Al maniobrar un banco de capacitores circulan corrientes transitorias de miles de amperios y de cientos a miles de hercios. Esas corrientes inducen en el secundario del transformador de corriente una tensión muy alta que la saturación no limita, y estresan los transformadores de tensión, los relés y los cables de control. IEEE C37.99-2000 pide limitadores en los secundarios, elegir bien la puesta a tierra del banco y cuidar el tendido y apantallamiento de los cables.
Respuesta corta
Cada vez que se maniobra un banco de capacitores circulan corrientes transitorias muy altas y de alta frecuencia por las barras del banco, sus conexiones a tierra y la malla de la subestación. Esas corrientes llegan a los transformadores de corriente (TC) y de tensión (TP) del banco y a los cables de control, y pueden dañar devanados, relés e instrumentos.
IEEE C37.99-2000 (cláusulas 10.4 a 10.7) pide proteger los secundarios con limitadores de tensión, elegir la puesta a tierra del banco con criterio y cuidar el tendido de los cables de control.
Qué corrientes aparecen
La norma describe cuatro situaciones al maniobrar un banco:
| Caso | Pico | Frecuencia y dI/dt |
|---|---|---|
| Resistencias de preinserción (pulso amortiguado) | 1000 a 3000 A | Subida de 1 µs, caída de unos 600 µs; unos 3000 A/µs |
| Cierre que cortocircuita la resistencia | 1000 a 2500 A | Oscilatoria, 1000 a 20 000 Hz; unos 100 A/µs |
| Sin preinserción | Típico 25 000 A de cresta | Oscilatoria, 1000 a 20 000 Hz |
| Inductores de preinserción | Menos de 3000 A | Cientos de hercios; menos de 10 A/µs |
Componentes similares se superponen a la corriente de falla a 60 Hz en fallas del banco, de la barra y de líneas cercanas. También aparecen transitorios de varios megahertz por ondas viajeras en la barra del banco.
La preinserción de resistencias baja el pico y elimina la oscilación, pero no reduce el dI/dt inicial, que depende solo de la tensión entre contactos antes de cerrar y de la inductancia del lazo: dI/dt = V / L. Ese valor indica el potencial de interferencia en circuitos de control cercanos.
Con corriente y frecuencia tan altas aparecen diferencias de potencial en la malla, y los cables de control cercanos sufren interferencia inductiva.
La corriente que origina estos transitorios se explica en maniobra de un banco; cómo la tratan los relés de sobrecorriente, en sobrecorriente y falla de interruptor en un banco.
Transformador de corriente
Por qué se genera tensión en el secundario
La corriente transitoria que atraviesa el primario del TC produce una tensión de interferencia en modo transversal en su secundario. No se induce por acoplamiento parásito: es la acción normal del transformador. A esas frecuencias, la reactancia de la carga puede ser más de 100 veces la de 60 Hz. Unas pocas centenas de amperios pueden producir tensiones muy altas en cargas inductivas.
A veces se dice que la saturación del TC evita esas tensiones. La norma indica que no es así: el producto tensión por tiempo de cada semiciclo es pequeño frente al que se necesita para saturar el núcleo a 60 Hz.
Ejemplo propio
Banco de 30 Mvar, 115 kV, en estrella con tierra, con falla fase a tierra cercana. La inductancia del lazo barra-tierra es de 300 µH. Con las ecuaciones de la norma:
- Capacitancia del banco: unos 6,0 µF.
- Frecuencia de oscilación: unos 3750 Hz.
- Corriente pico de descarga: unos 13 300 A.
- Con un TC de 600:5 (relación 120), la corriente pico en el secundario es de unos 111 A.
- Si la carga del TC es 1 + j1 Ω a 60 Hz, a 3750 Hz su reactancia es de unos 62 Ω.
- La tensión pico en el secundario resulta del orden de 6900 V.
Esa tensión es demasiado alta para los relés, los instrumentos y el aislamiento del secundario, y explica por qué se exige protección.
Qué pide la norma
- Varistores de alta capacidad de corriente o explosores en los bornes del secundario. Con primario devanado, también puede hacer falta un explosor o un pararrayos en el primario.
- Un varistor con energía suficiente, cuya corriente pico no lo lleve a la zona de alza de su curva V/I.
- Menor corriente secundaria, con la relación y la carga del TC, y sin componentes inductivos en la carga. Los relés de estado sólido ayudan porque su carga es baja y casi resistiva.
- Relés con un filtro que excluya la corriente de descarga de kilohertz, o diseñados para ignorarla.
Para el TC de neutro, la norma considera conservador un aislamiento de 0,2 veces la tensión de fase a tierra del sistema; se han usado TC de 0,1 sin problemas. No recomienda poner a tierra el secundario en el TC, porque llevaría el potencial transitorio del banco al cable y a la sala de relés. Si los polos del interruptor no operan a la vez, el TC de neutro puede recibir corriente de fase completa, por tiempo indefinido si uno o dos polos no operan.
