Un banco fuseless no tiene fusibles internos ni externos: las unidades, de dos bornes, se conectan en cadenas en serie de fase a neutro y la protección se basa en que el elemento fallado queda en cortocircuito. Los elementos sanos de la cadena absorben su tensión: con E elementos en serie suben un factor E/(E−1). Por eso se usa en 34,5 kV o más, con más de 10 elementos por cadena, según IEEE C37.99-2000.
Respuesta corta
Un banco fuseless (sin fusibles) conecta las unidades en cadenas en serie entre la fase y el neutro, o entre dos terminales de línea en un banco en delta o monofásico. No hay fusible interno ni externo. IEEE C37.99-2000 (cl. 4.2.3, 4.3.3, 4.4.3 y 8.5.1) explica que la protección se basa en que el elemento que falla queda en cortocircuito, y que los elementos sanos de la cadena absorben su tensión. Se usa normalmente en 34,5 kV o más.
Cómo es el banco
- Las unidades tienen normalmente dos bornes, con los elementos aislados de la caja.
- Cada cadena es una serie de unidades de la fase al neutro. Varias cadenas pueden ir en paralelo si el banco es grande.
- Cada unidad es, por dentro, una serie de grupos de elementos. El número de elementos en serie de la cadena es el número de unidades en serie por el número de grupos de elementos en serie de cada unidad.
- La energía de descarga es pequeña: no hay unidades directamente en paralelo, así que ningún grupo se descarga sobre la unidad fallada.
Un banco con otra construcción, con unidades de elementos conectados en serie, se ha ofrecido alguna vez como fuseless. La guía lo advierte: requiere una protección de desbalance mucho más sensible y no lo cubre.
Qué pasa cuando un elemento falla
- Un elemento falla. Queda en cortocircuito por la soldadura que se forma en el punto de falla
- Los elementos sanos de la cadena toman su tensión. La tensión aplicada se divide entre menos elementos en serie
- El banco sigue en servicio. Sin fusibles, la protección observa cuántos elementos se perdieron
- El desbalance dispara. Cuando la tensión de los restantes es excesiva
La norma indica que la falla de un elemento en un grupo de elementos en paralelo cortocircuita también a los demás elementos de ese grupo (cl. 8.5.1: en el ejemplo de 10 grupos de tres elementos, el elemento fallado pone en corto a sí mismo y a los dos que están en paralelo con él).
El factor E/(E−1)
Si la cadena tiene E elementos (o grupos) en serie y uno se cortocircuita, la tensión sobre cada uno de los restantes es aproximadamente la anterior multiplicada por E/(E−1) (cl. 4.4.3 y 5.1.2).
Ejemplo de la norma (cl. 8.5.1). Una cadena de seis unidades, cada una con ocho grupos de elementos en serie, tiene 6 × 8 = 48 elementos en serie. Si uno falla, los 47 restantes quedan con 48/47 de la tensión que tenían: 2,1 % más.
Ejemplo propio. Con los mismos 48 elementos, si se pierden k elementos, la tensión sobre los restantes es 48/(48 − k) de la previa: 104,3 % con 2 elementos perdidos, 109,1 % con 4 y 111,6 % con 5. Con 5 elementos perdidos se supera el 110 % de la tensión asignada que usa la guía como referencia para sacar el banco.
Por qué más de 10 elementos en serie
La guía pide que cada cadena tenga normalmente más de 10 elementos en serie, para que el banco no tenga que salir de servicio por la falla de un solo elemento (cl. 4.3.3 y 5.1.2). Se puede comprobar con la fórmula: con 10 elementos, el factor es 10/9, es decir 111 %, por encima de 110 %. Con 11 elementos baja a 110 %. Esta condición solo se logra con tensiones de sistema altas, y es la razón por la que el diseño fuseless no se aplica normalmente por debajo de unos 34,5 kV.
