BANCOS DE CAPACITORES

M.C. CARLOS MORÁN RAMÍREZ

M.C. MIGUEL JIMÉNEZ GUZMÁN

Definiciones

back-to-back capacitor bank switching (or back-to-back switching or back-to-back capacitor switching):

Switching a capacitor bank in close enough electrical proximity to one or more other energized capacitor banks

and/or cables to influence the inrush current significantly.

capacitor bank: An assembly at one location of capacitor(s) and all necessary accessories (such as switching

equipment, protective equipment, controls, etc.) required for a complete operating installation.

capacitor control: The device required to operate the switching device(s) automatically to energize and deenergize

shunt power capacitor banks.

capacitor element (or element): The basic component of a capacitor unit consisting of two electrodes separated

by a dielectric.

capacitor inrush current (or inrush current): The transient charging current that flows in a capacitor when a

capacitor is initially connected to a voltage source.

capacitor line fuse (capacitor group fuse): A fuse applied to disconnect a faulted phase of a capacitor bank from

a power system.

Definiciones…

capacitor outrush current (or outrush current): The transient discharge current that flows when an energized

capacitor bank is initially connected to an external short circuit.

capacitor unit (capacitor, power capacitor): An assembly of dielectric and electrodes in a container (case), with

terminals brought out, that is intended to introduce capacitance into an electric power circuit.

discharge device: An internal or external device intentionally connected in shunt with the terminals of a capacitor for

the purpose of reducing the trapped voltage after the capacitor is disconnected from an energized line.

externally fused capacitor bank: A capacitor bank with fuses external to the (power) capacitor units.

filter capacitor: Capacitor(s) utilized with inductors and/or resistors for controlling harmonic voltages and currents in

the power system.

fixed capacitor bank: A capacitor bank not designed for automatic or frequent switching.

fused capacitor: A capacitor having fuses mounted on its terminals, inside a terminal enclosure, or inside the capacitor

case, for the purpose of disconnecting a failed capacitor element, unit, or group.

Definiciones…

fuseless capacitor bank: A capacitor bank without any fuses, internal or external, which is constructed of (parallel)

strings of series-connected capacitor units.

individual capacitor fuse: A fuse applied to disconnect an individual faulted capacitor unit from its bank.

internal fuse of a capacitor: A fuse connected inside a capacitor unit, in series with an element or a group of elements.

internally fused capacitor (unit): A capacitor unit that includes internal fuses.

kilovar (1000 vars): The practical unit of reactive power, equal to the product of the root-mean-square (RMS) voltage

in kilovolts (kV), the RMS current in amperes (A), and the sine of the angle between them.

phase-over-phase: A capacitor bank construction on one structure, with the individual phases (or legs for delta

connected capacitor banks) of the capacitor bank installed above each other and insulated from each other.

Definiciones…

parallel-(element)-connected capacitor (unit): A capacitor unit with the elements connected in parallel groups, with

the parallel groups connected in series between the line terminals (Figure 1).

series-(element)-connected capacitor (unit): A capacitor unit with the elements connected in series with each other

between the line terminals, with one or more such series strings within a capacitor unit (Figure 1).

Figure 1 —Capacitor unit design

Definiciones…

switched capacitor (switched capacitor bank): A capacitor bank designed for controlled operation and/or frequent

switching.

thyristor-controlled reactor (TCR): A reactor whose effective value is changed by controlling the flow of current by

phase-controlling the turn-on signal to the thyristors.

thyristor-switched capacitor (TSC): A capacitor switched ON and OFF by thyristor control action.

unfused capacitor bank: Any capacitor bank without fuses, internal or external.

unfused capacitor (unit): A capacitor without any internal fuses.

Principios y Funcionamiento

La función de un capacitor Shunt que se aplica como una sola unidad o un grupo de unidades es disminuir los

kVAr reactivos al sistema en el punto donde se conectan.

Un capacitor Shunt tiene el mismo efecto que un condensador síncrono sobreexcitado.

Estos suministran los kVAr necesarios para contrarrestar el desfase de los componentes de un motor de

inducción.

Fig. 1 Capacitor Shunt suministra KVAR requeridos por un motor de inducción

El capacitor Shunt aplicado a la carga final de un circuito disminuye el suministro de carga incremente el

factor de potencia y disminuye sus efectos.

Una de las razones de su aplicación es que mejora la regulación de voltaje, incrementa el factor de potencia,

disminuye la carga para la fuente de generación y libera la condición de sobrecarga en transformadores.

Un capacitor es una carga paralela (shunt) estática del sistema, es eminentemente reactiva y adelanta 90

grados la corriente contra la tensión.

Su potencia depende de la tensión aplicada a sus terminales (impedancia fija), si la tensión aplicada a él

aumenta o disminuye su potencia varia en forma cuadrática, se utiliza para compensación reactiva y soporte

de voltaje.

El capacitor Shunt afecta a todos los equipos eléctricos y los circuitos que están instalados de lado fuente.

Para la determinación de la cantidad de Capacitores necesarios, se requiere conocer las condiciones

iníciales sin capacitores.

Los capacitores Shunt se aplican en grupos que van de una unidad capacitiva de 15 kVAr a grandes bancos

de estas unidades estándares de más de 20,000 kVAr.

Muchos bancos pequeños de 45 kVAr a 360 kVAr son instalados en circuitos de distribución. Bancos de 520

kVAr hasta cerca de 3,000 kVAr son comunes en la subestaciones de distribución en tamaños moderados.

Al aplicar un banco o un grupo de bancos capacitivos en el sistema proporcionamos los reactivos requeridos

por la carga en este sitio evitando:

• Generarlos (que significa el consumo de energía primaria y pérdida de capacidad en generadores).

• Trasladarlos desde los puntos de generación con las perdidas correspondiente (i2t).

• La pérdida de capacidad de transmisión y transformación, si se logra compensar la carga la corriente:

i= ir+jix tendería a ser únicamente i=ir

• Se evitaría la caída de tensión al disminuir la corriente i

• La aplicación de compensación capacitiva permite incrementar la capacidad de transmisión de

potencia activa (soporte de voltaje).

El funcionamiento de un capacitor en un banco se cuenta con un arreglo de varias celdas en serie y en

paralelo para lograr la capacidad en potencia y tensión deseada, por ejemplo en un banco para 115 kV el

arreglo normal es de 5 celdas en serie (cada una de 13.28 kV para dar una capacidad total de 66.02 kV ó

115/(3)).

Corrientes Activas y Corrientes Reactivas

En las redes eléctricas de corriente alterna, pueden distinguirse dos tipos fundamentales de cargas: Cargas

resistivas y Cargas Reactivas.

Las cargas resistivas toman corrientes que se encuentran en fase con el voltaje aplicado a las mismas.

Debido a esta circunstancia, la energía eléctrica que consumen se transforma íntegramente en trabajo

mecánico, en calor no en cualquier otra forma de energía. Este tipo de corrientes se conocen como

corrientes activas.

Las cargas reactivas ideales toman corrientes que se encuentran desfasadas 90° con respecto al voltaje

aplicado y por consiguiente, la energía eléctrica que llega a las mismas no se consume en ellas, sino que se

almacena en forma de un campo eléctrico o magnético, durante un corto periodo de tiempo (un cuarto de

ciclo) y se devuelve a la red en un tiempo idéntico al que tardo en almacenarse.

Este proceso se repite periódicamente, siguiendo las oscilaciones del voltaje aplicado a la carga. Las

corrientes de este tipo se conocen como corrientes reactivas.

Una carga real siempre puede considerarse como compuesta por una parte puramente resistiva, dispuesta

en paralelo con otra parte reactiva ideal.

