Un arco externo ocurre dentro de la zona de la protección de desbalance pero fuera de una unidad capacitiva, por ejemplo sobre el aislador de un riel de fusibles o sobre el bastidor. Produce muy poca sobrecorriente de fase y puede propagarse de grupo en grupo. Según IEEE C37.99-2000, la protección más eficaz es un desbalance rápido, con retardo no menor al tiempo máximo de despeje del fusible.
Respuesta corta
Un arco externo es una falla que ocurre dentro de la zona de la protección de desbalance pero fuera de una unidad capacitiva: por ejemplo, a lo largo del aislador que soporta un riel de fusibles o sobre el bastidor. Según IEEE C37.99-2000, puede causar daños extensos en una fracción de segundo, generar un riesgo para las personas y propagarse de grupo en grupo si no se dispara el banco con rapidez. La sobrecorriente casi no lo ve. La protección más eficaz es un desbalance rápido, con el menor retardo que permita la coordinación con los fusibles.
Qué es un arco externo y qué es una falla de bastidor
La guía define como falla externa en un banco la que está dentro de la zona de protección del desbalance pero afuera de una unidad capacitiva (cláusula 8.1). No es un elemento perforado dentro de una lata, sino un arco en el aire o sobre un aislador, entre partes con tensión diferente.
La falla de bastidor (en inglés, rack fault) es el caso típico. Si el banco está construido con las fases bien separadas en estructuras distintas, el arco empieza sobre un solo grupo en serie. Esa falla produce muy poca sobrecorriente de fase. Si el relé de desbalance no opera, cada vez más grupos en serie de la misma fase se ven involucrados, hasta que la sobrecorriente del banco dispara o los fusibles despejan. Para entonces el daño es grande: muchos fusibles quemados y unidades rotas (cláusula 7.1.5).
Esta es una de las razones por las que la protección de desbalance se considera la protección primaria contra el arco dentro del banco. Los esquemas se explican en la guía de protección de desbalance de bancos de condensadores.
La guía IEEE C37.99 de protección de bancos de capacitores ubica esta falla dentro de la protección del banco.
Por qué la sobrecorriente no basta
La norma es directa en dos puntos:
- La sobrecorriente no es normalmente sensible a un arco dentro del banco y, si percibe la perturbación, lo hace tarde (cláusula 7.2.1).
- Los relés instantáneos no suelen ser eficaces para fallas de bastidor porque su ajuste debe ser alto, para no disparar con las corrientes de energización y de descarga entre bancos (cláusula 7.1.5).
La razón física es sencilla. Un arco sobre un grupo en serie cortocircuita una fracción pequeña de la impedancia de la fase. La corriente que circula apenas se distingue de la de servicio. Lo que sí cambia, y de forma clara, es la distribución de tensión y de corriente dentro del banco. Por eso se detecta con medidas de desbalance y no con la corriente de línea.
Qué sí cubre la sobrecorriente y qué queda a cargo de otras funciones se explica en sobrecorriente y falla de interruptor en un banco.
Qué protege contra el arco
Según la cláusula 7.1.5, la protección más eficaz es un relé de desbalance rápido. Se aplican dos ideas que conviene tener claras, pero que deben fijarse en el estudio del banco.
Retardo corto, con un piso. Un retardo breve reduce el daño por fallas de bastidor. La norma menciona que se han usado retardos de hasta 0,05 s. Ese retardo, sin embargo, no debería ser menor al tiempo máximo de despeje del fusible de la unidad o del elemento: si el relé disparara antes, impediría que el fusible cumpla su función de aislar la unidad dañada y dar una indicación visible.
Sensibilidad por unidad perdida, no por arco. El disparo de desbalance se ajusta para proteger a las unidades o elementos de sobretensiones continuas por la pérdida de una unidad. Con ese criterio, la sensibilidad resultante es suficiente para detectar el arco inicial sobre un grupo en serie de una fase.
Cuando el desbalance es del tipo que responde a desequilibrios del sistema, puede hacer falta un retardo largo para coordinar con los relés de línea. Un esquema que no responde a la tensión homopolar del sistema, o que la compensa, evita ese retardo adicional (cláusula 7.1.5).
