Fusible (eléctrico)

Corriente máxima que el fusible puede conducir de forma continua sin interrumpir el circuito.

La velocidad a la que se funde un fusible depende de la cantidad de corriente que lo atraviesa y del material del que está hecho. Los fabricantes suelen proporcionar un gráfico de corriente frente a tiempo, generalmente en escala logarítmica, para caracterizar el dispositivo y permitir la comparación con las características de los dispositivos de protección instalados antes y después del fusible.

El tiempo de operación no es un intervalo fijo, sino que disminuye a medida que aumenta la corriente. Los fusibles están diseñados para tener características específicas de tiempo de operación en relación con la corriente. Un fusible estándar puede requerir el doble de su corriente nominal para fundirse en un segundo, un fusible de acción rápida puede requerir el doble de su corriente nominal para fundirse en 0,1 segundos, y un fusible de acción lenta puede requerir el doble de su corriente nominal durante decenas de segundos para fundirse.

La selección del fusible depende de las características de la carga. Los dispositivos semiconductores pueden usar un fusible rápido o ultrarrápido , ya que se calientan rápidamente cuando circula una corriente excesiva. Los fusibles de acción rápida están diseñados para los equipos eléctricos más sensibles, donde incluso una breve exposición a una sobrecarga podría ser dañina. Los fusibles de acción rápida normales son los más comunes. Un fusible de retardo (también conocido como fusible antisobretensión o de acción lenta ) está diseñado para permitir que una corriente superior a su valor nominal circule durante un breve período sin que el fusible se funda. Este tipo de fusible se utiliza en equipos como motores, que pueden consumir corrientes superiores a las normales durante varios segundos al alcanzar su velocidad máxima.

La clasificación I²t ^se relaciona con la cantidad de energía que deja pasar el elemento fusible al eliminar la falla eléctrica. Este término se usa normalmente en condiciones de cortocircuito y los valores se utilizan para realizar estudios de coordinación en redes eléctricas. Los parámetros I²t ^se proporcionan en tablas en las hojas de datos del fabricante para cada familia de fusibles. Para la coordinación del funcionamiento del fusible con dispositivos aguas arriba o aguas abajo, se especifican tanto la I²t de fusión como la I²t de eliminación. La I²t de fusión ^es proporcional ^{a la} cantidad de energía necesaria para comenzar a fundir el elemento fusible. La I²t de eliminación ^es proporcional a la energía total que deja pasar el fusible al eliminar una falla. La energía depende principalmente de la corriente y el tiempo para los fusibles, así como del nivel de falla disponible y la tensión del sistema. Dado que la clasificación I²t ^del fusible es proporcional a la energía que deja pasar, es una medida del daño térmico producido por el calor y las fuerzas magnéticas que se generarán en el extremo de la falla.

La capacidad de interrupción es la corriente máxima que el fusible puede interrumpir de forma segura. Esta debe ser superior a la corriente de cortocircuito prevista . Los fusibles miniatura pueden tener una capacidad de interrupción de tan solo 10 veces su corriente nominal. En Norteamérica, los fusibles para sistemas de cableado pequeños, de baja tensión y generalmente residenciales, suelen tener una capacidad de interrupción de 10 000 amperios. Los fusibles para sistemas de alimentación comerciales o industriales deben tener capacidades de interrupción más elevadas; algunos fusibles de alta capacidad de interrupción para baja tensión y limitación de corriente tienen una capacidad de 300 000 amperios. Los fusibles para equipos de alta tensión, de hasta 115 000 voltios, se clasifican según la potencia aparente total (megavoltio-amperios, MVA ) del nivel de falla en el circuito.

Algunos fusibles se designan como de alta capacidad de ruptura (HRC) o de alta capacidad de rotura (HBC) ^{[ 6 ]} y generalmente se rellenan con arena o un material similar. ^{[ 7 ]}

Los fusibles de baja tensión y alta capacidad de ruptura (HRC) se utilizan en los cuadros de distribución principales de redes de baja tensión donde existe una alta corriente de cortocircuito potencial. Generalmente son más grandes que los fusibles de rosca y tienen contactos de casquillo o de lámina. Los fusibles de alta capacidad de ruptura pueden tener una capacidad nominal de interrupción de corriente de hasta 120 kA.

Los fusibles HRC se utilizan ampliamente en instalaciones industriales y también en la red eléctrica pública, por ejemplo, en estaciones transformadoras, cuadros de distribución principales o en cajas de conexiones de edificios y como fusibles de contadores.