En cargas tales como las ocasionadas por lámparas de incandescencia y aparatos de calefacción, la parte de

carga reactiva puede considerarse como prácticamente nula, especialmente a las bajas frecuencias que son

normales en las redes eléctricas industriales (50 o 60 Hz); son cargas eminentemente resistivas y por

consiguiente, las corrientes que toman son prácticamente corrientes activas.

Sin embargo, en las cargas representadas por líneas de transmisión y distribución, transformadores,

lámparas fluorescentes, motores eléctricos, equipos de soldadura eléctrica, hornos de inducción, bobinas de

reactancia, etc., la parte reactiva de la carga suele ser de una magnitud comparable a la de la parte

puramente resistiva.

En estos casos, además de la corriente activa necesaria para producir el trabajo, el calor o la función

deseada, la carga también toma una parte adicional de corriente reactiva, comparable en magnitud a la

corriente activa.

Esta corriente reactiva, si bien es indispensable, principalmente para energizar los circuitos magnéticos de

los equipos mencionados anteriormente, representa una carga adicional de corriente para el cableado de las

instalaciones industriales, los transformadores de potencia, las líneas eléctricas e incluso los generadores.

En el caso particular de las instalaciones industriales, la corriente reactiva total, necesaria para energizar

todos los circuitos magnéticos de la maquinaria eléctrica de una planta, suele ser de carácter inductivo; es

decir, esta corriente se encuentra desfasada 90° en atrasó con respecto al voltaje.

Fig. 2 Esquema de alimentación eléctrica de una planta industrial.

Efectos Fundamentales

Para ilustrar los efectos de los capacitores Shunt, considera un circuito de

100 kVA tiene que suministrar una carga de 100 kVA de un equipo.

Añadiendo un capacitor shunt a la carga, los kVA de la fuente se reducen

significativamente.

El aumento de capacitores disminuye la corriente llevada por el circuito a

la fuente (fig. D).

Fig. 3 Efectos Fundamentales de un Capacitor Shunt en un circuito de Potencia

Los capacitores se aplicaron para dar una reducción a la carga de I2R y I2X perdida en el circuito en el circuito

de fuente de acuerdo con la Figura.

Fig. 4 Reducción de pérdidas en los circuitos fuente por Capacitores Shunt

Para una carga con 70% de factor de potencia con 40 kVAr de

capacitores agregados por cada 100 kVA de la capacidad del

circuito, el I2R y I2X la perdida será de 59% menos a su valor

anterior.

Esta perdida en el circuito particular que abastece la carga se puede

calcular directamente y puede ser un factor grande, particularmente

si la impedancia del circuito es alta.

Las pérdidas de la resistencia y la reactancia también se reducen en

todos los circuitos y transformadores e incluyen la fuente de

generadores.

Para ilustrar el efecto de capacitores shunt aplicado a una carga

grande, las curvas en la Figura demuestran donde se asume que el

voltaje del bus de la carga se mantiene constante a 4160 volts y el

voltaje del generador varia con la carga.

Fig. 5 Efecto de varias cantidades de Capacitores Shunt a plena carga ya media carga en un problema práctico de un sistema

3.2. Consideraciones Básicas de Capacitores de Potencia

La protección de los bancos de capacitores requieren el entendimiento de la terminología (Véase en la

Figura), las capacidades, y limitaciones de las unidades individuales de capacitores y del equipo eléctrico

asociado.

Cuatro tipos de conexiones o diseños en los bancos de capacitores pueden afectar la selección del

esquema de protecciones.

a) Externally-fused,

b) Internally-fused.

c) Fuseless, (may use multiple strings per phase)

d) Unfused.

3.3. Arreglos de las Unidades Capacitivas

3.3.1. Bancos de Capacitores de Fusibles Externos.

Los bancos de capacitores de Fusibles Externos en subestaciones están configurados usando una o más

grupos de serie de unidades capacitivas conectadas en paralelo por fase. Cada unidad capacitiva está

protegida típicamente por un fusible individual, externamente montado entre la unidad capacitiva y el fusible

del bus del banco capacitor. Ver la Figura 6(a). La unidad capacitiva puede ser diseñada para un alto voltaje

nominal porque el fusible externo es capaz de interrumpir fallas en alto voltaje. Sin embargo, el grado de Kvar

de la unidad capacitiva podría ser más pequeño porque el mínimo número de unidades en paralelo requeridas

que permiten que el banco permanezca en servicio con un fusible una unidad fuera.

Figure 2 —Wye connected capacitor bank—grounded or ungrounded

(a) Externally-fused

3.3.2. Bancos de Capacitores de Fusibles Internos.

La Figura 6(b) ilustra un típico banco de capacitores de fusibles interno en la unidad capacitiva. En general, los

bancos emplean Fusibles Internos de las unidades capacitivas, están configuradas con pocas unidades

capacitivas en paralelo y más grupos de unidades en serie que usar un banco con unidades capacitivas de

conexiones externas. Las unidades capacitivas son normalmente grandes porque una unidad completa no se

espera que falle. Un fusible interno es conectado en serie con cada elementó capacitor. Cada conexión interna

de la unidad capacitiva es construida con un gran número de elementos conectados en paralelo para formar

un grupo y con solo unos pocos grupos conectados en serie.

Figure 2 —Wye connected capacitor bank—grounded or ungrounded

(b) Internally-fused

3.3.3. Bancos de Capacitores Fusesles

Los bancos de condensadores en derivación sin fusibles se utilizan normalmente para aplicaciones donde la

falla (cortocircuito) de un elemento del condensador no causará un voltaje excesivo en los elementos

restantes de esa cadena. Esto es en 34,5kV o más. Las unidades de condensadores se diseñan

normalmente con dos bushings con los elementos aislados de la caja. Las unidades de condensadores están

conectadas en cadenas en serie entre fase y neutro (o entre terminales de línea para instalaciones en

estrella o monofásicas). La protección se basa en el elemento del condensador está fallando en un modo en

cortocircuito. La energía de descarga es pequeña porque no hay unidades de condensadores conectado

directamente en paralelo.

Figure 2 —Wye connected capacitor bank—grounded or ungrounded

(c) Fuseless (may use multiple strings per phase)

3.3.4. Bancos de Capacitores Unfused.

El Bancos de Capacitores no fusionado utiliza una conexión serie / paralelo de las unidades de

condensadores, similar a los bancos de condensadores con fusibles externos o internos. Este tipo de

condensadores no se ha utilizado mucho. Algunos usuarios han quitado los fusibles de los bancos de

condensadores con fusibles externos debido a operaciones excesivas y han terminado con un banco de

condensadores sin fusibles. El método no fusionado puede ser útil en bancos por debajo de 34,5 kV (donde

las cadenas en serie no son prácticas) o en bancos de condensadores de voltaje más alto con poca energía

en paralelo. Es posible que este diseño no requiera tantas unidades de condensadores en paralelo como un

banco con fusibles externos porque no se tiene en cuenta el voltaje en el fusible durante el funcionamiento.

Figure 2 —Wye connected capacitor bank—grounded or ungrounded

(d) Unfused

4. APLICACIONES DE LOS CAPACITORES Y TIPOS DE CONEXIONES.

Según normas americanas, se denominan capacitores de potencia de alta tensión aquellos cuyo voltaje

nominal oscila entre 2,400V y 19,920V, tomando cualquiera de los voltajes nominales entre fase y neutro de

las líneas de distribución de hasta 34.5 kV. Se fabrican en unidades monofásicas de 50 kVAr, 100 kVAr,

150kVAr, 200kVAr, 300kVAr y 400kVAr y en unidades trifásicas de 300kVAr, siendo las unidades monofásicas

de 100kVAr y 150kVAr, las de uso común.

