Sobrecorriente y falla de interruptor en un banco

Respuesta corta

La sobrecorriente protege al banco de capacitores de las fallas grandes, pero no ve el arco ni las fallas internas pequeñas. Al energizar un banco en estrella con tierra, la corriente de carga puede acercarse al nivel de disparo de tierra y producir disparos falsos. IEEE C37.99-2000 también describe la falla de interruptor del banco, con disparo de los interruptores vecinos tras un retardo, y el papel de los pararrayos.

Respuesta corta

La sobrecorriente cubre las fallas grandes de un banco de capacitores: fase con fase o fase con tierra. No cubre bien las fallas pequeñas dentro del banco ni el arco, que son tarea de la protección de desbalance. Al energizar el banco, la corriente de carga puede parecer una falla a tierra. Si el interruptor del banco no abre, la protección de falla de interruptor (50BF) aísla el banco disparando los interruptores vecinos.

IEEE C37.99-2000 trata estos puntos en las cláusulas 7.2.1, 7.2.3, 7.2.6 y 7.2.7.

Qué cubre la sobrecorriente y qué no

La norma separa dos tipos de falla:

Falla mayor, como fase con fase o fase con tierra. Exige protección externa al banco: fusibles de potencia, interruptores o circuit switchers con sus relés. Para la mejor protección, los relés se ajustan lo más bajo y rápido posible, con el retardo justo para no disparar por perturbaciones externas del sistema.
Arco externo dentro del banco. La sobrecorriente no suele ser sensible a un arco en el banco y, si lo detecta, es normalmente muy lenta. Allí manda la protección de desbalance. En bancos grandes, la norma sugiere una protección de desbalance redundante y una de corriente de desbalance o de secuencia negativa.

En bancos grandes de muy alta tensión, la norma muestra dos juegos de relés de sobrecorriente trifásicos 50/51, con función instantánea y de tiempo corto, como protección redundante contra cortocircuitos dentro del banco.

El arco que la sobrecorriente no ve se trata en arco externo y fallas de bastidor; la protección de tensión que la acompaña, en protección de tensión del banco (59, 59B y 27B).

Los puntos de la sobrecorriente según la norma

Tema	Criterio de IEEE C37.99-2000
Arranque mínimo de tiempo inverso	Deseable 135 % de la corriente nominal de fase en bancos en estrella con tierra y 125 % en bancos sin tierra
Instantáneo	Si se usa, debe ajustarse alto para pasar los transitorios de entrada (inrush) y de salida (outrush)
Relés con filtro de fundamental	Los relés modernos con filtro pasabanda a frecuencia fundamental no son sensibles al inrush ni al outrush
Relé de neutro 51N con burden bajo	Reduce las tensiones altas en el secundario del transformador de corriente por la corriente de salida de alta frecuencia durante una falla externa
Sistema sin puesta a tierra efectiva y banco sin tierra	La 51N se ajusta a una derivación baja para detectar y despejar rápido fallas a tierra de poca magnitud
Sistema con puesta a tierra efectiva y banco en estrella con tierra	La corriente de salida a una falla externa no suele operar la 51N, pero la carga desbalanceada del banco por esa falla puede hacerla arrancar si se ajusta muy baja. Su disparo se ajusta por encima de la corriente de fase del capacitor

Estas son referencias de la norma y no el ajuste de su relé. El ajuste real depende de su banco, de sus transformadores de corriente y de su red.

Energización: la corriente que parece una falla

Cada vez que se energiza un banco grande en estrella con tierra, las corrientes momentáneas de carga de los capacitores, en una fase y en el neutro, pueden acercarse al nivel de disparo por falla a tierra. Cuando ya hay un banco en paralelo energizado, esas corrientes pueden ser del orden de miles de amperios.

La norma lista las consecuencias posibles:

Operaciones espurias de los relés.
Fallas de relés.
Fallas de transformadores de corriente.
Cercas de la subestación con tensión.
Problemas en la malla de tierra.

Para limitar el problema, la norma pide que la conexión de neutro entre varios bancos no pase por la malla de tierra. Debe usarse una puesta a tierra de un solo punto o en península. Los mismos transitorios también llegan a los transformadores de corriente y a los cables de control.