Si la corriente por la cadena supera la capacidad continua de la unidad, la guía indica agregar cadenas en paralelo (cl. 5.1.3).
Efecto en la protección
- Sin coordinación con fusibles. El desbalance puede disparar con un retardo corto, porque no hay fusibles con los que coordinar (cl. 4.2.3 y 5.1.3).
- La señal indica cuántos elementos fallaron en la cadena. No indica cuáles. La ubicación se determina midiendo la capacitancia de las cadenas señaladas (cl. 8.5.1).
- Cálculo. Se hace con el número de elementos (grupos de elementos) fallados y el total de elementos en serie. Si el fabricante no da el número de elementos en serie por unidad, la guía sugiere estimarlo dividiendo la tensión de la unidad entre 2400 V y redondeando hacia arriba, porque cada elemento suele tener entre 1800 y 2400 V. Una unidad de 7960 V tendría unos 4 elementos en serie.
El estimado sirve para la protección del banco, y no sustituye el dato de placa o de hoja del fabricante cuando se tiene.
El cálculo de la señal de desbalance de este diseño está en cálculo del desbalance fuseless y unfused, y las lecturas que pueden engañar al relé en indicaciones ambiguas y fallas que el desbalance no ve.
Diferencia con el banco unfused
El banco unfused tampoco tiene fusibles, pero conecta las unidades en grupos en paralelo puestos en serie, la disposición convencional. Allí la tensión sobre los elementos restantes sube más que en el fuseless, porque hay menos elementos en serie entre la fase y el neutro. La energía de descarga también es mayor que en el fuseless, aunque modesta, porque hay unidades directamente en paralelo.
El otro diseño sin fusibles se trata en banco unfused.
Cuándo se elige
La guía lo presenta como adecuado en bancos de 34,5 kV o más, y con ventaja en la energía de descarga pequeña y en el retardo corto del desbalance. En contrapartida, la protección de desbalance es la única forma de saber que hay elementos fallados, y la tensión sobre los restantes sube con cada elemento perdido, sin fusible que lo aísle. Para comparar con los otros tipos, vea protección de banco de capacitores y protección de desbalance de bancos de condensadores.
La conexión (estrella, doble estrella o H) que acompaña a cada diseño se compara en conexión del banco: estrella a tierra, estrella sin tierra o delta.
Qué hacemos nosotros
El número de elementos en serie, el arreglo de cadenas y la señal de desbalance se definen con el dato real del fabricante. En Tiza Group lo resolvemos en el diseño de ingeniería y estudios del banco y le cotizamos el estudio según el alcance.
Guías relacionadas
- IEEE C37.99: guía de protección de bancos de capacitores
- Banco de capacitores unfused: serie-paralelo sin fusibles
- Cálculo del desbalance en bancos fuseless y unfused
- Cómo dimensionar un banco de condensadores
- Disparo de bancos de condensadores
Referencias
- IEEE Std C37.99-2000, IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks: cl. 4.2.3, 4.3.3, 4.4.3, 5.1.2, 5.1.3, 7.1 y 8.5.1 (Figuras 32 y 33).
Preguntas frecuentes
¿Por qué un banco fuseless no se usa por debajo de unos 34,5 kV?
Porque necesita más de 10 elementos en serie en cada cadena. Con menos, la falla de un elemento haría subir demasiado la tensión de los restantes (E/(E−1)) y obligaría a sacar el banco por una sola falla. En tensiones bajas no caben tantas unidades en serie.
¿Qué pasa cuando un elemento falla en un banco fuseless?
Queda en cortocircuito por la soldadura que se forma en el punto de falla, y su tensión se reparte entre los elementos sanos de la cadena en serie. El banco sigue en servicio hasta que el desbalance indique que la tensión de los restantes ya es excesiva.
¿Cómo se localizan los elementos fallados?
El desbalance indica cuántos elementos fallaron en una cadena. La ubicación se determina midiendo la capacitancia de las cadenas que señale la protección.