Un banco de capacitores se protege contra cinco amenazas: elementos o unidades falladas (desbalance), cortocircuitos (sobrecorriente), sobretensión, reenergización con carga residual y resonancia con los armónicos de la red. Cada amenaza tiene su protección propia, y la del desbalance es la principal porque detecta fallas progresivas que la sobrecorriente no ve.
Qué amenaza a un banco
Un banco de capacitores está formado por muchas unidades en serie y en paralelo, y cada unidad por muchos elementos. Esa construcción define sus riesgos: un solo elemento fallado cambia la distribución de tensión de todo el grupo. Por eso la protección no se limita a la sobrecorriente.
| Amenaza | Protección que la cubre | Guía |
|---|---|---|
| Elemento o unidad fallada | Desbalance 60 y fusibles de las unidades | Desbalance de bancos |
| Cortocircuito en el banco o en sus conexiones | Sobrecorriente de fases y de tierra | Sobrecorriente |
| Tensión de la red por encima del límite de las unidades | Sobretensión 59 | Sobretensión 59 |
| Reconexión con carga residual en las unidades | Bloqueo de cierre por descarga en el control | Control automático |
| Corriente de energización con otro banco conectado | Reactores limitadores y ajustes que la toleren | Disparo de bancos |
| Armónicos que amplifica el banco | Estudio de resonancia y reactores de desintonía | Resonancia |
Los números de las funciones que aparecen en esta guía se explican en Números ANSI de las funciones de protección.
La guía IEEE C37.99-2000 ordena cada amenaza con su dispositivo en las cláusulas 7 y 8 (vea la guía IEEE C37.99 de protección de bancos de capacitores), y los límites de un capacitor: 110 % de tensión y 135 % de potencia fijan cuándo el banco debe salir de servicio.
El desbalance: la protección principal
Cuando un elemento falla, su grupo cambia de capacitancia y los elementos que quedan reciben más tensión. Si siguen fallando, la sobretensión crece hasta una falla en cascada y, en el peor caso, la ruptura de una unidad con arco interno. La protección de desbalance alarma con las primeras fallas, para programar el reemplazo, y dispara antes de que las unidades sanas superen su límite.
Mide una magnitud que es casi cero con el banco sano y crece con cada falla. Qué magnitud se mide depende de la conexión, como muestra la tabla siguiente. La guía de desbalance describe cada esquema y la compensación del desbalance natural que todo banco tiene al nacer.
Qué mide el desbalance según la conexión
| Conexión del banco | Magnitud que se mide |
|---|---|
| Doble estrella aislada | Corriente entre los dos neutros |
| Estrella aislada | Tensión entre el neutro y tierra |
| Estrella puesta a tierra | Corriente del neutro o diferencial de tensión |
| Puente H | Corriente en la rama central de cada fase |
Los bancos de media tensión y de alta tensión usan estos esquemas. La conexión se elige en el diseño del banco y condiciona el esquema de protección que le corresponde.
Cada esquema tiene su guía: estrella sin tierra, doble estrella, diferencial de tensión, corriente de neutro y puente H. Lo que el desbalance no cubre está en arco externo y fallas de bastidor, sobrecorriente y falla de interruptor en un banco y protección de tensión del banco (59, 59B y 27B).
Fusibles: cuánto cambia la señal
El tipo de fusible determina la sensibilidad que pide el relé:
- Fusibles externos. Cada falla saca una unidad completa y la señal es grande.
- Fusibles internos. Cada falla saca un solo elemento y la señal es pequeña. El esquema debe ser más sensible y la compensación del desbalance natural, más cuidadosa.
- Bancos sin fusibles. El elemento fallado queda en cortocircuito y su tensión se reparte entre los demás grupos de la cadena. La señal por falla es clara.
Sobretensión y límites de las unidades
Las normas de condensadores fijan un límite de sobretensión permanente. IEEE 18 e IEC 60871-1 admiten una tensión continua de hasta el 110 % de la nominal en media y alta tensión. Fijan además topes para la tensión de cresta y la potencia reactiva. Esos topes sirven para contingencias y no como criterio de diseño. La protección de sobretensión se ajusta con esos límites y con los valores del fabricante del banco.