En algunos países, debido a la alta corriente de cortocircuito que se produce donde se utilizan estos fusibles, las normativas locales pueden permitir que solo personal capacitado los cambie. Algunas variedades de fusibles HRC incluyen características especiales de manipulación.

La tensión nominal del fusible debe ser igual o superior a la tensión en circuito abierto. Por ejemplo, un fusible de tubo de vidrio de 32 voltios no interrumpiría de forma fiable la corriente de una fuente de 120 o 230  V. Si un  fusible de 32 V intenta interrumpir una fuente de 120 o 230 V, podría producirse un arco eléctrico . El plasma dentro del tubo de vidrio podría seguir conduciendo corriente hasta que esta disminuya lo suficiente como para que el plasma se convierta en un gas no conductor. La tensión nominal debe ser superior a la tensión máxima de la fuente que el fusible tendría que desconectar. Conectar fusibles en serie no aumenta la tensión nominal del conjunto ni la de ningún fusible individual.

Los fusibles de media tensión, con una capacidad nominal de unos pocos miles de voltios, nunca se utilizan en circuitos de baja tensión, debido a su coste y a que no pueden interrumpir adecuadamente el circuito cuando operan a tensiones muy bajas. ^{[ 8 ]}

Los fusibles de cartucho de vidrio y los fusibles de enchufe permiten la inspección directa del elemento fusible. Otros fusibles tienen otros métodos de indicación, entre ellos:

• Pasador indicador o pasador de percusión  : sobresale de la tapa del fusible cuando el elemento se funde.
• Disco indicador  : un disco de color (montado a ras en el extremo de la tapa del fusible) se cae cuando el elemento se funde.
• Ventana del elemento  : una pequeña ventana integrada en el cuerpo del fusible para proporcionar una indicación visual de un elemento fundido.
• Indicador de disparo externo  : función similar a la del pasador de percusión, pero se puede conectar externamente (mediante clips) a un fusible compatible.

Algunos fusibles permiten fijar un microinterruptor o relé específico al cuerpo del fusible. Cuando el elemento fusible se funde, el pin indicador se extiende para activar el microinterruptor o relé, lo que, a su vez, desencadena un evento.

Algunos fusibles para aplicaciones de media tensión utilizan dos o tres cuerpos separados y dos o tres elementos fusibles en paralelo.

La Comisión Electrotécnica Internacional ( IEC) publica la norma 60269 para fusibles de baja tensión . Esta norma consta de cuatro volúmenes que describen los requisitos generales, los fusibles para aplicaciones industriales y comerciales, los fusibles para aplicaciones residenciales y los fusibles para la protección de dispositivos semiconductores. La norma IEC unifica varias normas nacionales, mejorando así la intercambiabilidad de los fusibles en el comercio internacional. Todos los fusibles de diferentes tecnologías que se someten a pruebas conforme a las normas IEC presentan características de corriente-tiempo similares, lo que simplifica el diseño y el mantenimiento.

En Estados Unidos y Canadá, los fusibles de baja tensión de hasta 1  kV CA se fabrican de acuerdo con la norma UL 248 de Underwriters Laboratories o la norma armonizada C22.2 n.° 248 de la Asociación Canadiense de Normas (CSA) . Esta norma se aplica a fusibles de 1  kV o menos, tanto de corriente alterna como continua, con una capacidad de ruptura de hasta 200  kA. Estos fusibles están diseñados para instalaciones que cumplen con el Código Eléctrico Canadiense, Parte I (CEC), o el Código Eléctrico Nacional , NFPA 70 (NEC).

Las clasificaciones de amperaje estándar para fusibles (y disyuntores ) en EE. UU./Canadá se consideran 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 125, 150, 175, 200, 225, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 1000, 1200, 1600, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000 y 6000 amperios. Las clasificaciones de amperaje estándar adicionales para fusibles son 1, 3, 6, 10 y 601.

La norma UL 248 consta actualmente de 19 partes. La UL 248-1 establece los requisitos generales para fusibles, mientras que las demás partes se centran en tamaños específicos (por ejemplo, 248-8 para la Clase J, 248-10 para la Clase L) o en categorías de fusibles con propiedades únicas (por ejemplo, 248-13 para fusibles semiconductores, 248-19 para fusibles fotovoltaicos). Los requisitos generales (248-1) se aplican salvo las modificaciones indicadas en la parte suplementaria (240-x). Por ejemplo, la UL 248-19 permite que los fusibles fotovoltaicos tengan una tensión nominal de hasta 1500 voltios CC, frente a los 1000 voltios establecidos en los requisitos generales.

