Protección de fusibles de transformadores en caja estilo americano
Introducción a los fusibles de los transformadores de caja estilo americano
Los transformadores de caja estilo americano generalmente utilizan una combinación de fusibles enchufables y fusibles de protección secundaria en serie para proporcionar protección. El principio de protección es avanzado y confiable, y la operación es simple. El fusible de protección secundaria es un fusible limitador de corriente sumergido en aceite, normalmente instalado dentro del transformador de caja. Solo opera cuando ocurre una falla dentro del transformador de caja y se utiliza para proteger la línea de alta tensión. El fusible enchufable es un fusible enchufable sumergido en aceite, que se fundirá cuando ocurra una falla de cortocircuito en el lado secundario, o cuando haya sobrecarga o la temperatura del aceite sea demasiado alta. El fusible enchufable es un accesorio principal para la protección contra sobrecorrientes de los transformadores de caja sumergidos en aceite en el sistema de distribución.
Los fusibles internos se pueden clasificar en tres tipos: tipo de corriente, tipo dual-sensible y tipo dual-factor. El fusible se puede extraer para su reemplazo sin desconectar el transformador de caja. El fusible de tipo corriente, al conectarse en serie con el fusible de protección secundaria, forma una "protección doble por fusibles". El fusible de tipo corriente se usa para la protección contra sobrecargas, y el fusible de protección secundaria se usa para proteger contra fallas internas del transformador (como cortocircuitos en las bobinas, etc.). El fusible dual-sensible, al conectarse en serie con el fusible de protección secundaria, también forma una "protección doble por fusibles". El fusible dual-sensible protege contra fallas o sobrecargas en el lado de baja tensión del transformador tanto en términos de corriente como de temperatura.
El fusible de protección secundaria se usa para proteger contra fallas internas del transformador (como fallas de cortocircuito en las bobinas, etc.). La curva amperio-segundo estándar puede cooperar con precisión con los fusibles y interruptores de los niveles superiores e inferiores. El fusible de tipo dual-factor, al conectarse en serie con el fusible de protección secundaria, constituye una "protección doble por fusibles". El fusible de tipo dual-factor protege contra fallas o sobrecargas en el lado de baja tensión del transformador desde los aspectos de corriente y temperatura. El fusible de protección secundaria se usa para proteger contra fallas internas del transformador (como fallas de cortocircuito en las bobinas, etc.), y su curva amperio-segundo estándar puede cooperar con precisión con los fusibles y interruptores de los niveles superiores e inferiores.
Estructura Básica de los Fusibles
Los fusibles tienen diferentes estructuras según las funciones que desempeñan. Este artículo presenta brevemente el fusible limitador de corriente tipo NX de McGraw Edison de la compañía COOPER (Cooper) en los Estados Unidos.
La estructura del fusible limitador de corriente tipo NX de McGraw Edison se muestra en la Figura 1. Contiene un elemento fusible con una tira de fusible de plata pura. La tira de fusible de plata pura está enrollada en un soporte de mica (componente de soporte tipo araña), y este soporte puede generar gas ionizado que ayuda a abrir el circuito. El fusible y la arena de sílice se instalan en un tubo aislante de fibra de vidrio.
1 - Relleno de arena de sílice de alta pureza; 2 - Soporte de mica; 3 - Terminal de cobre macizo; 4 - Sistema de sellado doble; 5 - Etiqueta de identificación; 6 - Cubierta de fibra de vidrio; 7 - Tira de fusible de plata pura.
Figura 1. Elementos básicos constitutivos del fusible limitador de corriente tipo NX de McGraw Edison.
Como se muestra en la Figura 1, el fusible limitador de corriente tipo NX de McGraw Edison (otros modelos de fusibles tienen estructuras similares a este fusible) incluye principalmente:
Relleno de arena de sílice de alta pureza. El tamaño de partícula específico, la pureza y la densidad proporcionan características de absorción de calor y extinción de arcos, que son esenciales para que el fusible mantenga características de corte consistentes y un nivel bajo de energía pasante.
Soporte de mica. Durante la operación del fusible, el soporte de mica proporciona un soporte de bobinado estable sin generar gas ni acumulación de presión.
Terminal de cobre macizo. Se selecciona un tapón de latón para proporcionar un empalme conductor eléctrico con una longitud que varía de 0.25 a 10 pulgadas.
