Fusíveis HH de Média Tensão (MT): interrompendo correntes e temperaturas

fev, 2017

Por Alexis Rafallov, Camila Zimmer e Jovelino Simão Filho *

 

Os fusíveis de média tensão, fabricados conforme a norma IEC 60282-1 e DIN 43625, têm sido utilizados no sistema elétrico de distribuição por muitos anos e são denominados como HH, conforme Figura 1.

Figura 1 – Característica construtiva do fusível HH de média tensão.

Um importante passo foi o avanço do pino percussor (striker pin) que possui dupla função, isto é, atuação por sobrecorrente (curto-circuito) e por aumento da temperatura (sobrecarga). Além dos fusíveis atuarem devido a uma corrente de falta, agora os fusíveis podem atuar também devido ao sobreaquecimento no ambiente onde está instalado.

A função do pino percussor

A primeira função do pino percussor é a indicação de que o fusível atuou após a ocorrência de um curto-circuito. O surgimento do pino percussor em um dos lados do fusível permite a visualização da operação a olho nu.

O pino de disparo geralmente possui a cor vermelha, uma mola helicoidal que fornecerá a força de ruptura (abertura), um fio de retenção que prende a mola e um fio de alimentação que fará o sistema de abertura.

A Figura 2 mostra a estrutura interna de montagem do pino percussor, enquanto a Figura 3 apresenta o esquema completo mostrando o pino percussor conectado em paralelo com o elemento fusível. Se houver uma condição de sobrecorrente com tempo de fusão acima do limite da corrente, o elemento fusível derrete e o pino percussor imediatamente atuará. No caso do tempo de fusão muito curto, isto é, com aumento do tempo da corrente de falta (curto-circuito), o pino percussor atuará praticamente no mesmo momento em que os elementos fusíveis são interrompidos.

Para os fusíveis de média tensão, o valor da energia para o rompimento é aproximadamente de 1 joule e os valores típicos para a força de atuação do pino percussor são 50 N, 80 N ou 120 N, entretanto, o mais utilizado é o de 80 N. O pino percussor do fusível possui diâmetro de 10 mm e comprimento de 35 mm. A duração do movimento de atuação é definido como um intervalo entre o final do tempo de fusão e o momento em que o pino percussor sobe com uma distância de atuação de 20 mm. Este tempo é da ordem de milissegundos.

Figura 2 – Pino percussor.

Figura 3 – Esquema de conexão entre o pino percussor (Striker Pin) e o elemento fusível.

 

Temperatura limite do pino percussor

 Se pelos fusíveis passar uma corrente de carga inadmissível, porém menor que a corrente mínima de ruptura, eles podem sobreaquecer. Esse sobreaquecimento, é resultado da temperatura de fusão da prata de 960 ºC, que é o material do elemento fusível.

O termo definido por “zona proibida” ou “zona crítica” é o intervalo entre a corrente nominal do fusível (IN) e a corrente mínima de ruptura (I3) sendo uma região na qual a atuação do fusível não é garantida, isto é, o fusível pode atuar ou não. Estes intervalos podem ser visualizados na Figura 4.

As imediações do fusível também devem ser capazes de suportar estas altas temperaturas e isso é notado quando se observa o comportamento térmico do encapsulamento (câmara do fusível) em uma chave seccionadora isolada a gás SF6, que limita a dissipação de calor. Nesta “faixa crítica”, os materiais de plástico do encapsulamento podem atingir temperaturas superiores a 150 ºC e isto pode ser evitado com a utilização do pino percussor limitador de temperatura. Quando o dispositivo de atuação térmica é previsto no fusível e este atingir uma temperatura predefinida, o pino percussor é liberado, consequentemente ocorre a abertura trifásica da chave seccionadora e o desligamento do sistema.

Na Figura 4 estão ilustrados os intervalos de tempo mais importantes, sendo a fase operacional do fusível representado pelo intervalo entre “0” e a corrente nominal do fusível “IN”. Para valores acima da corrente nominal, o pino percussor realiza a função de controle térmico e o desligamento é efetuado através da combinação entre chave seccionadora e fusível. Nesta condição, o valor da corrente pode ser superior à corrente mínima de ruptura (I3), conforme pode ser visualizado na Figura 4. Em caso de curto-circuito franco, devido aos altos valores de corrente, o pino percussor é ativado e o fusível atua, com corrente maior que IMIN.

Figura 4 – Operação/abertura do fusível de média tensão HH.