Descarga antes de reenergizar
Después de abrir el banco, cada unidad se descarga por resistencias internas hasta una tensión residual baja, en un tiempo que fija la norma. Cerrar antes de ese plazo suma la carga residual a la tensión de la red y produce una sobretensión de cierre. Muchos controles incluyen un temporizador de descarga; el valor correcto es el del fabricante, no uno genérico.
- Disparo del banco. Identificar la función que operó
- Descarga. Esperar el tiempo de descarga del fabricante
- Inspección. Revisar unidades, fusibles y conexiones antes de cerrar
- Cierre. Con el control habilitado y sin bloqueos activos
Corriente de energización y resonancia
Al energizar un banco con otro ya conectado en la misma barra, circula una corriente transitoria alta entre ambos. La sobrecorriente debe tolerarla sin perder sensibilidad ante fallas reales.
Un banco y la inductancia de la fuente forman un circuito resonante. Su orden armónico aproximado es la raíz cuadrada del cociente entre la potencia de cortocircuito de la barra y la potencia del banco. Si ese orden queda cerca de un armónico de las cargas, la corriente del banco se amplifica y puede sobrecargar las unidades. Los armónicos más comunes son el quinto y el séptimo de los variadores. Hay que calcularlo de nuevo cada vez que se agrega un banco o cambia la potencia de cortocircuito.
Los alimentadores de la planta que acompañan al banco se protegen como describe Protección de alimentadores industriales. El equipo que hace la función contraria, que absorbe potencia reactiva, es el reactor en derivación: véase protección de reactor en derivación.
Las clases C1 y C2 del interruptor que maniobra el banco se explican en clases C1 y C2 para corrientes capacitivas.
Bancos de baja tensión
En baja tensión los bancos automáticos se protegen con fusibles y con los dispositivos del controlador. La comparación entre banco automático y fijo y la guía de cómo dimensionar un banco explican cómo se elige.
Qué se prueba
La protección de desbalance se prueba con inyección secundaria en el relé, junto con la compensación del desbalance natural y el retardo de la alarma y del disparo. También se verifica el temporizador de descarga del control y que el disparo abra el interruptor del banco. Un banco que se energiza por primera vez con la compensación sin ajustar puede alarmar o disparar sin ninguna unidad fallada.
Qué no hacer
- No ajustar el desbalance con valores típicos: dependen de la conexión, de los fusibles y del número de unidades.
- No reenergizar el banco sin esperar la descarga.
- No agregar un banco a una barra sin recalcular la resonancia.
Cómo le ayudamos
En Tiza Group configuramos la protección de desbalance y las demás funciones del banco con nuestra configuración remota de relés y la probamos con inyección secundaria. Evaluamos la resonancia con el estudio de calidad de potencia. Si su banco ya disparó, le cotizamos el análisis del disparo. Escríbanos.
Guías relacionadas
- Banco de condensadores
- Desbalance de banco de condensadores 60
- Disparo de bancos de condensadores
- Protección de alimentadores industriales
- Números ANSI de las funciones de protección
- Clases C1 y C2: interruptores para corrientes capacitivas
- IEEE C37.99: guía de protección de bancos de capacitores
Referencias
- IEEE C37.99-2000: guía para la protección de bancos de capacitores en derivación, cláusulas 7 y 8.
- IEC 60871-1: condensadores en derivación para sistemas de corriente alterna de tensión asignada superior a 1 000 V.
- IEEE 18: condensadores de potencia en derivación.
- IEEE 519: prácticas recomendadas para el control de armónicos en sistemas eléctricos.
Preguntas frecuentes
¿Por qué un banco de capacitores necesita protección de desbalance si ya tiene sobrecorriente?
Porque la falla de un elemento cambia poco la corriente total, pero reparte más tensión entre los elementos sanos de su grupo. Si siguen fallando, el efecto crece hasta una falla en cascada. La sobrecorriente no ve esa progresión; la de desbalance sí.
¿Se puede volver a cerrar un banco justo después de que disparó?
No hasta que la tensión residual haya bajado al valor que admiten la norma y el fabricante. Al abrir, el banco queda cargado; si se reconecta en contrafase con la red, la sobretensión y la corriente transitorias pueden dañar unidades e interruptor.
¿Un banco de baja tensión se protege igual que uno de media tensión?
No. En baja tensión se protege con fusibles y con las funciones del controlador, y el desbalance por elementos rara vez se aplica. El desbalance es la protección propia de los bancos de media y alta tensión.