Sistema de sellado doble. El sello de goma nitrílica y el adhesivo de resina epoxi pueden garantizar la integridad del sello del fusible.
Etiqueta de identificación firme. Facilita a los usuarios obtener información sobre voltaje, parámetros de corriente, números de pedido, etc.
Cubierta de fibra de vidrio. Proporciona alta resistencia al fusible y la integridad del mantenimiento, permitiendo que el fusible resista un rango de protección desde la corriente mínima de fusión hasta un máximo de 50 kA durante cualquier proceso de interrupción.
Tira de fusible de plata pura. Puede mantener la estabilidad bajo condiciones de circulación de corriente y presión térmica, y proporciona características de fusión consistentes. Durante la interrupción de corrientes grandes, la tira de fusible puede controlar y reducir eficazmente el nivel pico de voltaje del arco. Durante el proceso de interrupción, este componente puede controlar y limitar eficazmente la corriente y la energía permitidas.
Características de Operación y Principio de Protección del Fusible
El proceso de funcionamiento del fusible depende del modelo del elemento fusible interno. Para todos los fusibles, la eliminación de corrientes de falla grandes es básicamente la misma. El flujo de corriente derretirá el elemento fusible a lo largo de toda su longitud, y el arco generado hará que el elemento fusible explote, vitrificando la arena de sílice y formando un canal vítreo que restringe el desarrollo del arco. Este canal vítreo limita el arco aumentando el valor de resistencia, reduciendo la corriente y forzándola a alcanzar cero con anticipación.
En el fusible local o de rango completo, la eliminación de corrientes medias o pequeñas debe prevenirse. Por ejemplo, en el fusible limitador de corriente tipo McGraw Edison, se coloca un punto "M" (es decir, un hilo de aleación de estaño) en el centro del elemento fusible principal para bajar su temperatura de fusión, como se muestra en la Figura 2(a). Una vez que el elemento fusible se derrite en el punto M, la corriente se transfiere al elemento fusible auxiliar. Un hilo fino se conecta al elemento fusible principal con un espacio de 1/4 desde un extremo del elemento principal. Un gradiente de voltaje se extiende entre el arco en el punto M y el espacio del elemento fusible auxiliar, como se muestra en la Figura 2(b). Por lo tanto, si el elemento fusible principal continúa arqueando, esta conexión de hilo inevitablemente aparecerá en tres posiciones, expandiendo la longitud del arco por tres veces y utilizando esta área para disipar la energía del circuito, como se muestra en la Figura 2(c). En la etapa inicial del arco, se reúne suficiente calor para descomponer la estructura de la araña en esa área, y el gas expulsado de la estructura de la araña puede enfriar la roca fundida y reducir la longitud del arco hasta que se pueda desconectar el punto de falla.
Figura 2 Proceso de reducción de corriente del fusible limitador de corriente tipo NX de McGraw Edison
La selección de fusibles limitadores de corriente se basa principalmente en sus parámetros de voltaje nominal. Al determinar los parámetros adecuados, es necesario tener en cuenta varios factores, incluyendo el tipo de sistema eléctrico, el voltaje máximo del sistema, las condiciones de bobinado del transformador (si el fusible se usa para la protección del transformador), el estado de aterrizaje del cable neutro y el tipo de carga.
Generalmente, un circuito monofásico puede protegerse con un fusible limitador de corriente con un parámetro nominal mayor que el voltaje de tierra monofásico. Sin embargo, para un circuito trifásico, el fusible debe tener parámetros interfasa adecuados. En casos específicos, asumiendo que el voltaje de ruptura de secuencia positiva aplicado al fusible no excede el voltaje de diseño máximo, los parámetros de tierra monofásica pueden ser aplicables al sistema trifásico. En tales circunstancias, se asume que dos fusibles limitadores de corriente en serie compartirán el voltaje aplicado en la condición de falla dada. La Tabla 1 ilustra la relación entre los parámetros de voltaje nominal recomendados y los parámetros de aplicación de los fusibles limitadores de corriente.
Para la protección de dispositivos eléctricos, los requisitos de ruptura de los fusibles limitadores de corriente deben coordinarse con los dispositivos que protegen. Además, las curvas tiempo-corriente de los fusibles también deben coordinarse con los dispositivos de protección en el sistema, especialmente cuando se involucran fusibles de respaldo y la eliminación de fallas de corriente baja depende de un fusible expulsor.
