Desbalance de banco de condensadores 60: protección

Respuesta corta

La protección de desbalance (ANSI 60) detecta elementos o unidades falladas dentro de un banco de condensadores comparando corrientes o tensiones que, con el banco sano, son prácticamente iguales: la corriente entre los neutros de una doble estrella, la tensión del neutro o la tensión en un punto intermedio de cada fase. Alarma con las primeras fallas y dispara el banco antes de que las unidades sanas queden sometidas a una sobretensión superior a la que admiten.

Qué protege la protección de desbalance

Un banco de condensadores está formado por muchas unidades en serie y en paralelo, y cada unidad por muchos elementos. Cuando un elemento falla, la capacitancia de su grupo cambia y la tensión se reparte distinto: los elementos que quedan en ese grupo reciben más tensión. Si siguen fallando, la sobretensión crece hasta provocar una falla en cascada y, en el peor caso, la ruptura de una unidad con arco interno.

La protección de desbalance protege las unidades del banco contra esa sobretensión progresiva. Alarma con las primeras fallas, para programar el reemplazo, y dispara el interruptor del banco antes de que las unidades sanas superen su límite. Es la protección principal del banco; la sobrecorriente y la sobretensión cubren otros riesgos.

ANSI/IEEE C37.2: 60, relé de balance de tensión o de corriente.
IEC 61850: no hay un nodo específico de desbalance de banco; se modela sobre clases de sobrecorriente o sobretensión (PTOC, PTOV) y el banco se representa con ZCAP.
IEC 60617: sin símbolo propio.

Dónde se aplica

Banco	BT	MT	AT y EAT	Industria	Esquema habitual
Estrella puesta a tierra	No aplica	Sí	Sí	Poco común	Corriente de neutro o diferencial de tensión
Estrella aislada	Bancos automáticos con contactor	Sí	Poco común	Sí	Tensión de neutro
Doble estrella aislada	No	Sí	Sí	Bancos grandes	Corriente entre neutros
Puente H	No	Poco común	Sí	No	Corriente en la rama central de cada fase
Filtros de armónicos	No	Sí	Sí	Sí	Igual que el banco, con la sintonía del reactor

En baja tensión los bancos se protegen con fusibles y con los dispositivos del controlador, y el desbalance por elementos rara vez se aplica. La conexión y sus variantes se explican en banco de condensadores.

Principio de medida

Todos los esquemas buscan lo mismo: una magnitud que sea casi cero con el banco sano y que crezca con cada falla.

Corriente entre neutros (doble estrella): el banco se divide en dos estrellas iguales con sus neutros unidos por un CT. Sano, no circula corriente; cuando un elemento falla en una estrella, aparece corriente por el CT.
Tensión de neutro (estrella aislada): un PT entre el neutro y tierra mide el desplazamiento del neutro que produce una rama desequilibrada.
Corriente de neutro (estrella puesta a tierra): un CT en la conexión a tierra del neutro.
Diferencial de tensión: en cada fase se compara la tensión de un punto intermedio del banco con la tensión de la barra, escalada. Sirve en bancos grandes puestos a tierra y localiza la fase con falla.
Puente H: un CT en la rama central de cada fase mide el desequilibrio entre sus dos mitades.

Compensación del desbalance natural. Con el banco sano ya existe una pequeña señal. El relé la mide y la resta de forma fasorial; algunos esquemas compensan también el desbalance de la tensión de red.

Fusibles internos, externos o sin fusibles. Con fusibles externos, cada falla saca una unidad completa y la señal por falla es grande. Con fusibles internos sale un solo elemento y la señal es pequeña, así que el esquema debe ser más sensible y la compensación del desbalance natural más cuidadosa. En bancos sin fusibles, el elemento fallado queda en cortocircuito y su tensión se reparte entre los demás grupos en serie de la cadena; la señal por falla es clara, pero el banco tolera menos fallas. El tipo de fusible define cuántos escalones caben antes del disparo.

La característica

La característica se entiende como una escalera: en el eje horizontal, el número de elementos o unidades fallados en el grupo más afectado; en el vertical, la señal de desbalance y la sobretensión en los elementos sanos. Cada falla sube un escalón.

Alarma: en el escalón que corresponde a la primera falla, o la que se considere aceptable.
Disparo: en el escalón en que la sobretensión de los sanos llegaría al límite que admite la unidad, con margen.
Retardo: corto, para no operar con transitorios de maniobra, y coordinado con los fusibles.

