Barreras físicas y coordinación dieléctrica dentro del fusible
En la frontera entre los aparatos eléctricos de baja tensión y los sistemas de protección de alta tensión, las características físicas del arco eléctrico son siempre una consideración clave de diseño. Un fusible de caída puede provocar que el arco eléctrico se alargue y enfríe, un proceso que consiste esencialmente en una reconstrucción geométrica e intervención termodinámica del canal de plasma. Cuando el metal fundido se vaporiza bajo la corriente de falla, se forma rápidamente un arco inicial, cuya conductividad aumenta exponencialmente con la temperatura. En este punto, la función principal del sistema de extinción de arco no es combatir la energía, sino modificar su forma y entorno.
Reconstrucción a Escala Física: Elongación y Segmentación
La longitud del arco determina directamente la tensión necesaria para mantener su combustión. En diseños con limitación de corriente, la columna de arco se estira mecánicamente aumentando rápidamente la distancia entre contactos o utilizando fuerza electromagnética para impulsar el arco.
En las estructuras de contacto tipo puente, el campo magnético generado por la corriente que fluye a través del circuito de contacto actúa sobre el arco, y la fuerza electromagnética lo impulsa a desplazarse rápidamente hacia afuera.
La trayectoria del arco se alarga forzosamente y, en consecuencia, la intensidad del campo eléctrico por unidad de longitud disminuye.
Algunos fusibles utilizan rejillas metálicas para segmentar aún más el arco alargado en múltiples segmentos cortos.
Cada segmento corto de arco requiere una caída de tensión catódica para mantenerse. Este efecto de acumulación de tensión en serie aumenta drásticamente la demanda total de tensión del arco hasta superar la capacidad de mantenimiento de la fuente de alimentación.
Mejora del contacto dieléctrico: Enfriamiento y transposición
La simple prolongación del arco sin enfriamiento puede hacer que permanezca ionizado dentro del canal largo. Aquí es donde entra en juego la arena de cuarzo o el material generador de gas que llena el fusible.
Las estructuras rellenas de arena de cuarzo aprovechan la gran superficie específica de las partículas finas; cuando el arco arde en su interior, el calor es absorbido rápidamente por el relleno.
El vapor metálico se difunde en los espacios entre las partículas de arena, lo que provoca una caída brusca de la temperatura del plasma del arco y suprime la ionización térmica.
En los fusibles de caída o generadores de gas, el material generador de gas en la pared interna del tubo portafusible se descompone a altas temperaturas, liberando grandes cantidades de hidrógeno y otros gases.
Un flujo de gas a alta presión se inyecta axialmente a lo largo del tubo, lo que no solo disipa el calor, sino que también reemplaza directamente el medio ionizante en el espacio de arco.
La elongación supone una desventaja para la tensión del arco, mientras que el enfriamiento priva al arco de la energía necesaria para mantener la ionización. Ambas fuerzas se combinan dentro del espacio confinado del fusible, lo que dificulta que el arco se reactive cuando la corriente cruza el cero.