Tabla 1 Parámetros de Voltaje Nominal Recomendados de los Fusibles Limitadores de Corriente y los Parámetros de Aplicación de los Fusibles Limitadores de Corriente
Similar a los fusibles comunes, los fusibles limitadores de corriente también pueden experimentar una reducción de potencia a cierta temperatura ambiente. Los factores de derateo para diversos escenarios de aplicación se muestran en la Figura 3.
Figura 3 Factores de Derateo de Temperatura Ambiente para Aplicaciones de Fusibles Limitadores de Corriente Tipo NX
La clave para la aplicación de la protección por fusibles en transformadores de distribución es que el fusible debe cumplir con los siguientes requisitos:
Proporcionar protección contra cortocircuitos y separar primero el transformador defectuoso del sistema. El fusible no debe fundirse durante la corriente de inrush, la corriente de arranque en frío y la sobrecorriente a corto plazo. Debe coordinarse con el dispositivo de nivel superior (fundirse antes de que opere el seccionador).
Prevenir situaciones de sobrecorriente severa que puedan causar daños por sobrecalentamiento o daños mecánicos al transformador. Se debe tener en cuenta que, si es necesario, el ítem ② puede postergarse porque el propósito principal de la protección por fusibles es la protección contra sobrecargas y no la protección contra cortocircuitos.
La curva tiempo-corriente de la corriente de inrush/corriente de arranque en frío del transformador de distribución se estima en base a las siguientes situaciones: a 0.01 s, la corriente es 25 veces la corriente a plena carga; a 0.1 s, la corriente es 12 veces la corriente a plena carga; a 1 s, la corriente es 6 veces la corriente a plena carga; a 10 s, la corriente es 3 veces la corriente a plena carga; y a 100 s, la corriente es 2 veces la corriente a plena carga.
Para asegurar que el fusible utilizado para la protección del transformador de distribución no se funda durante la corriente de inrush o la corriente de arranque en frío, la curva del fusible debe estar a la derecha de la curva de la corriente de inrush/corriente de arranque en frío. Es decir, el tiempo de fusión del fusible debe ser más largo que la duración de estas corrientes.
La curva de daño del transformador se puede obtener del fabricante o de la norma ANSIC57 y se puede trazar en el mismo gráfico de curvas. Como se mencionó anteriormente, si se necesitan hacer concesiones, la curva de daño del transformador debe priorizarse sobre la curva de inrush.
La Figura 4 muestra la curva tiempo-corriente de la corriente de inrush/corriente de arranque en frío de un transformador monofásico con un nivel de voltaje de 13.8 kV y una capacidad nominal de 50 kV·A. La corriente a plena carga del transformador es 3.62 A. Se asume una curva de fusible en la figura. De hecho, hay dos curvas de fusible. La curva de fusión mínima proporciona el tiempo más corto para que el fusible se dañe, y la curva de corte máxima proporciona el tiempo más largo para que el fusible elimine la falla. El tiempo máximo de corte del fusible expulsor nunca debe ser inferior a 0.8 ciclos (es decir, 0.0133 s), por lo que esta curva se traza horizontalmente a 0.0133 s.
La Figura 4 muestra la curva tiempo-corriente de la corriente de inrush/corriente de arranque en frío del transformador de distribución. Se debe tener en cuenta que la curva del fusible debe asegurar la coordinación entre el fusible y el dispositivo de protección de nivel superior. El dispositivo de nivel superior puede ser un dispositivo de seccionamiento de línea, como un fusible o un reconector. El fusible de protección del transformador debe fundirse antes de que se dañe el fusible de nivel superior o antes de que el reconector de nivel superior se bloquee.
Algunos transformadores de distribución se consideran que tienen una función completa de autoprotección (CSP), es decir, tienen las funciones de protección contra sobrecorrientes e inrush.
Los transformadores de autoprotección generalmente tienen un fusible limitador de corriente grande y un interruptor de circuito secundario para prevenir sobrecargas en sus carcasas. Los transformadores comunes suelen protegerse con un fusible añadido al lado primario. Los transformadores de caja generalmente tienen un fusible independiente de la carcasa (diseño de panel frontal no fijo), ya sea ubicado en el aceite del transformador o en un pozo de bushing seco o cilindro (diseño de panel frontal fijo). En cualquier caso, se debe adoptar un diseño apropiado para simplificar el reemplazo del fusible en el sitio.