La nomenclatura de IEC y UL varía ligeramente. Las normas IEC definen un fusible como el conjunto formado por un enlace fusible y un portafusibles . En las normas norteamericanas, el fusible es la parte reemplazable del conjunto, y el enlace fusible es un elemento metálico desnudo que se instala en un fusible.

Los fusibles de alta potencia utilizan elementos fusibles de plata , cobre o estaño para garantizar un funcionamiento estable y predecible. Los fusibles de expulsión de alto voltaje rodean el elemento fusible con sustancias que generan gases, como el ácido bórico . Al fundirse el fusible, el calor del arco provoca que el ácido bórico genere grandes volúmenes de gases. La alta presión (a menudo superior a 100 atmósferas) y los gases refrigerantes extinguen rápidamente el arco resultante. Los gases calientes se expulsan explosivamente por los extremos del fusible. Este tipo de fusibles solo pueden utilizarse en exteriores.

Este tipo de fusibles pueden tener un pasador de impacto para accionar un mecanismo de conmutación, de modo que las tres fases se interrumpan si alguno de los fusibles se funde.

Un fusible de alta potencia significa que puede interrumpir corrientes de varios kiloamperios. Algunos fabricantes han probado sus fusibles para corrientes de cortocircuito de hasta 63  kA .

En el Reino Unido, los cuadros eléctricos antiguos (también llamados cajas de fusibles) están equipados con fusibles semicerrados (reconectables) ( BS 3036 ) o fusibles de cartucho ( BS 1361 ). (El cable fusible se suele suministrar a los consumidores en tramos cortos de 5  A, 15  A y 30  A enrollados en un trozo de cartón). Los cuadros eléctricos modernos suelen contener disyuntores miniatura (MCB) en lugar de fusibles, aunque a veces todavía se utilizan fusibles de cartucho, ya que en algunas aplicaciones los MCB son propensos a dispararse innecesariamente.

Los fusibles renovables (reemplazables o de cartucho) permiten su sustitución por parte del usuario, pero esto puede ser peligroso, ya que es fácil colocar un elemento fusible de mayor amperaje o doble (enlace o cable) en el portafusibles ( sobrefusificación ), o simplemente sustituirlo por un cable de cobre o incluso un objeto conductor totalmente diferente (monedas, horquillas, clips, clavos, etc.) al portador existente. Una forma de manipulación indebida de la caja de fusibles consistía en introducir una moneda en el zócalo, lo que anulaba la protección contra sobrecorriente y generaba una situación peligrosa. Dicha manipulación no será visible sin una inspección completa del fusible. Por este motivo, nunca se utilizó hilo fusible en Norteamérica, aunque se siguen fabricando fusibles renovables para cuadros de distribución.

• Cajas de fusibles y fusibles recableables en el Reino Unido
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  Caja de fusibles recableable MEM con cuatro portafusibles recableables (dos de 30  A y dos de 15  A) instalada alrededor de 1957 (tapa retirada).
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  Portafusibles recableables MEM (30  A y 15  A)
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  Caja de fusibles estándar Wylex con ocho portafusibles recableables
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  Cable fusible tal como se vende a los consumidores del Reino Unido.

El cuadro de distribución estándar Wylex fue muy popular en el Reino Unido hasta que la normativa de cableado empezó a exigir dispositivos de corriente residual (DCR) para las tomas de corriente que pudieran alimentar equipos fuera de la zona equipotencial. El diseño no permite la instalación de DCR ni RCBO . Algunos modelos estándar Wylex se fabricaron con un DCR en lugar del interruptor principal, pero (para cuadros de distribución que alimentan toda la instalación) esto ya no cumple con la normativa de cableado, ya que los sistemas de alarma no deben estar protegidos por DCR. Existen dos tipos de bases para fusibles que se pueden atornillar a estos cuadros: una diseñada para portafusibles recableables y otra para portafusibles de cartucho. A lo largo de los años, se han fabricado disyuntores magnetotérmicos (DCM) para ambos tipos de bases. En ambos casos, los portafusibles de mayor capacidad tenían pines más anchos, por lo que no se podía cambiar un portafusibles por uno de mayor capacidad sin cambiar también la base. Actualmente, también hay portafusibles de cartucho disponibles para cajas de carril DIN. ^{[ 12 ]}