El TC del neutro del esquema de estrella a tierra es el caso crítico. Los fundamentos están en transformador de corriente y en saturación del CT.
Transformadores de tensión
Un transformador de tensión, un divisor capacitivo o un dispositivo de potencial que va del neutro del banco a tierra para detectar desbalance debe soportar tensiones de maniobra de 0,5 a 2,5 veces la tensión de fase a neutro del sistema (cláusula 10.4). A tensiones altas se necesitan transformadores de mayor relación, y eso puede dejar insensibles los métodos de desbalance por tensión de neutro.
La cláusula 10.6.2 trata las diferencias de potencial en el área del banco:
- Puesta a tierra en península, con buen apantallamiento y tendido de cables, protege mejor las fuentes de tensión que la de un solo punto. Su costo mayor puede justificarse en bancos grandes de extra alta tensión.
- Puesta a tierra de un solo punto: el potencial transitorio del neutro ronda 0,25 del de la barra del banco. Un transformador que mide la tensión de barra a neutro debe ser de dos bornes para poner su caja a la malla. Si fuera de un borne con la caja unida al neutro del banco, el transitorio quedaría entre la caja y el secundario, y el aislamiento del secundario podría fallar.
- Resonancia propia. Los transformadores magnéticos de alta y extra alta tensión suelen resonar entre 500 y 2000 Hz. Si la maniobra coincide con esa frecuencia, el transitorio se amplifica y puede afectar los relés. Una resistencia en serie o en paralelo con el secundario amortigua la oscilación.
Relés
La maniobra genera los transitorios de megahertz de cualquier maniobra de alta tensión y los de kilohertz propios de los capacitores. La protección de los relés debe ser eficaz contra ambos:
- El tendido, el apantallamiento, la puesta a tierra y el aislamiento de los cables reducen la interferencia en modo común, tanto en megahertz como en kilohertz.
- Los filtros pasivos de entrada sirven en megahertz, pero no en kilohertz: serían muy grandes y cargarían los TC y TP.
- En kilohertz la interferencia es más fuerte en modo transversal. La norma indica filtrarla de otro modo, por ejemplo con filtros activos en el procesamiento analógico del relé.
- Todas las entradas de corriente alterna se protegen con varistores o explosores.
Cables de control
La cláusula 10.7 pide:
- Retirar de la zona del banco los ductos, canaletas o cables enterrados que no sean del control o la protección del banco.
- Tender los cables de los TC de neutro y de los TP en ángulo recto respecto al neutro común, con puesta a tierra de un solo punto, o paralelos al enlace con la malla, si es en península.
- Apantallar los cables y usar una configuración radial: circuitos completos dentro de un mismo cable, sin lazos inductivos.
- Mantenerlos lo más cerca posible de los conductores de la malla (como mínimo cobre 4/0). Con puesta a tierra en península es obligatorio.
- Poner a tierra la pantalla en varios puntos, y al menos en un extremo los conductores de reserva.
La pantalla exterior se conecta normalmente a tierra en ambos extremos.
La conexión a la malla de los cables y el neutro se explican en puesta a tierra del banco, neutro y malla. Los TP de neutro se tratan también en transformador de tensión inductivo.
Errores frecuentes
- Poner a tierra el secundario del TC de neutro en el TC. Lleva el transitorio del banco a la sala de relés.
- Varistor demasiado pequeño. Deja de limitar o se cortocircuita y deja el desbalance fuera de servicio.
- Cables de otros circuitos en la zona del banco. Reciben la interferencia de cada maniobra.
Qué hacemos en Tiza Group
En pruebas y puesta en servicio revisamos los TC, TP, cables de control y la puesta a tierra de su banco antes de energizar, y comprobamos cómo se comportan los secundarios durante las maniobras. 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 10.4 a 10.7, Figuras 46 a 49.
- IEEE Std C37.90.1-1989, sobre la resistencia de los relés a las sobretensiones transitorias, citada por la norma.
Preguntas frecuentes
¿Por qué la saturación del TC no limita la tensión del secundario durante la maniobra de un banco?
Porque el producto tensión por tiempo de cada semiciclo de la oscilación de alta frecuencia es pequeño frente al que hace falta para saturar el núcleo a 60 Hz. La tensión se produce por la acción normal del transformador, sobre todo con cargas inductivas.
¿Qué puesta a tierra del banco protege mejor los transformadores de tensión?
IEEE C37.99-2000 indica que una puesta a tierra en península, junto con un buen apantallamiento, puesta a tierra y tendido de los cables de control, protege mejor las fuentes de tensión de corriente alterna que la puesta a tierra de un solo punto. El costo mayor puede justificarse en bancos grandes de extra alta tensión.
¿Sirven los filtros pasivos de las entradas de un relé contra estos transitorios?
No. Los filtros pasivos contra sobretensiones de las entradas son muy eficaces en megahertz, pero no contra los transitorios de kilohertz de la maniobra de capacitores. La norma indica lograr el filtrado de otra forma, por ejemplo con filtros activos en el procesamiento analógico del relé, y proteger las entradas con varistores o explosores.