Normalmente, los bancos de capacitores de alta tensión se conectan en estrella, en ambas combinaciones de

neutro flotante o neutro conectado a tierra.

La conexión en delta se reduce, prácticamente, a los bancos instalados en líneas de 2,400V. La razón

primordial de esta práctica, es el buscar una mayor economía en los fusibles de protección del banco de

capacitores.

La decisión de dejar el neutro flotante o conectado a tierra está sujeta, principalmente, a las consideraciones

siguientes:

• Conexión a tierra del sistema.

• Economía de los fusibles.

• Economía del dispositivo de conexión y desconexión.

• Calibración de los relevadores de protección del sistema.

• Interferencias por armónicas.

Fig. 13 Conexión en estrella con una sola fila de capacitores por fase. Apropiada para líneas de hasta 34.5 KV Fig. 14 Conexión en estrella, con varias filas de capacitores en

serie por fase. Apropiada para líneas de más de 34.5 KV.

Tipos de Conexiones

Existen varios tipos de conexiones más comunes para los bancos de capacitores. La conexión óptima

depende de la mejor utilización de los niveles disponibles del voltaje del capacitor, del fusible, y de la

reinstalación de la protección.

Estas conexiones se pueden utilizar para el diseño de banco capacitores con fusible externo, el diseño de

banco de capacitores con fusible interno, el diseño de banco de capacitores de Fuseless (si bastantes

elementos están conectados en serie para que un esquema de la protección sea aplicado), y el diseño de

banco de capacitores sin fusible.

Prácticamente todos los bancos de la subestación están conectados en estrella. Sin embargo, los bancos de

capacitores de distribución se pueden conectar en delta o estrella.

Algunos bancos utilizan una configuración de H en cada una de las fases con un transformador de corriente

en la rama de conexión para detectar la variación.

Figure 3 —Common capacitor bank connections

Corrección del Factor de Potencia por medio de Capacitores.

Una forma sencilla y económica de resolver estos inconvenientes y de obtener un ahorro considerable, en la

mayoría de los casos, es el instalar capacitores de potencia, ya sea en alta o en baja tensión.

Los capacitores de potencia conectados en paralelo a un equipo especial o a la carga que supone una

instalación industrial completa, representa una carga reactiva de carácter capacitivo, que toma corrientes

desfasadas 90°, en adelanto, respecto al voltaje.

Estas corrientes, al hallarse en oposición de fase con respecto a las corrientes reactivas del tipo inductivo,

tienen por efecto el reducir la corriente reactiva total que consume la instalación eléctrica en cuestión.

Fig. 17 Alimentación eléctrica de una planta industrial, con capacitores de potencia instalados en la misma.

La figura muestra una planta industrial con un banco de capacitores de potencia, de reactancia Xc, instalada

en paralelo con la carga global de la planta.

Fig. 18 Corriente reactiva y total de línea resultantes al instalar un banco de capacitores de potencia.

Conociendo la potencia activa KW (medida en kilowatts) que se consume en una instalación industrial y el cos

φ1, (factor de potencia) a que se opera, es fácil determinar la potencia en KVAR, del banco de capacitores que

es necesario instalar para aumentar el factor de potencia a un nuevo valor cos φ2, deseado.

Fig. 21 Método practico para corregir el factor de potencia.

En efecto, de la figura se deduce la relación:

Los valores de tg φ1 y tg φ2, se determinan a partir de los valores de cos α1 y cos φ2.

Cálculo del tamaño del capacitor

• La potencia reactiva del capacitor es: QC = QL – Q

• Del triángulo de potencias, Q = P Tan( f1 )

• Sustituyendo en la primer ecuación: QC = P (Tan f2 – Tan f1)

Por facilidad, el término (Tan f2 – Tan f1) se sustituye por una constante “K” la cual puede presentarse en

tablas para diferentes valores de factor de potencia, (ver Tabla 1).

Entonces, QC = P x K

Tabla. Factor o constante “K” que sustituye al término (Tan f2 – Tan f1)

Corrección del Factor de Potencia con un Banco de Capacitores

En caso de que las fluctuaciones de carga durante las horas de trabajo sean muy grandes, debe pensarse

en la conveniencia de instalar un banco desconectable, o con secciones desconectables que entren

automáticamente en servicio, siguiendo las fluctuaciones de demanda de potencia reactiva del sistema.

Para determinar si es necesaria la instalación de un banco de capacitores de este tipo, puede calcularse el

valor que va a tomar el factor de potencia en condiciones de carga mínima, suponiendo instalado un banco

fijo que corrige el factor de potencia al 85%, en condiciones de plena carga.

Si el resultado es un factor de potencia significativamente en adelanto, debe instalarse un banco

desconectable, o de secciones desconectables, que sea capaz de mantener un factor de potencia próximo

a la unidad, en cualquier condición de carga.

Otra solución, normalmente más cara, al caso de grandes fluctuaciones de carga, consiste en instalar los

capacitores junto a las cargas (compensación individual) y conectar y desconectar cada carga junto con sus

capacitores correspondientes.

2.1 INTRODUCCIÓN A BANCOS DE CAPACITORES Y SU SISTEMA DE PROTECCIÓN

BANCOS DE CAPACITORES

Se aplican en grupos que van de una unidad capacitiva de 15 KVAR agrandes bancos de más de 20 000 KVAR.

Circuitos de Distribución

Bancos de 45 KVAR a 360 KVAR.

Subestaciones de Distribución

Bancos de 520 KVAR a 3000 KVAR.

FUNCIONAMIENTO DE LOS BANCOS DE CAPACITORES.

Soporte de Voltaje Local.

Los capacitores suministran la potencia reactiva y reducen las pérdidas pormedio de la reducción de la corriente en equipos como las líneas detransmisión.

(sin capacitor)

Carga

Se requiere el entendimiento dela terminología, las capacidades,y limitaciones de las unidadesindividuales de capacitores y delequipo eléctrico asociado.

CONSIDERACIONES

BÁSICASProporcionar

soporte de voltaje local.

Proporcionar soporte de voltaje del sistema.

Mayor transferencia de energía.

Proporcionar una

conmutación rápida.

Evitar colapsos del voltaje.

Evitar la pérdida de

capacidad de transmisión y

transformación, si se logra

compensar la carga.

La corriente:

i= ir+jix tendería a ser únicamente i=ir.

La aplicación de compensación

capacitiva.

Incrementa la capacidad de transmisión de potencia activa.

DISEÑOS DE BANCOS DE CAPACITORES

EXTERNAMENTE CONECTADOS

INTERNAMENTE CONECTADOS

FUSELESS

UNFUSED

Estos diseños puedenafectar la selección delRelevador para elesquema de protecciones.

TAMAÑO DE BANCOS DE

CAPACITORESEl tamaño del banco de capacitores deberá determinarse

de manera que el voltaje del sistema no cambie más del

3% durante la conmutación.

Por medio de la siguiente fórmula, podemos conocer la

fluctuación del voltaje al momento de la conmutación.

CAPACIDAD NOMINAL DE LAS UNIDADES CAPACITIVAS.

IEEE Std 18-2012

Cuando se protege un banco de capacitores es importante conocer la capacidad que tiene el

banco de capacitores ante eventos inducidos por el sistema y contra fallas para que el sistema

de protecciones se pueda aplicar. La norma IEEE Std 18-2012 especifica lo siguiente:

“Los capacitores están diseñados para funcionar a su voltaje nominal o por debajo de él. Los

capacitores deben ser capaces de operar continuamente bajo el sistema de contingencia y

bajo las condiciones del banco, siempre que no se exceda ninguna de las siguientes

limitaciones:”

CAPACIDAD NOMINAL DE LAS UNIDADES CAPACITIVAS.

