Banco de condensadores en MT y AT: desbalance y pruebas

Respuesta corta

Un banco de condensadores en derivación entrega potencia reactiva a la red para sostener la tensión y corregir el factor de potencia. Está formado por muchas unidades en serie y paralelo; su protección clave es la de desbalance, que detecta unidades o elementos fallados antes de que las sanas queden sobretensionadas.

Qué es y dónde está

Un banco de condensadores en derivación es un conjunto de unidades capacitivas conectadas entre las fases y, según la conexión, el neutro o tierra. Entrega potencia reactiva capacitiva a la red: sostiene la tensión en subestaciones de distribución y transmisión, reduce pérdidas y corrige el factor de potencia en la industria. Con reactores de sintonía forma filtros de armónicos. IEC 60871-1 cubre las unidades y bancos de más de 1 000 V; en Norteamérica se usa IEEE 18, y la protección se trata en IEEE C37.99.

En la bahía, el banco cuelga del barraje a través de su interruptor o contactor. Junto a él van los reactores de limitación de corriente, los pararrayos, el transformador de corriente (CT) de fase para la protección del alimentador y, en el neutro, el CT o el transformador de tensión (PT) que mide el desbalance. El relé recibe esas señales y dispara el interruptor del banco.

Partes principales

Unidades (latas): contienen elementos capacitivos en serie y paralelo, con un dispositivo interno de descarga.
Fusibles: externos por unidad, internos por elemento, o ninguno en los bancos sin fusibles.
Bastidor o envolvente: bancos abiertos en estructura, o encerrados en gabinete metálico en media tensión.
Reactor de limitación de corriente de energización (inrush) y de descarga hacia fallas.
CT o PT de neutro para la protección de desbalance.
Aparato de maniobra: interruptor, interruptor de vacío o contactor.
Relé de protección y control.

Cómo funciona

La potencia reactiva de un condensador es Q = ωCV²: depende del cuadrado de la tensión. Por eso un banco aporta menos justo cuando la tensión cae.

Cada unidad es una red de elementos. El comportamiento ante una falla depende del tipo de fusible:

Fusible externo: las fallas de elementos elevan la corriente de la unidad hasta que su fusible opera; se pierde la unidad completa. La unidad fallada se encuentra por inspección visual.
Fusible interno: el fusible del elemento fallado opera y solo ese elemento sale. Suben un poco la tensión de los elementos en paralelo; desde afuera no hay indicación visible.
Sin fusibles: el elemento fallado queda en cortocircuito y pone en corto a los elementos en paralelo con él; la tensión se reparte entre los grupos en serie restantes.

En todos los casos, cada falla cambia la capacitancia de una rama y crea un desbalance. La protección compara corrientes o tensiones que, con el banco sano, son casi iguales: da alarma con pocas fallas y dispara antes de que las unidades sanas superen los límites de sobretensión de la norma.

Energización. Al cerrar, el banco descargado se comporta como un cortocircuito momentáneo y toma una corriente transitoria alta. Si ya hay otro banco energizado en el mismo barraje (maniobra back-to-back), la corriente es aún mayor y de alta frecuencia. Los reactores de limitación la reducen. La maniobra sincronizada cierra cada polo cerca del cruce por cero de la tensión entre contactos, lo que reduce la corriente y la sobretensión de maniobra.

Desenergización. Al abrir, el banco queda cargado. Los dispositivos de descarga bajan la tensión residual en el tiempo que fija la norma, y el control bloquea el cierre mientras tanto.

Configuraciones y variantes por nivel de tensión

Estrella puesta a tierra: desbalance, por ejemplo, por corriente de neutro.
Estrella aislada: desbalance por tensión de neutro.
Doble estrella aislada: un CT entre los dos neutros mide la corriente que circula entre ellos.
Puente H: un CT en la rama central de cada fase mide el desbalance entre las mitades del banco.

En media tensión, el banco puede ir en gabinete metálico o en poste, y en la industria se usa para corregir factor de potencia, a menudo con reactores de sintonía contra armónicos. Lo maniobra un interruptor de vacío o un contactor de media tensión. En alta tensión, los bancos suelen ser abiertos, con varios grupos en serie, y los maniobra un interruptor de potencia como el interruptor de alta tensión de tanque vivo. Para esa maniobra, IEC 62271-100 define las clases C1 (baja probabilidad de reencendido) y C2 (muy baja). El elemento complementario, que absorbe reactivos, es el reactor de potencia.

Características asignadas y placa

Cada unidad declara su potencia, tensión y capacitancia asignadas, la frecuencia, el nivel de aislamiento, la categoría de temperatura y su dispositivo de descarga; la lista exacta la fijan IEC 60871-1 o IEEE 18. El banco se especifica además por su potencia total, la configuración, el número de grupos en serie y unidades en paralelo, el tipo de fusible, la corriente de inrush que limita el reactor y los límites de sobretensión y sobrecorriente permanentes.

Integración con protección y control

Desbalance (ANSI 60): de corriente de neutro, de tensión de neutro o diferencial de tensión, según la conexión, con compensación del desbalance natural.
Sobrecorriente 50/51 y 50N/51N para fallas en el banco y su cable.
Sobretensión 59 y subtensión 27: esta última abre el banco al perder tensión, para no reenergizarlo cargado. Vea sobretensión 59.
Sobrecarga por tensión y armónicos, y bloqueo de cierre hasta la descarga.
Control automático por tensión, reactivos u horario.

