Esquema de Protección de Circuito FC para Sistema de Energía Auxiliar de 3~12kV: Diseño Selección y Casos de Aplicación

I. Resumen de la Solución​
Esta solución tiene como objetivo proporcionar un sistema completo basado en la combinación de un contactor de vacío de alta tensión (Contactor) y un fusible limitador de corriente de alta tensión (Fuse), colectivamente conocido como circuito FC. Diseñado para sistemas de media tensión que van desde 3 hasta 12 kV, es especialmente adecuado para aplicaciones que requieren operación frecuente, alta confiabilidad y rentabilidad. En el circuito FC, el contactor de vacío maneja la conexión y desconexión de corrientes normales y de sobrecarga, así como operaciones frecuentes, mientras que el fusible de alta tensión proporciona una protección robusta contra cortocircuitos. Juntos, forman una unidad de protección y control totalmente funcional y de alto rendimiento.

​II. Características de los Componentes Principales​
La ventaja principal del circuito FC radica en el excepcional rendimiento y la coordinación precisa de sus dos componentes clave.

​​(I) Contactor de Vacío de Alta Tensión (Componente de Operación e Interrupción de Sobrecarga)​​
Como el núcleo operativo del circuito, el contactor de vacío presenta las siguientes características:

1. ​Estructura Avanzada y Principio de Interrupción:​​
• Cuenta con una cámara de interrupción de vacío (nivel de vacío hasta 1,33×10⁻⁴ Pa) con sus contactos principales sellados dentro de un envoltorio cerámico. Durante la apertura, los contactos móvil y fijo se separan rápidamente, aprovechando la rápida condensación del vapor metálico en el cruce por cero de la corriente para extinguir eficientemente el arco y restaurar la resistencia aislante.
• Equipado con un mecanismo de desenganche enlazado que asegura el desenganche al fundirse una fase del fusible, evitando la operación con pérdida de fase, e incluye una función de prevención de cierre incorrecto cuando no se instalan fusibles.
• Corriente de corte extremadamente baja (≤0,5A), lo que suprime eficazmente las sobretensiones de conmutación y protege la aislación de cargas inductivas como motores.
2. ​Mecanismo de Operación de Alta Confiabilidad:​​
• Utiliza un mecanismo de operación electromagnético capaz de realizar frecuencias de conmutación de hasta 2.000 operaciones por hora, cumpliendo con los requisitos más exigentes de operación frecuente.
• Métodos de retención flexibles: Retención eléctrica (mantenida por una bobina de retención después del cierre, con bajo consumo de energía) y retención mecánica (por ejemplo, serie LHJCZR, bloqueada mecánicamente después del cierre, sin necesidad de suministro de energía continuo) están disponibles para adaptarse a diferentes necesidades de control.
• Fuerte compatibilidad con fuentes de alimentación de control, soportando DC/AC 110V/220V.
3. ​Parámetros Nominales Excelentes y Vida Útil:​​
• Parámetros eléctricos clave:

• Vida útil extendida: Vida eléctrica de hasta 300.000 operaciones y vida mecánica de hasta 1.000.000 de operaciones, reduciendo significativamente los esfuerzos de mantenimiento y los costos del ciclo de vida.
• Chambers de interrupción de vacío dedicadas: Como el tipo TJC 12/630, que presenta baja pérdida, baja sobretensión, alta resistencia al desgaste y una resistencia de contacto de ≤60 μΩ.

​​(II) Fusible Limitador de Corriente de Alta Tensión (Componente de Protección contra Cortocircuitos)​​
Como el núcleo de la protección contra cortocircuitos en el circuito, su selección y aplicación son cruciales.