IEEE Std 18-2012

Voltaje RMS (terminal aterminal): 110% del valornominal. 120% del valor picoincluyendo armónicos,excluyendo transitorios.

Corriente: 135% del valornominal incluyendoarmónicos.

QPotencia reactiva: -0 al +10%del valor nominal (+15% paraunidades de capacitoresfabricados antes del año2000) medidos a 25°C.

Temperatura: -40°C a +40°Cpor 4 horas.

Externamente Conectados.

Con fusibles individuales para cada unidad capacitiva.

Internamente conectados.

Con cada elemento fusionado dentro de la

unidad capacitiva.

Fuseless.

Con unidades capacitivas conectadas en serie secuencialmente entre línea y neutro (o entre las líneas terminales).

Unfused.

Con las unidades capacitivas conectadas en una variedad

de arreglos en series y paralelo.

ARREGLOS DE

LAS UNIDADES

CAPACITIVAS.

BANCOS DE CAPACITORES DE FUSIBLES EXTERNOS.

Configuración.

• Serie de unidadescapacitivas conectadasen paralelo por fase.

Protección.

• Fusible individualmontado externamenteentre la unidadcapacitiva y el bus defusibles del banco decapacitores.

Funciones.

• El fusible externopermite interrumpirfallas de alto voltaje,tomando en cuenta elvoltaje nominal delbanco.

BANCOS DE CAPACITORES DE FUSIBLES INTERNOS.

Configuración.

•Pocas unidades capacitivas enparalelo y más grupos de unidadesen serie que los utilizados en losbancos de capacitores con fusiblesexternos.

Protección.

•Un fusible interno es conectado enserie con cada elemento capacitor.

•Cada conexión interna de la unidadcapacitiva es construida con ungran número de elementosconectados en paralelo para formarun grupo y con solo unos pocosgrupos conectados en serie.

BANCOS DE CAPACITORES FUSELESS (SIN FUSIBLES).

Configuración.

•Las unidades capacitivas seconectan en cadenas enserie entre fase y neutro (oentre terminales de líneapara instalacionesconectadas en triángulo omonofásicas).

Protección.•Basada en la falla del

elemento capacitivo amodo de cortocircuito.

Funciones.

•Usados para aplicacionespor arriba de 34.5 Kv.

•La unidad capacitiva esnormalmente diseñada condos Bushing con loselementos aislados de lacarcasa.

BANCOS DE CAPACITORES UNFUSED (NO FUSIONADO).

Configuración.

• Utiliza conexiones enserie/paralelo de lasunidades capacitivas.

• El voltaje a través de loselementos restantesaumentará más que en eldiseño con fusibles.

Funciones.

• Usado normalmente enbancos debajo de 34.5 kV oen bancos de capacitoresde mayor voltaje conenergía paralela.

TIPOS DE UNIDADES CAPACITIVAS

FALLA DE UN

CAPACITOR DE

POTENCIA.

IMPLICA UN CORTOCIRCUITO

ENTRE SUS PLACAS.

FORMA CLORURO DE HIDRÓGENO GASEOSO.

TANQUE DEL CAPACITOR PODRÍA

EXPLOTAR SI NO EXISTE UN MEDIO

ADECUADO DE INTERRUMPIR EL

CORTOCIRCUITO EN UN TIEMPO

SUFICIENTEMENTE PEQUEÑO.

SE GENERA ARQUEO QUE

DESCOMPONE EL DIELÉCTRICO

GAS SOMETIDO A PRESIÓN

2.2 MÉTODOS PARA LA PROTECCIÓN CON RELEVADORES DE DESBALANCE

La posibilidad de fallas hace imprescindible queen cualquier instalación de capacitores depotencia se planee la protección adecuada.

El objetivo primordial es mantener la continuidaddel servicio y proteger al personal y al equipo delas posibles consecuencias del fallo de uncapacitor.

Existen diversas maneras de proporcionarleprotección a los bancos de capacitores, algunasde ellas se describen a continuación.

Falla

s a

cum

ula

da

s p

or

ca

da

100

0

unid

ad

es

Porcentaje de fallas en operación, de capacitores de potencia.

PROTECCIÓN POR MEDIO DE FUSIBLES

Es considerada la protección más económica.Los fusibles se deben elegir de forma quecumplan lo siguiente:

• Mantener la continuidad del servicio.

• Evitar que el fallo de un capacitor pueda causardaños a otros capacitores del mismo banco, aotros equipos instalados en las proximidadesdel banco o incluso accidentes de personal.

• Proporcionar una indicación visual de la unidadfallada en caso de protección individual, o de lafase en que ha ocurrido el fallo en caso deprotección en grupo.

Para elegir un fusible destinado a proteger uncapacitor o grupo de capacitores deben tenerseen cuenta los siguientes factores:

1. Voltaje nominal de la instalación

2. Corriente nominal del capacitor o grupo decapacitores

3. Corriente que pasará por el fusible (corrientede falla) al fallar el capacitor protegido o unode los capacitores del grupo protegido.

El voltaje nominal del fusible debe ser adecuadoal voltaje de la línea. En general, el voltajenominal del fusible debe coincidir con el voltajenominal de los capacitores.

Debe procurarse que la corriente nominal delfusible exceda en un 65%, como mínimo, a lacorriente nominal del grupo de capacitores. Deesta forma, se prevé que el fusible no falle por elpaso de corrientes transitorias ocasionadas enlas operaciones de conexión y desconexión delbanco.

Protección por fusibles individuales:

• Proteger cada capacitor con su propio fusible.

• En caso de usar capacitores trifásicos, protegercada fase del capacitor con un fusible.

• Protección individual de capacitores trifásicos debaja tensión que no lleven instalados fusiblesinternos, la práctica normal consiste en instalardos fusibles por capacitor, en dos cualquiera desus fases.

Se limita a bancos de capacitores de un ciertotamaño en adelante, debido al desbalanceointerno de voltaje que se produce en un banco decapacitores al salir de operación algunasunidades.

Ventajas

Desconexión única del capacitor que presenta el fallo, para proporcionar continuidad.

Pequeña corriente nominal.

El fusible indica directamente la unidad fallada

Protección en grupo: Protege agrupamientosde capacitores, o fases completas de un banco decapacitores, con un solo fusible de grupo. Se usaen bancos cuyo pequeño tamaño no permite eluso de protección individual.

Al planear la instalación de fusibles de grupo debetenerse en cuenta lo siguiente:

a) En cualquier caso, el fusible debe ser capazde interrumpir la corriente de falla que vaya asoportar en un tiempo inferior a 300 segundos.

b) Cuando la corriente de falla del capacitorexcede los 3000 A, los fusibles de grupodeben ser complementados con fusiblesindividuales.

Los beneficios de la protección con fusibles puedequedar limitada en bancos de capacitores para losque se prevean operaciones de mantenimientomuy esporádicas, esto debido al peligro querepresenta un sobrevoltaje excesivo originado porel fallo y desconexión de un cierto número decapacitores en dichos bancos.

Para evitar este peligro y como sistema deprotección se utiliza la protección por relevadores,también llamada sistema de protección pordesbalanceo.

PROTECCIÓN POR MEDIO DE RELEVADORES DE DESBALANCE

•Capaz de operar el banco decapacitores con carga

Interruptor o juego de interruptores

•De corriente o potencialTransformador o juego de

transformadores

•De corriente o de voltajeRelevador o juego de relevadores

•Estos métodos responden alos desbalances de lasseñales medidas causadaspor cambios en lasimpedancias.