La razón de fusible es la relación entre la corriente mínima de fusión del fusible y la corriente a plena carga del transformador. Esta relación indica la importancia de la protección contra sobrecargas para la operación continua del dispositivo. Una alta razón de fusible permite más fallos del transformador sin fundirse durante la corriente de inrush o sobrecarga; una baja razón de fusible aumenta el número de fundiciones, y algunas de ellas pueden ser innecesarias, pero puede proteger mejor al transformador de sobrecargas. Una razón de fusible típica oscila entre 2 y 4.
En un transformador de autoprotección, la razón de fusible del fusible interno es aproximadamente 8 porque el lado secundario del transformador de autoprotección está equipado con un interruptor de circuito que no se ve afectado por sobrecargas.
Rango de Protección y Coordinación de la Protección por Fusibles
Al seleccionar un fusible para la protección de un transformador de caja, generalmente, la tasa de fusión se puede calcular dividiendo la corriente a plena carga del transformador por la corriente mínima de fusión del fusible. Usar una tasa de fusión alta puede proteger al sistema de transformadores defectuosos, pero solo proporciona una protección limitada contra sobrecargas; una tasa de fusión baja puede proporcionar la máxima protección contra sobrecargas, pero el fusible es vulnerable a las corrientes de impacto e inrush.
Además, se deben considerar factores comprehensivos, incluyendo la continuidad de la operación, los fallos del transformador causados por sobrecargas, la coordinación entre el fusible del transformador y el dispositivo de seccionamiento, y el impacto de la corriente de inrush y el arranque en frío. Si se conoce la curva característica del transformador, el fusible se puede ajustar simplemente haciendo que la curva característica de tiempo del fusible caiga en el área entre la curva de inrush del transformador y la curva de daño del transformador.
Estas curvas se formulan según estándares, pero no siempre son aplicables, por lo que se necesita seleccionar el fusible. La corriente de inrush depende en gran medida del flujo magnético residual en el núcleo de la onda de voltaje durante el cierre. Para soportar la corriente de inrush, el fusible debe poder soportar 25 veces la corriente a plena carga a 0.01 s y 12 veces la corriente a plena carga a 0.1 s. La reenergización después de un apagón primario generará un arranque en frío. Cuando se conoce la curva de inrush, la curva de fusible seleccionada debe ser más lenta que la curva de inrush. El voltaje de descarga por rayo puede saturar el núcleo del transformador y generar corriente de inrush. Generalmente, si el daño por rayo es un problema, es mejor usar un fusible de mayor tamaño.
Además, al seleccionar un fusible para la protección de un transformador de caja, también se debe considerar la coordinación entre los fusibles. Aquí se discuten los problemas de coordinación en dos situaciones:
Coordinación entre dos fusibles limitadores de corriente. Para lograr el objetivo de coordinación, la curva debe comenzar a 0.01 s. Para tiempos superiores a 0.01 s, la coordinación entre dos fusibles diferentes en el mismo conjunto se puede lograr simplemente superponiendo las TCCS y utilizando el método de coordinación del 75%; para tiempos inferiores a 0.01 s, la coordinación se puede lograr utilizando los valores de fusión mínima y corte total. Cuando dos fusibles limitadores de corriente están coordinados en serie, la corriente máxima que pasa por el fusible de protección o el fusible del lado de la carga no debe exceder la corriente mínima de fusión del fusible protegido o del lado de la fuente. Es decir, el fusible del lado de la carga limitará la corriente pasante a un nivel que no es suficiente para fundir el fusible del lado de la fuente. No se requiere la detección de coordinación por encima de 0.01 s porque los límites de coordinación tienen valores fijos. La coordinación es conservadora y forma un estándar de coordinación para cualquier corriente de falla. Si la corriente de falla está limitada, la coordinación se puede lograr cambiando la corriente en la curva.