Esa corriente y sus límites están en maniobra de un banco, y su efecto sobre los TC y los relés, en transitorios de maniobra en TC, TP y circuitos de control.

Falla del interruptor del banco

Si el dispositivo de maniobra del banco es un interruptor o un circuit switcher, la norma contempla un esquema de falla de interruptor como respaldo local. Si el dispositivo falla, el banco se aísla disparando, tras un retardo, los interruptores adyacentes conectados a él. En algunos casos puede hacer falta un disparo remoto.

Secuencia de la falla de interruptor del banco

Falla en el banco. El relé de protección ordena disparar el interruptor del banco
El interruptor no abre. La corriente sigue y un elemento de sobrecorriente lo confirma
Arranca la falla de interruptor. La inicia un relé auxiliar y cuenta un retardo
Disparan los interruptores adyacentes. El banco queda aislado del sistema
Disparo remoto si hace falta. Orden al extremo remoto cuando el aislamiento local no basta

Dos precauciones de la norma:

La detección de falla de interruptor se inicia con relés auxiliares. Los esquemas usuales supervisan el arranque del temporizador con un elemento de sobrecorriente, o supervisan la salida del temporizador.
Esos elementos de sobrecorriente deben operar con todos los tipos de falla del banco, incluidas corrientes menores que la nominal. Un nivel de fase del 50 % de la corriente nominal normal del banco se considera, en general, adecuado en bancos con y sin tierra.

La norma pide además comprobar la capacidad de maniobra de corrientes capacitivas de los interruptores adyacentes que dispararán. Esa capacidad se explica en clases C1 y C2.

Pararrayos

Las sobretensiones de rayo y de maniobra se controlan con pararrayos estándar. El banco absorbe sobretensiones porque, para cambios bruscos de tensión, se comporta un instante como un cortocircuito. Las sobretensiones alrededor del banco se reducen mucho, pero la protección no es completa. La sobretensión sobre el banco depende de la longitud de línea entre el banco y el punto donde se genera el transitorio, y de la duración del impulso. Más sobre el equipo en descargador de sobretensiones.

Errores frecuentes

Esperar que la sobrecorriente detecte un arco dentro del banco. Para eso está el desbalance.
Ajustar la 51N muy baja en un banco con tierra. La carga desbalanceada de una falla externa la hace disparar sin falla en el banco.
Unir los neutros de varios bancos a través de la malla. Aumenta los transitorios en la malla y en los secundarios.
No revisar los interruptores adyacentes. El esquema de falla de interruptor depende de su capacidad de maniobrar corrientes capacitivas.

Qué hacemos en Tiza Group

En la configuración remota de relés revisamos la sobrecorriente, la 51N y la falla de interruptor de su banco y su coordinación con la protección de desbalance. Escríbanos por contacto y le cotizamos la revisión.

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Referencias

IEEE Std C37.99-2000, IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks, cláusulas 7.2.1, 7.2.3, 7.2.6 y 7.2.7, Figura 6.

Preguntas frecuentes

¿Por qué la sobrecorriente no protege a un banco de capacitores de un arco interno?

Porque no es sensible a un arco dentro del banco y, si detecta algo, lo hace tarde. IEEE C37.99-2000 asigna esa tarea a la protección de desbalance y, en bancos grandes, a una protección de desbalance redundante o a una de corriente de secuencia negativa.

¿Por qué dispara la protección de tierra cuando se energiza un banco en estrella con tierra?

Porque la corriente de carga de los capacitores, en una fase y en el neutro, puede acercarse al nivel de disparo por falla a tierra durante un instante. Si ya hay otro banco energizado en paralelo, la corriente puede ser del orden de miles de amperios.

¿Qué pasa con los interruptores vecinos cuando falla el del banco?

Si el interruptor del banco no abre, la protección de falla de interruptor dispara los interruptores adyacentes que alimentan el banco, tras un retardo. En algunos casos se requiere un disparo remoto. La norma recuerda verificar que esos interruptores soporten la maniobra de corrientes capacitivas.