Del elemento fallado al disparo

Falla de un elemento. Cambia la capacitancia de su grupo
Redistribución de tensión. Los elementos sanos del grupo reciben más tensión
Señal de desbalance. Corriente o tensión de neutro, o diferencial de tensión
Alarma. Primeros escalones, para programar el reemplazo
Disparo. Antes de que los sanos superen su límite de sobretensión

Criterios de ajuste

El cálculo de escalones depende de la configuración del banco, del número de unidades y elementos y del tipo de fusible. Los criterios generales de IEEE C37.99 son:

Calcular la señal de desbalance y la sobretensión de los elementos sanos para cada número de fallas.
Ajustar el disparo para que actúe antes de superar el límite de sobretensión de la unidad, y la alarma en las primeras fallas.
Comprobar que la primera falla da una señal claramente mayor que el desbalance natural.
Revisar la coordinación con los fusibles.

Puede estimar el comportamiento con nuestra herramienta gratuita banco de condensadores. El cálculo de un banco real forma parte de coordinación de protecciones.

Interacción con otras funciones

Sobrecorriente 50/51 del banco: cubre fallas en la conexión y entre fases, no los elementos.
Sobretensión 59: protege el banco ante tensiones altas de la red. Ver sobretensión 59.
Subtensión 27: abre el banco si se pierde la tensión, para que no se reenergice cargado.
Control automático: el controlador no debe reconectar el banco antes del tiempo de descarga. Ver control automático de bancos de condensadores.
Falla de interruptor 50BF: arranca con el disparo por desbalance.

Cómo la implementa cada fabricante

Siemens SIPROTEC (DIGSI): funciones de protección de banco con desbalance de corriente y de tensión.
SEL (AcSELerator QuickSet): relés de banco con elementos de desbalance, compensación y localización de la fase fallada.
Hitachi Energy y ABB Relion (PCM600): en la serie 615, el desbalance de corriente es CUBPTOC; en la serie 670, funciones de banco dedicadas.
GE Vernova Multilin (EnerVista): elementos de desbalance de banco con compensación.
Schneider MiCOM y Easergy: etapas de desbalance de corriente o de tensión de neutro.

Nodo lógico IEC 61850

El banco se representa con ZCAP y su interruptor con XCBR. El desbalance se modela sobre PTOC (corriente) o PTOV (tensión), con nombres propios del fabricante, como CUBPTOC en ABB 615. La alarma y el disparo pasan por PTRC y llegan al XCBR por GOOSE o por salida física.

Cómo se prueba

En general se verifica:

La capacitancia de cada unidad y de cada rama, y el desbalance natural, antes de energizar.
La relación, la polaridad y el aislamiento del CT o PT de neutro.
Con inyección secundaria, los umbrales de alarma y disparo, los tiempos y la compensación.
Después de energizar, la señal real con el banco sano y su compensación.

Errores típicos

No compensar el desbalance natural, o compensarlo con el banco fallado.
Escalones calculados para otro tipo de fusible o para otra configuración.
CT de neutro de relación demasiado alta, que no da señal útil con la primera falla.
Reemplazar unidades sin medir la capacitancia, lo que cambia el desbalance natural.
Repetir la compensación después de un disparo sin buscar la unidad fallada.

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Guías relacionadas

Referencias

IEEE C37.99, Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks: esquemas de desbalance y cálculo de escalones.
IEEE 18, Standard for Shunt Power Capacitors: límites de las unidades.
IEC 60871-1, Shunt capacitors for a.c. power systems having a rated voltage above 1 000 V – Part 1: General.
IEEE C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations: número 60.
IEC 61850-7-4, Compatible logical node classes and data object classes: nodos ZCAP, PTOC, PTOV y PTRC.

Preguntas frecuentes

¿Por qué un banco de condensadores se protege por desbalance y no solo por sobrecorriente?

Porque la falla de un elemento cambia muy poco la corriente total del banco, pero redistribuye la tensión entre los elementos que quedan. La sobrecorriente no lo nota; el desbalance sí. Si no se detecta, las fallas se encadenan y terminan en una falla mayor dentro del banco.

¿Qué es el desbalance natural de un banco?

Es la señal de desbalance que existe con el banco sano, por las pequeñas diferencias de capacitancia entre unidades y por el desbalance de la tensión de la red. El relé lo mide en la puesta en servicio y lo resta, para que el ajuste responda solo a las fallas nuevas.

¿Cambia la protección si el banco tiene fusibles internos, externos o no tiene fusibles?

Sí. Con fusibles externos, cada falla saca una unidad completa; con fusibles internos, sale un elemento; sin fusibles, el elemento fallado queda en cortocircuito y su tensión se reparte entre los demás. Cada caso cambia el tamaño de la señal por falla y el número de fallas que el banco tolera antes de disparar.