Dependendo das características do invólucro onde o fusível é instalado, o limitador térmico pode atuar antes, prevenindo danos à instalação. Ensaios práticos com o objetivo de fornecer recomendações para a proteção de um transformador de 1000 kVA – 20 kV revela as diferenças. O fusível recomendado para proteção deste transformador, de acordo com a norma VDE 0670-402, tem corrente nominal IN de 63 A e a corrente mínima de ruptura deste fusível é 210 A. Este fusível sofre um aquecimento para corrente abaixo da corrente mínima de ruptura (I3), no exemplo prático, o valor máximo da temperatura já é alcançado com duas vezes o valor da corrente nominal, aproximadamente 120 A. Na Figura 5, os valores de temperatura do invólucro do fusível são mostrados com e sem a função de limitação térmica.

Ao utilizar o fusível com pino percussor com limitador de temperatura, os componentes como chave seccionadora e fusível permanecem relativamente frios. A temperatura de 100 ºC não apresenta riscos para o invólucro do fusível, mesmo em casos frequentes de sobrecarga.

Figura 5 – Temperaturas do fusível e do invólucro (a) SEM e (b) COM limitador térmico.

Desempenho da curva característica tempo x corrente

Apesar de refletir no desempenho elétrico do fusível, a existência ou não do pino percussor com limitador de temperatura não altera a característica da curva do fusível tempo X corrente. Tanto para valores de corrente de falta quanto para o tempo, a representação da curva com o pino percussor somente pode ser ilustrado de maneira qualitativa no que diz respeito ao seu intervalo de atuação, conforme Figura 6.

A Figura 6 apresenta a curva característica tempo X corrente para o fusível HH com corrente nominal de 63 A com pino percussor limitador de temperatura em relação as correntes de operação de um transformador de 1000 kVA / 20 kV.

Figura 6 – Curva característica tempo x corrente para fusível HH 63A

Uma vez que a função de limitar a temperatura só pode ser ativada por um aquecimento no fusível, o tamanho do triângulo (a-d-e) mencionado na Figura 6 vai depender também da corrente nominal do fusível. Por este motivo, o intervalo de operação do pino percussor é considerado menor no caso de um fusível de corrente nominal de 10 A do que no caso de um fusível com uma corrente nominal de 100 A. O que é decisivo, entretanto, é que quando qualquer temperatura inadmissível é “percebida” pelo fusível, resultará na atuação do pino percussor.

O intervalo de sobrecarga, definido pela área a-d-e da Figura 6, garante que os pinos percussores dos fusíveis não se comportem de maneira instável. Isto pode ser ilustrado conforme mostra o exemplo a seguir, considerando o transformador:

  • Potência nominal e tensão do transformador 1000 kVA / 20 kV
  • Corrente nominal do transformador (IN Transformer) 29 A
  • Sobrecarga assumida (1,5 x IN Transformer) 43 A
  • Corrente nominal recomendado do fusível (IN HV FUSE) 63 A

Considerando os valores da corrente nominal do fusível (63 A) e de sobrecarga do transformador (43 A), pode-se dizer que esta diferença representa um longo caminho de sobrecarga admitida para este transformador.

Os fusíveis de média tensão limitando correntes e também temperaturas

Os fusíveis são fabricados com pino percussor com limitação de temperatura desde 2008. No início os fusíveis tinham um status “especial”, entretanto, o novo dispositivo de disparo térmico foi incorporado em todos os fusíveis com striker pin com força de atuação de 80 N. Muitas concessionárias incluíram o pino percussor em suas especificações técnicas.

Além disso, os fusíveis de média tensão com a função de limitação térmica são capazes de prevenir distúrbios no sistema de distribuição, os quais podem ser atribuídos por:

  • Correntes de falta causadas por falhas nos enrolamentos do transformador;
  • Fusível selecionado para uma baixa corrente nominal;
  • Fusíveis operando em valores abaixo da corrente mínima de ruptura;
  • Fusível com contato defeituoso.

Este artigo foi publicado originalmente pelo autor Heinz Ulrich Haas, da SIBA GmbH & Co. KG, Lünen: HV Fuses “Interrupting Currents and Temperatures”, em 19 de setembro de 2008. Sob licença do autor, o artigo foi traduzido e adequado pelos engenheiros Alexis Rafailov, Camila Zimmer e Jovelino Simão Filho, da Elos Eletrotécnica Ltda.

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