitando eficazmente daños al motor debido a la monofasía.

3. Parámetros Técnicos Clave (Clasificación de 7.2kV)

4. Principio de Control de Protección

La protección del VCF se divide según la magnitud de la corriente para un rendimiento óptimo:

• ​Rango de Corriente Baja (< 4kA)​: Manejado por el contacto de vacío para la interrupción normal y la protección contra sobrecarga.
• ​Rango de Corriente Alta (> 4kA)​: Interrumpido rápidamente por el fusible de alta tensión para abordar fallas de cortocircuito.
• ​Coordinación de Curvas: La curva de protección del contacto se establece por debajo de la curva del interruptor para asegurar que el contacto actúe primero durante las sobrecargas. Simultáneamente, se selecciona un fusible adecuadamente emparejado con ajustes de protección inferiores al interruptor aguas arriba para evitar completamente el disparo no intencionado.

5. Ventajas del VCF frente al Interruptor de Vacío

Para cargas de motores que se arrancan y detienen con frecuencia, el VCF ofrece ventajas significativas sobre los interruptores de vacío:

6. Núcleo de la Selección de VCF: Guía de Selección de Fusibles

El rendimiento del VCF depende de la selección correcta del fusible, considerando los siguientes factores:
Tensión de trabajo, corriente de trabajo, tiempo de arranque del motor, arranques por hora, corriente a plena carga del motor y corriente de cortocircuito en el punto de instalación.

6.1 Reglas y Pasos de Selección

1. ​Tensión Nominal: La tensión nominal del fusible no debe ser inferior a la tensión de trabajo del sistema (7.2kV en este caso).
2. ​Cálculo de la Corriente Nominal:
• Usar la fórmula: Iy=N×In×δI_y = N \times I_n \times \deltaIy​=N×In​×δ
• IyI_yIy​: Corriente equivalente durante el arranque (A)
• NNN: Relación de corriente de arranque a corriente a plena carga (típicamente 6)
• InI_nIn​: Corriente nominal a plena carga del motor (A)
• δ\deltaδ: Coeficiente integral (basado en arranques por hora, n, de la tabla siguiente)

1. ​Emparejamiento de Curvas: Graficar el valor calculado de IyI_yIy​ y el tiempo de arranque del motor en la curva característica de tiempo-corriente del fabricante del fusible. Seleccionar la corriente nominal del fusible correspondiente a la curva inmediatamente a la derecha de este punto.
2. ​Verificación Adicional: La corriente nominal del fusible seleccionado debe ser **> 1.7 veces la corriente a plena carga del motor**.

6.2 Ejemplo de Selección

Para un sistema de 7.2kV con un motor de alta tensión de 250kW de arranque directo:
In=30AI_n = 30AIn​=30A, 16 arranques por hora, tiempo de arranque de 6s.

• Cálculo: Iy=6×30A×2.1=378AI_y = 6 \times 30A \times 2.1 = 378AIy​=6×30A×2.1=378A
• Selección: En la curva de tiempo-corriente del fusible, localizar la curva a la derecha del punto (378A, 6s), correspondiente a una corriente nominal del fusible de 100A.
• Verificación: 100A > 1.7 × 30A (51A), cumpliendo con el requisito. Por lo tanto, se puede seleccionar un fusible de protección de motor de alta tensión con una calificación de 100A o superior.

7. Conclusión

Desde un análisis integral de costo-rendimiento:

• Aunque los interruptores de vacío tienen costos de adquisición más bajos, su vida útil más corta los hace inadecuados para arranques/detenciones frecuentes, lo que resulta en costos de mantenimiento a largo plazo más altos y riesgos de fallos.
• La solución VCF combina las ventajas de los contactos de vacío (larga vida útil, baja sobretensión, aptitud para operaciones frecuentes) y los fusibles (interrupción ultrarrápida de corrientes de cortocircuito), todo a un costo general económico.
• Para el sistema de transporte de carbón y otras aplicaciones con características de operación frecuente y arranque a plena carga, el VCF es una solución ideal que ofrece alto rendimiento, confiabilidad y rentabilidad.