Al detectar una señal de desbalance se envía una señal

de apertura al interruptor sacando fuera de operación el

banco de capacitores.

SISTEMA DEPROTECCIÓN CONRELEVADORES DEDESBALANCE

La protección de desbalance utiliza el desbalance que se

produce en un banco de capacitores para detectar una

anomalía e iniciar la acción adecuada.

La función más importante de la protección es retirar de

servicio el banco de capacitores lo más pronto posible

ante una falla evitando que se pueda producir un daño

mayor.

Una falla externa al banco de capacitores puede causar

daños importantes (falla en cascada) y puede representar

un peligro para la seguridad si el banco no se dispara

rápidamente. Es una falla dentro de la zona de protección

del relevador de desbalance pero externa al banco de

capacitores, por ejemplo, a través de un aislante que

soporta un riel o marco de fusibles.

La protección de desbalance de banco de capacitores

incluye los siguientes métodos:

• Diferencial de voltaje de fase.

• Desbalance de voltaje de neutro.

• Método de desbalance para bancos aterrizados

mediante un capacitor de neutro.

• Método de desbalance para bancos aterrizados

mediante transformador de corriente con burden

resistivo.

• Desbalance de corriente de fase.

• Desbalance de corriente de neutro.

La protección de desbalance es normalmente aplicada en los siguientes casos:

• Desconectar el banco inmediatamente si un desbalance indica la presencia de un arco

externo o una falla en cascada en el banco de capacitores.

• Proveer alarmas de desbalance para indicar la operación de fusibles o falla de los elementos

capacitivos.

• Desconectar el banco por desbalances que son lo suficientemente grandes como para que la

operación continua bajo esas condiciones pueda causar las siguientes consecuencias:

-Daño a las unidades capacitivas o elementos en buen estado por sobretensión

-Mal funcionamiento de fusibles

-Mala operación de filtros de armónicos

Los métodos de protección de desbalance que se describen a

continuación detectan los problemas de las unidades capacitivas

utilizando la supuesta simetría en las impedancias del banco protegido.

Es decir, en lugar de monitorear directamente las impedancias, estos

métodos responden a los desbalances, en las señales medidas, que

son causados por los cambios en las impedancias.

Método Diferencial de Voltaje de Fase

Esta relación se aplica para cada fase del banco.

Considerando el banco de capacitores de la siguiente imagen, asumimos que la medición de TAP de voltaje

nos es suministrado para utilizar el principio de divisor de voltaje como base para este método de protección

de desbalance.

X1 y X2 son los valores de reactancia capacitiva

superiores e inferiores al valor del tap en la

misma fase.

VTAP y VBUS son los voltajes correspondientes a

la misma fase

VTAP, VBUS y VN son los fasores de frecuencia

fundamental

Para bancos sólidamente aterrizados VN = 0, por lo tanto la ecuación

queda de la siguiente forma:

El valor de k es un ajuste del relé que puede ser modificado para poner a cero la señal de

operación bajo condiciones normales del banco de capacitores. Esto se puede hacer en base a la

placa de datos o mediante la medición de las impedancias del banco.

Determinamos una constante k

La ecuación Puede ser reescrita como Y se mantiene igual a cero mientras

el banco no cambie y se mantenga el valor original de k.

La señal de operación de la protección puede ser definida entonces como

En donde | | es la magnitud de la señal, que generalmente incluye cierta cantidad de filtrado según el diseño del relevador

que implementa el método.

Esta ecuación constituye una función diferencial de voltaje porque responde a la diferencia vectorial de 2 voltajes.

Alternativamente, el valor de k puede ajustarse utilizando mediciones reales obtenidas por un relé durante la puesta en

marcha del sistema de protección del banco, también existen relevadores de protección que tienen la función de ajustar

este valor automáticamente.

Cuando el valor de k se selecciona automáticamente, la ecuación utilizada es la siguiente:

Los valores empleados de k son por fase, en este caso.

Cuando el banco protegido experimenta una falla o se sale de tolerancia debido a la temperatura, el valor real del factor k

(kACT) es diferente comparado con el valor fijado (kSET.)

Por lo tanto se tiene que:

La señal de operación de la protección resultante de fallas del banco, configuración imprecisa o desviaciones

de impedancia está determinada por la siguiente ecuación:

La función diferencial de voltaje responde al desbalance que es proporcional a la diferencia entre el valor

actual de k y el valor fijado y el voltaje aplicado al banco.

La ecuación anterior permite analizar la sensibilidad y seguridad de la función ante errores de medición o

cambios de impedancia.

Esta función da una protección extra en la que el relé puede detectar si el valor de k incrementó o disminuyó

como resultado de una falla del banco analizando la posición vectorial de la señal de operación con respecto

al voltaje del bus y determinar si la falla ocurrió arriba o abajo del valor al que se ajustó el tap.

La función diferencial de voltaje es por fase y puede identificar la fase afectada. Esta localización de fallas

rudimentaria pero efectiva puede acelerar la resolución de problemas y las reparaciones del banco.

El método diferencial de voltaje de fase puede ser aplicado a bancos no aterrizados o a bancos

aterrizados mediante una impedancia, utilizando la siguiente ecuación:

Este método no es susceptible a transitorios y componentes de altas frecuencias – éstas dos

componentes aparecen en los dos voltajes comparados y se cancelan mutuamente siempre y cuando los

voltajes se midan con transformadores de instrumento que tengan características de frecuencia similares y

sean filtrados por el relé utilizando filtros similares.

Además, este método aplica para configuraciones de banco conectadas en estrella.

También escrita como

En otras palabras, los bancos no aterrizados requieren el método diferencial de voltaje para medir el

voltaje en el neutro y aplicarlo en la señal de operación con el factor 1-k para corregirlo.

Método de Protección por Desbalance de Voltaje Neutro.

Considerando un banco de capacitores sin puesta a tierra como el de la siguiente imagen se obtiene lo siguiente:

La siguiente ecuación corresponde a los bancos de capacitores no

aterrizados:

Cuando el banco está perfectamente balanceado, las tres impedancias

son iguales y la ecuación se simplifica en:

Las corrientes de fase pueden ser expresadas como la siguiente

ecuación:

Uniendo las ecuaciones anteriores se obtiene lo siguiente:

Esta ecuación representa el principio de diferencial de voltaje entre dos entradas de voltaje (3𝑉𝑁 del voltaje de

neutro del transformador y 3𝑉𝑜 del voltaje del bus del transformador conectado en delta rota) o 4 voltajes (VN,

VA, VB, VC, si voltaje de secuencia cero se obtiene internamente en el relevador agregando los tres voltajes de

fase).

Por lo tanto, el voltaje de secuencia cero del bus es igual al voltaje del neutro del banco simétrico. Esto refleja dos

formas alternativas de derivar el voltaje de secuencia cero: sumando los voltajes de los tres buses y/o midiendo el

voltaje en el punto neutro de una carga simétrica conectada en estrella.

La siguiente ecuación es la base para el método de protección de desbalance de voltaje de neutro:

Este método no es susceptible a componentes transitorios, ni de alta frecuencia.

Diversos métodos pueden ser aplicados para balancear la sensibilidad y seguridad de la función de protección.

Además de un límite de pickup, un retardo de tiempo inverso o definido puede ser usado como medida contra los

errores de voltaje involucrados.

Usualmente, 3Vo es la corrección a una protección de sobrevoltaje de neutro que responde a 𝑉𝑁.