Coordinación entre el fusible limitador de corriente de respaldo y el fusible expulsor. Este método de protección se adopta a menudo porque permite que la mayoría de las fallas (bajo corrientes pequeñas) se eliminen mediante un fusible expulsor económico. Cuando ocurre una falla en el dispositivo protegido, el fusible limitador de corriente limitará la magnitud de la corriente. Es muy importante que el fusible expulsor pueda eliminar las fallas de corriente pequeña sin dañar el fusible limitador de corriente. El fusible limitador de corriente puede pasar suficiente corriente después de que se funda el fusible expulsor y puede proporcionar una indicación clara de la falla. Las características del fusible formarán la intersección de la curva de corte máximo del fusible expulsor y la curva de fusión mínima del fusible limitador de corriente, resultando en una corriente mayor, lo que llevará a una operación sincronizada. Si se seleccionan correctamente los dos fusibles limitadores de corriente, el transformador de caja puede lograr una protección de rango completo.
Operación y Mantenimiento de la Protección por Fusibles
Al utilizar un fusible para la protección de un transformador de caja, se deben tener en cuenta las siguientes situaciones:
El fusible enchufable se opera manualmente, y los usuarios necesitan ciertas habilidades y experiencia. Antes de usar el fusible enchufable para desconectar el transformador energizado, el operador debe tener experiencia en extraer el fusible enchufable del portafusible. El manejo incorrecto puede provocar fallas de conmutación y puede requerir el reemplazo del transformador o causar un incendio.
Si el fusible enchufable se usa para cerrar una falla, puede causar lesiones personales graves. Las fallas internas pueden hacer que el transformador se agriete o que la tapa superior se desprenda. Por lo tanto, el transformador siempre debe alimentarse desde un lugar remoto para garantizar la seguridad.
(3) Si el transformador está ubicado en un edificio cerrado o sótano, o si el operador está directamente encima del transformador, no se debe usar el ensamblaje del fusible enchufable para conectar o desconectar el transformador. En tales situaciones, es inconveniente para el operador realizar la operación correctamente, y es difícil salir con seguridad en caso de manejo incorrecto.
Antes de operar el fusible enchufable, se debe juzgar cuidadosamente el estado del transformador. Verifique si hay un sonido de descarga de arco en la carcasa; verifique si la carcasa está abultada o tiene signos de fugas o desbordamientos de aceite; verifique si hay signos de fugas, desbordamientos o manchas de carbón cerca del dispositivo de liberación de presión. Si ocurren las situaciones anteriores, no se debe usar el fusible enchufable para conectar o desconectar el transformador, de lo contrario, puede provocar un incendio o causar lesiones o muertes.
Se debe liberar la presión del transformador antes de operar el fusible enchufable. La liberación incorrecta de la presión de la carcasa del transformador puede causar que el ensamblaje de inserción del fusible enchufable sea eyectado violentamente junto con el aceite caliente. Esto puede causar lesiones por impacto, quemaduras y contaminación ambiental.
Usar un fusible enchufable con un valor de amperios excesivamente alto puede llevar a una falta de coordinación con el fusible limitador de corriente de respaldo en el transformador u otras partes del sistema. En este caso, cuando ocurre una falla dentro del transformador, puede causar un corte de energía mayor o provocar la ignición o explosión del transformador. Instalar un fusible enchufable con un valor de amperios menor que el recomendado causará fundiciones innecesarias e interrupciones en la operación.
El daño en el tubo del fusible afectará la instalación correcta del fusible. Verifique cuidadosamente el tubo del fusible para asegurarse de que no haya corrosión mayor que la picadura en ninguna parte del latón, y que el ennegrecimiento o ablación de los componentes aislantes no sea mayor que 1/2 in (13 mm). Si el daño excede este grado, se debe reemplazar el tubo del fusible dañado con uno nuevo. Si ocurre una gran cantidad de fusión de latón, o la ablación se extiende más allá de la mitad de la longitud del tubo del fusible, también se debe reemplazar el portafusible enchufable. Si el componente está dañado, puede impedir la desconexión de fallas posteriores y causar un daño mayor.
Conclusión
El nivel técnico de la protección por fusibles es relativamente avanzado, y tiene un excelente rendimiento-precio, con amplias perspectivas de desarrollo tanto en los mercados domésticos como extranjeros. Actualmente, una gran cantidad de transformadores de caja estilo americano en China utilizan fusibles para la protección. En comparación con otros métodos de protección, la protección por fusibles no solo tiene una alta confiabilidad, sino que también tiene un precio relativamente bajo, lo que es particularmente adecuado para la situación actual en China. Por lo tanto, la protección por fusibles tiene buenas perspectivas de aplicación en China.