En IEC 61850, ZCAP representa el banco y XCBR su interruptor; la maniobra sincronizada usa CPOW y el control de reactivos ARCO. Las funciones de desbalance se modelan por cada fabricante sobre clases de protección: en la serie ABB 615, por ejemplo, el desbalance de corriente es CUBPTOC.

Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento

Las pruebas de un banco confirman tres cosas: que cada unidad tiene la capacitancia correcta, que el banco está balanceado y que la protección de desbalance detecta unidades o elementos fallados antes de sobretensionar los sanos. Se hacen antes de la primera energización, después de un disparo por desbalance o de un cambio de unidades o fusibles, y en mantenimiento para encontrar unidades fuera de rango.

Descarga segura antes de tocar. Un banco desenergizado sigue cargado. Cada unidad trae resistencias internas de descarga, y IEC 60871-1 e IEEE 18 fijan la tensión residual máxima y el tiempo en que deben alcanzarla; la placa o la hoja de datos indican el valor de cada unidad. Pero esperar ese tiempo no basta: una resistencia de descarga interrumpida deja la unidad cargada. Por eso, además de comprobar la ausencia de tensión y aterrizar el banco, cada unidad se cortocircuita y se aterriza antes de tocarla.

Prueba	Qué detecta y por qué se hace
Inspección	Fugas, carcasas abombadas, aisladores rotos, fusibles del calibre correcto y montaje según planos
Capacitancia por unidad, rama y fase	Elementos o fusibles internos abiertos o en corto que no se ven desde afuera. Las diferencias entre ramas definen el desbalance natural, y se corrigen reubicando unidades
Aislamiento	Estado del aislamiento entre los terminales unidos y la carcasa (cuando está aislada) y de los aisladores de soporte
Reactor	Inductancia por fase y, en filtros, la frecuencia de sintonía de diseño
CT o PT de neutro	Relación, polaridad y aislamiento: un error aquí invalida la protección de desbalance
Protección	Umbrales y tiempos de alarma y disparo con inyección secundaria, y disparo real del interruptor
Energización	Corrientes de fase balanceadas, tensión de barra y desbalance natural, que se compensa en el relé

Cómo leer la capacitancia. La tolerancia sale de la norma aplicable y de la hoja de datos. La dirección del cambio también informa: en un banco sin fusibles internos, una capacitancia mayor que la de placa indica elementos en cortocircuito; con fusibles internos, una menor indica fusibles operados.

El desbalance nunca es cero. Un banco sano tiene un desbalance natural pequeño y estable, muy por debajo de la alarma. Si se espera cero, se termina desajustando la protección; si crece con el tiempo, hay elementos fallando. El ajuste de alarma busca operar con la primera unidad o elemento fallado, y el de disparo antes de que las unidades sanas superen el límite de sobretensión permanente de la norma; los criterios de ajuste de protecciones explican cómo se razona.

Fallas comunes y qué revisar primero

Elementos o fusibles internos fallados, con desbalance creciente.
Unidades abombadas o con fugas por sobretensión o temperatura.
Fusibles externos operados por corrientes de maniobra back-to-back.
Reencendido del interruptor al abrir, con sobretensiones.
Armónicos que sobrecargan las unidades o crean resonancias.
Desbalance natural sin compensar, que lleva a disparos en falso.

Ante un disparo por desbalance, revise primero los registros del relé (magnitud y fase del desbalance) y luego mida la capacitancia rama por rama.

Configuración remota y pruebas con Tiza Group

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Guías relacionadas

Referencias

IEC 60871-1, Condensadores en derivación para redes de corriente alterna de más de 1 000 V.
IEC 60871-4, Fusibles internos.
IEEE 18, Condensadores de potencia en derivación.
IEEE C37.99, Guía para la protección de bancos de condensadores en derivación.
IEC 62271-100, Interruptores automáticos de corriente alterna (maniobra de corrientes capacitivas).
IEEE C37.2, Números de dispositivo de los sistemas de potencia.
J. L. Blackburn y T. J. Domin, Protective Relaying: Principles and Applications.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un banco de condensadores dispara por desbalance sin falla visible?

Porque la protección de desbalance detecta fallas internas de elementos o fusibles internos que no se ven desde afuera. También puede operar por un desbalance natural mal compensado, un CT o PT de neutro defectuoso o un ajuste que no corresponde a la configuración real del banco.

¿Cuánto hay que esperar para volver a energizar un banco de condensadores?

Hasta que la tensión residual baje al valor que admiten la norma aplicable y el fabricante; los dispositivos internos de descarga fijan ese tiempo. Muchos relés bloquean el cierre mientras detectan que el banco sigue parcialmente cargado.

¿Qué es un banco sin fusibles?

Es un banco cuyas unidades no tienen fusibles internos ni externos. Las unidades se conectan en serie formando ramas; si un elemento falla, queda en cortocircuito y reparte su tensión entre los demás grupos de la rama. La protección de desbalance detecta ese cambio con buena sensibilidad.