En Norteamérica, los fusibles se utilizaban en edificios cableados antes de 1960. Estos fusibles de base Edison se enroscaban en un portalámparas similar al de las lámparas incandescentes de base Edison. Las corrientes nominales eran de 5, 10, 15, 20, 25 y 30 amperios. Para evitar la instalación de fusibles con una corriente nominal excesiva, las cajas de fusibles posteriores incluían características de rechazo en el portalámparas, comúnmente conocidas como fusibles de base de rechazo (fusibles tipo S), que tienen diámetros más pequeños que varían según la corriente nominal del fusible. Esto significa que los fusibles solo pueden reemplazarse por fusibles de la corriente nominal preestablecida (tipo S). Esta es una norma trinacional norteamericana (UL 4248-11; CAN/CSA-C22.2 NO. 4248.11-07 (R2012); y NMX-J-009/4248/11-ANCE). Los cuadros de fusibles Edison existentes se pueden convertir fácilmente para que solo acepten fusibles de base de rechazo (tipo S), atornillando un adaptador a prueba de manipulaciones. Este adaptador se atornilla al portafusibles Edison existente y tiene un orificio roscado de menor diámetro para aceptar el fusible tipo S designado. ^{[ 13 ]}

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  Fusibles de base Edison (izquierda) y fusibles tipo S (derecha).
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  Una caja de fusibles antigua del tipo utilizado en Norteamérica.

Algunas empresas fabrican disyuntores térmicos miniatura rearmables , que se enroscan en un zócalo para fusibles. ^{[ 14 ] [ 15 ]} Algunas instalaciones utilizan estos disyuntores de base Edison. Sin embargo, cualquier disyuntor de este tipo que se venda hoy en día tiene un defecto. Puede instalarse en una caja de disyuntores con puerta. En ese caso, si la puerta está cerrada, puede mantener presionado el botón de rearme del disyuntor. En este estado, el disyuntor es prácticamente inútil: no proporciona ninguna protección contra sobrecorriente. ^{[ 16 ]}

En la década de 1950, los fusibles utilizados en las nuevas construcciones residenciales o industriales para la protección de los circuitos derivados fueron sustituidos por disyuntores de baja tensión.

Los fusibles se utilizan ampliamente para la protección de los circuitos de los motores eléctricos; en caso de pequeñas sobrecargas, el circuito de protección del motor abrirá automáticamente el contactor de control, y el fusible solo actuará en caso de cortocircuitos o sobrecargas extremas.

Los denominados fusibles autorreactivables utilizan un elemento conductor termoplástico conocido como termistor de coeficiente de temperatura positivo polimérico (PPTC), que interrumpe el circuito durante una sobrecorriente (aumentando la resistencia del dispositivo). El termistor PPTC es autorreactivable, ya que al interrumpirse la corriente, el dispositivo se enfría y vuelve a su baja resistencia. Estos dispositivos se utilizan con frecuencia en aplicaciones aeroespaciales y nucleares, donde su sustitución es difícil, o en placas base de ordenadores para evitar que un cortocircuito en el ratón o el teclado dañe la placa base.

Un fusible térmico se encuentra comúnmente en electrodomésticos como cafeteras , secadores de pelo o transformadores que alimentan pequeños dispositivos electrónicos. Contiene un compuesto fusible sensible a la temperatura que mantiene un mecanismo de contacto por resorte normalmente cerrado. Cuando la temperatura ambiente es demasiado alta, el compuesto se funde y permite que el mecanismo de contacto por resorte interrumpa el circuito. Este dispositivo puede utilizarse para prevenir incendios en un secador de pelo, por ejemplo, al cortar el suministro eléctrico a las resistencias cuando se interrumpe el flujo de aire (por ejemplo, si el motor del ventilador se detiene o la entrada de aire se bloquea accidentalmente). Los fusibles térmicos son dispositivos de un solo uso, no rearmables, que deben reemplazarse una vez que se han activado (fundido).

Un limitador de cable es similar a un fusible, pero está diseñado únicamente para la protección de cables de baja tensión. Se utiliza, por ejemplo, en redes donde se pueden usar varios cables en paralelo. No está diseñado para proporcionar protección contra sobrecargas, sino que protege un cable expuesto a un cortocircuito. Las características del limitador se ajustan al tamaño del cable para que este elimine la falla antes de que se dañe el aislamiento del cable. ^{[ 17 ]}