3Vo y 3VnDurante fallas del sistema con tierra, incrementan en la misma proporción,

resultando en una señal de operación baja 𝑉𝑂𝑃 , permitiendo una mejor

sensibilidad sin la necesidad de una coordinación de tiempo.

Al analizar la posición del vector de la señal de operación con respecto al voltaje del bus y sabiendo si las unidades

son bancos sin fusibles o con fusibles, el relevador puede determinar en qué fase ocurrió la falla. Esta localización de

fallas acelera la resolución de problemas y las reparaciones del banco de capacitores.

Debemos recordar que el principio de operación de esta protección asume un banco perfectamente balanceado.

Esto nos permite obtener la ecuación con los términos adicionales que representan la señal de

desbalance permanente.

Un desbalance inherente en el banco causará una señal de operación permanente limitando la

sensibilidad de la función de desbalance de voltaje de neutro. Una ecuación más acertada

puede ser derivada a partir de la ecuación

Siendo esta la siguiente ecuación:

Multiplicando por 𝑋𝐴 y agrupando los términos para obtener 3𝑉0 y 3𝑉𝑁 obtenemos:

Introduciremos dos factores k que describen el desbalance inherente del banco de capacitores

Ésta última ecuación nos permite analizar la sensibilidad de la función y la seguridad bajo errores medidos o

cambios de temperatura.

Los valores k son seleccionados por medio del autoajuste para eliminar el desbalance permanente. La ecuación

de fasores para el desbalance permanente es:

Ahora, la señal de operación del método de desbalance de voltaje de neutro compensado por el

desbalance inherente del banco es:

En donde la componente de desbalance permanente es:

Reemplazando k en la ecuación VUNB obtenemos la siguiente ecuación:

La compensación para el desbalance inherente del banco puede realizarse con la ecuación anterior o

utilizando el valor guardado en la memoria (M) del desbalance permanente.

En dónde la 𝑉1 es el voltaje de secuencia positiva del bus .

En otras palabras, cuando se captura la señal de desbalance como un valor permanente de la cantidad

operativa de 𝑉𝑂𝑃, el voltaje de secuencia positiva también se captura.

Cuando se utiliza para compensación, el relevador aplica el voltaje de secuencia positiva para tener en

cuenta los cambios en los voltajes del bus entre el momento de compensación y el momento histórico

de haber capturado el valor del desbalance inherente.

Éste método aplica tanto para configuraciones en estrella y en delta, siempre y cuando el banco no

esté conectado a tierra.

Si la impedancia de tierra es relativamente baja, esta configuración

puede protegerse con el método diferencial del voltaje de fase. Con

este alcance, ya sea que el voltaje del punto neutro sea medido

por el relé y este sea utilizado como en la siguiente ecuación:

o, se ignore el voltaje y resulte en una reducción de sensibilidad

para mantener la seguridad de la función.

Método de Protección por Desbalance para Bancos aterrizados a Través de un Capacitor.

Considerando un banco como el de la siguiente figura:

Si la impedancia de tierra es relativamente alta, entonces este banco puede protegerse utilizando un método modificado

del método de desbalance de voltaje neutro.

Realizando simplificaciones matemáticas similares a las del método de desbalance del voltaje de neutro, obtenemos la

siguiente ecuación de balance o equilibrio:

La cual nos permite crear la siguiente ecuación para la función de protección:

Relación de las impedancias de fase y de neutro

además del multiplicador de 3 del método

tradicional de desbalance de voltaje de neutro.

Compensación para

el desbalance

inherente del banco.

Si se ignora el desbalance inherente se puede aplicar el siguiente principio de protección:

Esta ecuación se puede implementar utilizando un relevador de desbalance de voltaje de neutro capaz de

compensar la relación, de manera que el valor de 𝑋𝐴/𝑋𝑁 se tome en cuenta.

La ecuación antes mencionada aplica para la configuración de un banco como el de la figura mostrada al inicio. En caso

de que el banco de la figura no tuviera puesta a tierra (𝑋𝑁 → ∞), esta ecuación se reducirá a:

Con este alcance se puede considerar una versión mas general del método de desbalance del voltaje de neutro.

Método de Protección por Desbalance para Bancos Aterrizados por Medio de un TC con Burden Resistivo.

La ecuación de balance para esta figura es la siguiente,

tomando en cuenta una RTC 1:1.

Asumiendo que el banco está perfectamente balanceado

podemos simplificar la ecuación anterior:

Esta ecuación balancea el voltaje de neutro en el bus con un

voltaje asociado con el neutro del banco. El método puede ser

implementado utilizando un relevador de desbalance de

voltaje de neutro capaz de compensar la relación, de manera

que el valor de X/R se tome en cuenta. Sin embargo, el

relevador requiere desplazar uno de los dos voltajes a 90º [el

valor “j” en la siguiente ecuación].

Considerando un banco como el de la siguiente figura:

La señal de operación de este método de protección por desbalance se basa en la ecuación

Se pueden aplicar métodos conocidos para equilibrar la sensibilidad y seguridad de la función de

protección. Además del límite de pickup se puede utilizar un retardo de tiempo inverso o definido.

En adición al límite de pickup, podemos utilizar un retraso de tiempo inverso, o una restricción como

respuesta a errores en los voltajes involucrados.

A diferencia de los métodos anteriores este método no es realmente un método diferencial. Uno de

los dos voltajes comparados debe ser desplazado 90º, esto significa que el balance es únicamente

válido para fasores de frecuencia fundamental. Los transitorios en las señales medidas no

necesariamente se cancelan mutuamente, lo que requiere un filtrado estricto de los dos voltajes

antes de utilizarlos en la ecuación de operación.

El método de protección está más relacionado a monitorear la impedancia

aparente de secuencia cero del banco que el principio del diferencial del voltaje (el voltaje del punto

neutro es cero en este caso, por lo que no puede ser balanceado contra otra señal para detectar

fallas del banco). Para un mejor entendimiento, asumimos que un pickup es utilizado para accionar

la función de protección:

La zona de lado derecho define el radio de la característica circular

de pickup. Este radio es dependiente de la corriente – más

pequeño si una corriente grande de secuencia cero esta presente,

y mayor si una corriente pequeña de secuencia cero está presente.

La dependencia en el nivel de la corriente de secuencia cero tiene

un impacto positivo en la seguridad y sensibilidad de esta función

de protección por desbalance.

Región efectiva de operación del método de protección por desbalance utilizando un voltaje a través del resistor en el TC aterrizado.

𝑍0 es la impedancia aparente de secuencia cero; −𝑗𝑋 es el valor

esperado de la impedancia de secuencia cero del banco.

La zona de lado izquierdo de la ecuación define un círculo

alrededor del valor esperado de la impedancia del banco.

Con referencia a la ecuación original de la señal de operación y tomando en cuenta el impacto del

desbalance inherente del banco, el voltaje de operación se puede obtener bajo la siguiente fórmula:

Se utiliza el valor memorizado del

desbalance permanente para la

compensación del banco.

Éste método aplica para configuraciones conectadas en estrella, siempre y cuando el punto neutro

este sólidamente aterrizado.

Cálculo de la compensación para el

desbalance inherente del bancoó

Método de Protección por Desbalance de Corriente de Fase.

Considerando un banco de capacitores en donde cada fase contiene dos impedancias paralelas. Este doble banco

puede ser aterrizado o sin puesta a tierra. Esto aplica para un banco sencillo con dos ramas por cada fase o bien a

dos bancos con una sola rama por fase en cada banco.