1. ​Principio Funcional:​​ Cuando la corriente supera un valor especificado durante un cierto tiempo, el elemento del fusible se derrite instantáneamente e interrumpe la corriente de fallo. Su característica clave es que cuanta mayor sea la corriente de interrupción, menor será el tiempo de operación, proporcionando una fuerte capacidad de limitación de corriente.
2. ​Principios de Selección:​​
• Tensión nominal: Debe ser no inferior a la tensión nominal del sistema; puede ser ligeramente superior pero nunca inferior.
• Corriente nominal: Debe considerar integralmente la corriente de operación normal del circuito, la corriente de sobrecarga y las características de arranque del equipo (por ejemplo, corriente de arranque del motor y tiempo). Como protección de respaldo, solo opera cuando la corriente de fallo supera la capacidad de interrupción del contactor o si el contactor no opera.
3. ​Coordinación de Protección con Diferentes Equipos:​​
• Motores de alta tensión (≤1200 kW): El fusible debe soportar la corriente de arranque del motor, mientras que la protección de sobrecarga se maneja mediante un relé de protección integral. Asegúrese de que la curva de tiempo-corriente del fusible se cruce correctamente con la curva del relé para lograr la división de la protección.
• Ejemplo: Para un motor de 250 kW con un tiempo de arranque de 6s y una corriente de arranque de 220A, un elemento de fusible de 100A es adecuado (para 2-3 arranques por hora).
• Transformadores (≤1600 kVA): El fusible debe soportar las corrientes de inrush durante la energización y las corrientes de sobrecarga sostenidas. La selección se realiza directamente en función de la capacidad nominal y el nivel de tensión del transformador.
• Ejemplo: Para un transformador de 10 kV/800 kVA, un fusible de 80A es adecuado.
• Bancos de capacitores (≤1200 kvar): Deben soportar las corrientes de inrush de conmutación, y su energía let-through debe ser menor que la capacidad de soporte del capacitor. La corriente nominal suele ser 1,5-2 veces la corriente nominal del capacitor. Para aplicaciones con inrush excesivo o conmutación frecuente, se recomienda el uso de reactancias en serie.

​III. Ámbito de Aplicación y Casos Típicos​

​​(I) Ámbito de Aplicación​

• ​Escenarios Adecuados:​​
• Circuitos de protección y control para transformadores de hasta 1600 kVA en plantas industriales.
• Circuitos de arranque frecuente y protección para motores de alta tensión de hasta 1200 kW.
• Circuitos de conmutación para bancos de capacitores de hasta 1200 kvar.
• ​Escenarios No Adecuados:​​ Para cargas que superen las capacidades anteriores, se deben utilizar paneles de interruptores de vacío.

​​(II) Casos Exitosos​
La solución de circuito FC se ha aplicado ampliamente en numerosos proyectos de centrales eléctricas, demostrando una alta confiabilidad:

1. ​Central Térmica:​​ Utilizó 8 paneles de interruptores de vacío + 36 paneles FC. Entre ellos, los contactores LHJCZR con fusibles WFNHO protegen los motores, mientras que los fusibles XRNT protegen los transformadores.
2. ​Central Eléctrica:​​ Utilizó 10 paneles de interruptores de vacío + 36 paneles FC (21 para protección de motores, 12 para protección de transformadores y 3 para protección de capacitores).

​IV. Ventajas de la Solución y Conclusión​
Esta solución de circuito FC integra las ventajas duales de los contactores de vacío y los fusibles limitadores de corriente, ofreciendo los siguientes beneficios principales:

1. ​Rentabilidad:​​ Costos de inversión significativamente menores en comparación con los paneles de interruptores de vacío, ofreciendo una alta relación calidad-precio.
2. ​Rendimiento Especializado:​​ Los contactores destacan en operaciones frecuentes e interrupción de sobrecargas, mientras que los fusibles destacan en la interrupción rápida de corrientes de cortocircuito elevadas, asegurando una clara división de tareas y una protección superior.
3. ​Seguridad y Confiabilidad:​​ Tiempo de interrupción de cortocircuito extremadamente corto (a nivel de milisegundos), excelentes características de limitación de corriente y protección efectiva del equipo del sistema. El mecanismo de desenganche enlazado previene la operación con pérdida de fase.
4. ​Sin Mantenimiento y Larga Vida Útil:​​ Las cámaras de interrupción de vacío son libres de mantenimiento, con vidas eléctricas y mecánicas de hasta un millón de operaciones, reduciendo significativamente los costos del ciclo de vida.
5. ​Diseño Compacto y Flexible:​​ Estructura compacta que ahorra espacio de instalación. Alta versatilidad que permite la intercambiabilidad entre productos similares, facilitando el mantenimiento y la gestión de repuestos.

​Conclusión:​​ El circuito FC es una opción ideal para la protección de transformadores, motores y capacitores de pequeña a mediana capacidad en sistemas de potencia industrial, como centrales eléctricas, petroquímicas y metalurgia. Esta solución es tecnológicamente madura, ampliamente validada y ofrece ventajas sobresalientes, convirtiéndola en la mejor práctica para equilibrar rendimiento, costo y confiabilidad. Para aplicaciones que superen su rango de capacidad, se recomiendan soluciones de interruptores de vacío.