Un banco de condensadores conectado a una barra forma, con la inductancia del transformador y de la red, un circuito que resuena a cierta frecuencia. Si esa frecuencia coincide o queda cerca de un armónico que producen los variadores u otras cargas (típicamente el 5.º o el 7.º), las corrientes y tensiones armónicas se amplifican: los condensadores se calientan y fallan, los fusibles se funden y la distorsión de tensión sube en toda la planta. Se evita con reactores de desintonía, filtros sintonizados o cambiando el tamaño de la compensación, a partir de un estudio de armónicos.
Qué es la resonancia en un banco
Un banco de condensadores no está solo: está conectado a una barra que se alimenta a través de un transformador y de la red del operador. Esa fuente tiene inductancia. Un condensador y una inductancia forman un circuito que resuena a una frecuencia determinada: allí la impedancia vista desde la barra se vuelve muy alta (resonancia paralelo).
A la frecuencia de la red no pasa nada especial. El problema son los armónicos: los variadores, rectificadores y fuentes electrónicas inyectan corrientes a 5, 7, 11, 13 veces la frecuencia fundamental. Si una de esas frecuencias coincide o queda cerca de la resonancia, la corriente armónica encuentra una impedancia alta y produce una tensión armónica grande. Esa tensión empuja a su vez una corriente armónica alta entre el banco y el transformador. El resultado se llama amplificación armónica.
Dónde cae la resonancia
Una aproximación clásica de ingeniería ubica el orden armónico de resonancia en:
h ≈ √(Scc / Qc)
donde Scc es la potencia de cortocircuito en la barra y Qc la potencia reactiva del banco conectada. Con una barra de 20 MVA de cortocircuito y 500 kVAr conectados, h ≈ √40 ≈ 6,3: entre el 5.º y el 7.º armónico, justo donde los variadores de seis pulsos inyectan más.
La fórmula explica dos cosas que se ven en campo:
- En un banco automático la resonancia se mueve. Cada paso que entra baja la frecuencia de resonancia. Un banco puede funcionar bien con dos pasos y entrar en resonancia con el quinto.
- Cambios en la red la mueven también. Un transformador nuevo, un cambio de configuración del operador o la conexión de otro banco cambian Scc o Qc.
El cálculo exacto requiere modelar la red con sus impedancias, las cargas y los otros bancos: es el núcleo de un estudio de armónicos.
Síntomas
| Síntoma | Por qué ocurre |
|---|---|
| Condensadores abombados, calientes o con fugas | Corriente armónica y sobretensión por encima de su capacidad |
| Fusibles del banco que se funden sin falla visible | Corriente eficaz alta por armónicos amplificados |
| La distorsión de tensión sube al conectar ciertos pasos | La resonancia se acercó a un armónico presente |
| Variadores, PLC o fuentes con fallas en ciertas horas | Tensión distorsionada en la barra |
| Transformador más caliente y ruidoso | Corrientes armónicas amplificadas que pasan por él |
| Disparos de interruptores del banco | Sobrecarga o picos de tensión |
Hay un segundo mecanismo, menos frecuente en plantas: la resonancia serie. El banco y el transformador forman un camino de baja impedancia para un armónico que ya está en la red del operador, y el banco absorbe distorsión ajena. Se nota cuando el banco se sobrecarga aunque la planta tenga pocas cargas no lineales.
Cómo se evita
- 01MediciónDistorsión de tensión y armónicos del banco con distintos pasos conectados
- 02ModeloImpedancia de la red frente a la frecuencia, con cada paso del banco
- 03OpciónDesintonía, filtro sintonizado, filtro activo o cambio de tamaño
- 04VerificaciónMedición después de la corrección y límites en el punto de conexión
- Reactores de desintonía. Un reactor en serie con cada paso lleva la resonancia de ese paso por debajo del armónico más bajo presente. El grado de desintonía se expresa como un porcentaje p (la reactancia del reactor frente a la del condensador) y la resonancia del paso queda en h = 1/√p: con p = 7 %, en h ≈ 3,8. El valor de p se elige según los armónicos medidos; si hay mucho tercer armónico, se necesita una desintonía mayor.
- Filtros sintonizados. Se ajustan cerca de un armónico concreto para absorberlo, a la vez que entregan reactiva. Reducen la distorsión, pero deben diseñarse con cuidado porque crean una resonancia paralelo a una frecuencia menor.
- Filtros activos. No tienen resonancia propia y compensan varios armónicos; no sustituyen por sí solos la reactiva de un banco grande. Vea filtro de armónicos activo o pasivo.
- Cambiar el tamaño o la ubicación del banco, o la secuencia de pasos, cuando el estudio lo permite.
Un detalle importante: los condensadores de un banco desintonizado trabajan a una tensión mayor que la de la red, por el reactor en serie. Se eligen con una tensión nominal adecuada; cambiar solo el reactor de un banco existente no basta.
No es solo un problema del banco
Un banco en resonancia degrada la tensión de toda la planta. Y en Colombia, la Resolución CREG 016 de 2007 establece que, cuando el operador de red detecta una deficiencia en la calidad de la potencia, identifica al usuario que la causa y acuerda con él un plazo para corregirla; si no se corrige, puede desconectar el equipo causante o la carga. La distorsión en el punto de conexión se evalúa con los límites que exige el operador, normalmente basados en IEEE 519.
La causa casi siempre está en los variadores; vea armónicos de variadores de frecuencia. La compensación de reactiva en una planta con variadores debe diseñarse con los armónicos en mente desde el principio; vea banco de condensadores automático o fijo.
Cómo le ayudamos
Nuestro equipo hace el estudio de armónicos y resonancia de su planta: analizamos las mediciones, modelamos la impedancia de la red con cada paso del banco, elegimos la desintonía o el filtro y verificamos la solución frente a los límites del punto de conexión. El estudio lo hacemos de forma remota con sus mediciones; en Colombia también medimos y probamos el banco en sitio. Conozca nuestro servicio de calidad de potencia y escríbanos.
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Referencias
- IEEE 519-2022, Standard for Harmonic Control in Electric Power Systems.
- IEEE 1531, Guide for the Application and Specification of Harmonic Filters.
- IEEE 18, Standard for Shunt Power Capacitors.
- IEC 60831-1, condensadores de potencia autorregenerables para sistemas de corriente alterna hasta 1000 V.
- CREG, Resolución 016 de 2007, calidad de la potencia eléctrica en los sistemas de distribución.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se queman los condensadores de mi banco?
Las causas más comunes son la resonancia con los armónicos de la planta, una tensión de servicio más alta que la nominal del condensador, temperatura excesiva en el tablero y maniobras con el condensador todavía cargado. Si los fallos coinciden con la entrada de variadores o con ciertos pasos del banco, la sospecha principal es la resonancia.
¿Qué es una reactancia de desintonía?
Es un reactor en serie con cada paso del banco que lleva la frecuencia de resonancia del conjunto por debajo del armónico más bajo presente en la planta. Así el paso se comporta como inductivo para los armónicos y no puede resonar con ellos, mientras sigue entregando reactiva a la frecuencia de la red.
¿Cómo sé si mi banco está en resonancia?
Midiendo con un analizador de calidad de potencia la distorsión de tensión y las corrientes armónicas del banco con distintos pasos conectados. Si la distorsión de tensión sube al conectar ciertos pasos y la corriente del banco tiene armónicos mucho mayores de lo esperado, hay resonancia o está cerca.