Se debe tener en cuenta que la corriente de fase total

consumida por el banco en la fase considerada está

representada por la siguiente ecuación:

Un voltaje común es aplicado a través de las dos

impedancias, y por ello, la ecuación siguiente aplica

para cada fase del banco:

y

El método de desbalance de corriente de fase responde

a la diferencia vectorial entre las dos corrientes:

Señal de operación del método de

desbalance de fase compensada por

desbalance inherente.

Cuando los dos bancos están

perfectamente balanceados (X1 = X2)

La corriente diferencial es cero.

Cuando hay un desbalance inherente entre los dos

bancos o existe una falla, la corriente diferencial refleja la

cantidad de desbalance.

Si el método no esta compensado por el

desbalance inherente, entonces el

relevador simplemente responde a la

siguiente corriente diferencial medida:

Corriente total de fase consumida por el banco

en la fase considerada.

El principio de operación de la señal es de tipo diferencial, se comparan dos corrientes con un factor de escala que es un

número real. Por lo tanto, este método no es susceptible a transitorios y componentes de alta frecuencia. En cambio, la ecuación

del principio no compensado es susceptible a lecturas de corriente elevadas durante transitorios.

Si se aplica a esta protección el concepto de autoajuste , es necesario medir la corriente total del banco.

Usualmente, el valor del voltaje del bus está disponible para el relevador.

Para bancos aterrizados, existe una relación fija entre el voltaje de fase y la corriente de fase. Por lo tanto, la siguiente

implementación es factible para el método de desequilibrio de corriente de fase compensado por el desequilibrio inherente.

El ángulo entre la corriente de operación y el voltaje o corriente de fase puede ser utilizado para localizar la unidad

averiada, asumiendo que el relé sabe si los elementos fallan en corto o se abren. Además, este método está

segregado por fases por lo que naturalmente apunta a la fase afectada.

La ecuación anterior puede ser reescrita como:

Método de Protección por Desbalance de Corriente de Neutro.

La medición del diferencial de neutro es la suma de las señales

diferenciales de fase, por lo tanto:

Considerando un capacitor cono el de la siguiente figura, en el que cada fase comprende dos impedancias en paralelo. El banco

puede estar conectado a tierra o sin aterrizar.

La medición de la corriente diferencial no se realiza por fase como el

método de desbalance de corriente de fase, sino entre los neutros

de los dos bancos.

Derivando las ecuaciones del método de desbalance de corriente de

fase se obtiene la siguiente ecuación:

La ecuación anterior permite escribir el siguiente método de

desequilibrio de corriente de neutro compensado por el desbalance

inherente del banco:

Los valores k de la ecuación no pueden autoajustarse por el relevador.

Los 3 valores desconocidos (𝑘𝐴, 𝑘𝐵, 𝑘𝐶) no pueden ser calculados a partir de las dos ecuaciones disponibles

(eliminan las partes real e imaginaria de la señal de funcionamiento permanente).

Cuando se utilizan componentes simétricos en lugar de corrientes de fase y se eliminan las señales de desbalance

causadas por los componentes de secuencia positiva y negativa, se puede realizar un autoajuste en la

compensación en estos componentes para el desbalance inherente donde la secuencia cero no esta presente.

El ángulo entre la corriente de operación y el voltaje o corriente de fase puede ser utilizado para localizar la falla en

el sistema asumiendo que el relé sabe si las unidades del capacitor fallan en corto o se abren.

En este caso, la corriente diferencial del neutro será susceptible a lecturas elevadas de corriente durante transitorios.

El método de desequilibrio de corriente de neutro sin compensar está representado por la siguiente ecuación:

2.4 PROTECCIÓN DE FILTROS DE BANCOS DE CAPACITORES.

Las unidades de capacitores utilizadas

en filtros tiene clasificaciones más

estrictas debido a los armónicos que

se presentan normalmente en el

entorno de los filtros de los bancos.

En estas aplicaciones se requieren

valores nominales de voltaje de

capacitor y valores nominales de

corriente de fusible más altos.

Generalmente, las especificaciones

de sobrecarga deberán adaptarse a

los valores pico de voltajes y las

perdidas causadas por los reactores

y ensamblajes de las resistencias.

Diagrama de protección para filtros de bancos conectado

en estrella aterrizado.

Protección de sobrecorriente y sobrecarga.

La función de sobrecorriente (50/51) proporciona un disparo rápidopara cortocircuitos de alto nivel cerca de las terminales delinterruptor del circuito.

En caso de sobrecorrientes de baja magnitud, se inician señales dedisparo y alarma con retardo de tiempo debidamente coordinadasdebido a las condiciones anormales en el filtro.

Esta protección es redundante para el diferencial (87).

La protección de sobrecarga térmica puede implementarse utilizandoun relé de sobrecorriente térmica (49) en cada fase del filtro.

Este relé responde ante la corriente RMS utilizada con el modeladoanalógico térmico y la temperatura ambiente y se puede configurarpara disparar a valores de corriente RMS o temperatura quecausarán daños al reactor.

Esta protección sensible no se puede lograr con fusibles y es mássensible que un relé 51 tradicional.

Se puede utilizar un sobrecorriente de neutro (51N) para detectar fallas a tierra de manera sensible en el bancoen estrella con conexión sólida a tierra.

Este relevador opera sobre la suma residual de cada corriente de fase (IR=IA+IB+IC). El relevador tiene unretardo de tiempo y está coordinado con el relé de tierra del sistema para evitar disparos no deseados por fallasa tierra del sistema, ya que el filtro en estrella es una ruta para la corriente de falla a tierra.

Las fallas a tierra del sistema en las proximidades del filtro generalmente producen un 3V0 sustancial, mientrasque se produce poco 3V0 para pequeños desequilibrios en el propio filtro.

Los relés de sobrecorriente de fase y tierra brindan respaldo a la protección diferencial. Si se determina que eldiferencial de fase no es suficientemente sensible para una protección de falla a tierra adecuada entonces sepuede aplicar un diferencial de falla a tierra restringida (87N).

Protección de falla a tierra.

Protección de sobre corriente del resistor.

La resistencia de amortiguación R en cada fase del filtro tambiéndebe protegerse contra sobrecargas fundamentales y armónicas.

El relé 51R debe responder a la corriente RMS que fluye a travésdel resistor.

Las curvas de sobrecorriente de tiempo deben proporcionarcoordinación con la capacidad de sobrecarga I2t del resistor.

Protección de sobrevoltaje.

Cada filtro está protegido por un relé de sobrevoltaje que sirve para proteger al filtro contrasobretensiones continuas de frecuencia fundamental, así como sobrevoltajes severos.

La protección contra sobrevoltaje debe retrasarse en el tiempo y coordinarse con los controlesautomáticos de voltaje del sistema.

Los sobrevoltajes severos causan una tensión excesiva en las unidades capacitivas.

Los relevadores de medición de picos se recomiendan para esta aplicación y deben configurarse paracoordinarse con las curvas de capacidad de resistencia según lo especificado por los fabricantes delos capacitores.

Se puede proporcionar protección contra sobretensiones y sobrecargas utilizando métodos deintegración de corriente para calcular los verdaderos sobrevoltajes bajo los que están sometidas lasunidades capacitivas.

Protección de desbalance del capacitor.

Los bancos de capacitores de alto y bajo voltaje de un filtro típico estánprotegidos por esquemas de protección de desbalance separados.

Se pueden aplicar muchos otros esquemas de protección dedesbalance en los filtros dependiendo de la disposición de loscondensadores y de si necesitan las características de compensaciónde desequilibrio del sistema y del banco.

Otro esquema de protección de desbalance implica los relevadoresdiscretos 51R y 60. En este caso se proporciona un esquema dedesbalance de capacitor no convencional por medio de mediciones decorriente en la rama del resistor o entre las ramas de alta tensión y losbancos de capacitores.