Cuando el desbalance de neutro no ve el arco
La guía advierte sobre un caso concreto: un banco en estrella sin tierra, con dos grupos en serie por fase, con las tres fases apiladas en una sola estructura metálica. Un arco fase a fase a media altura del bastidor (figura 5 de la norma) no produce desbalance en la tensión del neutro, ni corriente de neutro si el banco estuviera con tierra. Un relé de neutro no responde. La falla puede propagarse hasta que la sobrecorriente, temporizada o instantánea, la despeje, con daño considerable en las tres fases.
La norma presenta dos métodos de protección contra este tipo de arco entre fases:
| Método | Idea general | Limitación que señala la norma |
|---|---|---|
| Sobrecorriente de tiempo fijo, de respuesta rápida | Detectar un aumento sobre la corriente normal de fase con retardo breve y recuperación rápida | Debe ser selectiva frente a los desequilibrios y la energización |
| Corriente de desbalance o de secuencia negativa | Detectar la asimetría que causa el arco entre fases, como respaldo | El disparo debe retardarse para coordinar con el resto del sistema, y puede no evitar el daño por arco dentro de la estructura |
En bancos de doble estrella la protección de desbalance sí opera ante este tipo de falla, siempre que los grupos correctos estén conectados al bastidor. Ese detalle se trata en la guía de indicaciones ambiguas y fallas que el desbalance no ve.
La protección de secuencia negativa (46) se explica por separado.
El mismo problema aparece en indicaciones ambiguas y fallas que el desbalance no ve, y los arreglos de dos ramas que lo agravan están en desbalance en puente H y en desbalance en doble estrella.
Conexiones defectuosas y roturas de caja
La norma aclara un límite importante (cláusulas 7.1.4 y 8.1): la protección de desbalance no es normalmente lo bastante sensible para detectar una conexión defectuosa. Una conexión floja se deteriora hasta que ocurre una falla dentro del banco y entonces el desbalance opera. Dentro de una unidad, una conexión defectuosa, poco frecuente, puede elevar la presión y romper la caja antes de que el desbalance opere. Si ocurre la rotura de una caja, la protección debe actuar rápido por el arco externo que le sigue.
Esto tiene una consecuencia práctica: la protección eléctrica no sustituye la inspección. Los termogramas, la revisión de conexiones y el mantenimiento detectan lo que ningún relé puede ver. Lo mismo vale para la gran corriente de cortocircuito del sistema dentro de una unidad: la norma señala que los esquemas de desbalance no operan lo bastante rápido para evitar fallas catastróficas por esa causa, y que en ciertos bancos con una sola serie y tierra puede convenir el fusible externo.
Qué no hacer
- No confiar solo en la sobrecorriente como protección contra arco en el banco.
- No usar el instantáneo de línea como protección de fallas de bastidor: su ajuste lo hace insensible.
- No fijar un retardo de desbalance por debajo del despeje del fusible de la unidad o del elemento.
- No asumir que un esquema de neutro cubre un arco entre fases si las fases comparten estructura.
- No dejar el bastidor sin conexión equipotencial correcta en bancos de doble estrella: puede anular la respuesta del esquema.
- No volver a energizar un banco que disparó por desbalance sin inspección visual y pruebas de las unidades.
Cuándo llamarnos
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Referencias
- IEEE C37.99-2000, IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks, cláusulas 7.1.4, 7.1.5, 7.2.1, 8.1 y figura 5.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la protección de sobrecorriente no detecta un arco dentro del banco?
Porque un arco que cubre un solo grupo en serie apenas cambia la corriente de fase. IEEE C37.99-2000 (cl. 7.2.1) indica que la sobrecorriente normalmente no es sensible al arco dentro de un banco y, si detecta algo, llega tarde. Los ajustes necesarios para no operar con las corrientes de energización la dejan aún menos sensible.
¿Un relé de desbalance de neutro detecta una falla entre fases a media altura del bastidor?
No siempre. Si las tres fases están apiladas en una sola estructura, un arco fase a fase a media altura puede no alterar la tensión ni la corriente del neutro. Por eso la norma advierte no depender solo de ese esquema en bancos con fases no bien separadas y menciona otros métodos de respaldo.
¿Cuánto retardo admite el desbalance cuando hay riesgo de arco?
La norma indica que se han usado retardos tan cortos como 0,05 s, pero no menores al tiempo máximo de despeje del fusible de la unidad o del elemento. Un retardo menor haría que el relé disparara antes de que el fusible aísle una unidad dañada. El valor concreto lo define el estudio de coordinación de cada banco.