Este esquema de protección por desbalance debe evaluarcuidadosamente el efecto de la frecuencia del sistema fuera de lanominal, así como las desviaciones en los valores de los capacitores enfunción de la temperatura.

2.4 CONSIDERACIONES DE EQUIPO DE BANCO DE CAPACITORES.

INTERRUPTORESINTERRUPTORES DE

CIRCUITO DISPOSITIVOS DE INTERRUPCIÓN

SF6

SF6

Aceite

Vacío SF6

Aceite Vacío

Aire-magnéticoTiristor

Aire

Los dispositivos de conmutación de capacitores requieren especial atención porque existen tareas de conmutación más severas para la interrupción de los bancos de capacitores en derivación que para otras formas de conmutación.

Dispositivos de conmutación de bancos de capacitores.

Todos los dispositivos deben ser aplicados dentro de sus valores máximos de voltaje, frecuencia, y corriente, incluyendolas corrientes transitorias de inrush y frecuencia.

Los dispositivos que pueden ser utilizados para la conmutación de capacitores incluyen los siguientes:

Normas de referencia: IEEE Std C37.04, ANSI C37.06, IEEE Std C37.012 e IEEE Std C37.66; información de valores y aplicación.

Para proporcionar márgenes adecuados para las tareas de conmutación de los capacitores, la clasificación de corriente del dispositivo de conmutación debe incluir:

I. Efectos del sobrevoltaje del sistema(<110%)

II. Tolerancia de capacitancia de las unidades de capacitores (<115%)

III. Armónicos del sistema (<110%)

Una consideración importante que implica la aplicación de interruptores o conmutadores decircuito para el switcheo de capacitores es la sobretensión transitoria que puede generar elreencendido durante la operación de apertura.

En la corriente cero, el capacitor se deja cargado hasta casi el máximo voltaje de línea,aparece poca tensión de recuperación a través de los contactos del dispositivo de conmutaciónen este instante y la corriente de arco del capacitor se interrumpe en el primer cero decorriente después de que se abren los contactos del dispositivo de switcheo.

Después de la interrupción, la alternancia de frecuencia normal del voltaje de lado fuente delswitch da como resultado un voltaje de recuperación a través de los contactos abiertos, 0.5ciclos más tarde, acercándose al doble del voltaje de línea pico.

Si ocurriera una ruptura a 90°, como se muestra en la siguiente imagen, el voltaje del capacitorinmediatamente se intenta igualar con el voltaje del sistema. El circuito es oscilatorio.

En el primer pico del transitorio, el voltaje del capacitor se sobrepasará en una cantidad cercana a ladiferencia entre los dos voltajes inmediatamente antes del reinicio. Esta alta sobretensión transitoriapuede dañar el equipo.

Si la corriente se interrumpe en el primer cero de corriente de alta frecuencia, entonces el pico devoltaje transitorio queda atrapado en el banco de capacitores.

Bajo arreglos especiales de los circuitos, es posible que algunos dispositivos de conmutacióninterrumpan la corriente transitoria causada por la energización de un banco de capacitores.

Cuando bancos de capacitores grandes son conectados a un bus común, debemos verificar que ladescarga de corriente transitoria del capacitor no exceda la capacidad de cualquier interruptorconectado al bus en caso de falla.

La corriente pico de descarga de un banco de capacitores es:

Para un sistema de 60 Hz, la corriente de descarga es:

Ipk corriente pico de descarga (A)

CB capacitancia (F)

LS inductancia total, banco de capacitors a la falla (H)

kVLL is the line-to-line voltage (kV)

f is the power frequency (Hz)

Con relación a la capacidad del contacto, las corrientes transitorias de inrush a través de losdispositivos también puede causar un flashover en el secundario de los transformadores decorriente tipo bushing. El voltaje creado en el circuito secundario es proporcional a lafrecuencia y magnitud de la corriente de inrush:

V_BCTsec - voltaje pico secundario del transformador de corriente bushing.

Ipk - corriente pico transitoria en el lado primario.

BCTR - relación de transformación del transformador de corriente Bushing.

Xsec - la reactancia del burden secundario en la frecuencia del Sistema de potencia.

fhf - la frecuencia de oscilación de la transitoria.

Dispositivos de control de corrientes inrush.

La magnitud de las corrientes de inrush y sus efectos secundarios en un banco de capacitores pueden ser reducidas por medio de reactores limitadores de corriente inrush minimizándolas por el control de cruce por cero.

VIDA DE LOS CONTACTOS DE LOS

INTERRUPTORES

Se puede alargar aumentando la inductancia

entre los bancos añadiendo reactores

limitadores.

Los reactores también reducen las corrientes de salida, por eso es necesario evaluar los efectos de outrush o de descarga en los componentes que se van a ver afectados antes de agregar un reactor.

En alguna situación, las corrientes y voltajes asociados con la corriente de entrada de un banco decapacitores pueden precipitar efectos de resonancia indeseables con otras partes del sistema, inducirsobretensiones peligrosas en el cable de control de la subestación e interferir con las instalaciones decomunicaciones del área.

Las resistencias de cierre o inductores en los dispositivos de switcheo del banco, o los reactoreslimitadores de corriente en serie con los bancos de capacitores conmutados, podrán funcionar paraalterar la frecuencia de las corrientes inrush y reducir la magnitud de las transitorias.

El reactor deberá tener un nivel de aislamiento básico suficientemente alto para que las proteccionescontra sobretensión no cortocircuiten a los reactores durante la conmutación del banco de capacitores.

En aplicaciones de conexión CA/CD/CA (back to back) el aumento mínimo de inductancia entre losbancos reducirá significativamente la magnitud de las corrientes de inrush fluyendo de los bancosenergizados a los bancos que van a energizarse.

Descargador de sobretensión (Surge arresters)

Seleccionar tomando en cuenta la habilidad de disipar energía durante las operaciones de conmutación del capacitor.

Causas de voltajes transitorios:

o Conmutación de los interruptores de los bancos de capacitores.

o Aumento de sobretensiones de circuitos resonantes en el sistema de potencia asociado con la conmutación de un banco de capacitores, cable o línea de transmisión.

Se deben tomar en cuenta que estas protecciones puedan absorber menor energía por cada evento transitorio.

Dispositivos de detección de tensión.

Si un transformador de voltaje, o dispositivo de potencial conectado del neutro del banco a tierra seutiliza para detección de desbalance, puede soportar 0.5 o 2.5 veces el voltaje del sistema fase aneutro.

En sistemas de alta tensión, el uso de transformadores de alta tensión pueden causar que los métodosde detección de desbalance se vuelvan insensibles.

Dispositivos de detección de corriente.

Durante la conmutación, el voltaje neutral transitorio del banco puede aumentar causando esfuerzoseléctricos a través del aislamiento en el devanado primario del transformador de corriente, así comoesfuerzos entre la carcasa y el devanado secundario.

Corrientes transitorias.

En la conmutación de bancos de capacitores las corrientes transitorias se producen:

o Cuando los resistores de pre-inserción son utilizados en los dispositivos de conmutación.

o Cuando los contactos del dispositivo de conmutación del banco de capacitores seencuentra cerrado.

o Si un resistor de pre-inserción no es utilizado. La corriente pico será mayor, especialmentedurante conmutaciones.

Para las técnicas de protecciones contra sobre tensión para aplicaciones de bancos decapacitores debemos considerar la diferencia de características de las corrientes transitoriasproducidas al momento de la conmutación con las que surgen con otras operaciones deconmutación del sistema.

Las corrientes transitorias siempre están acompañadas de campos magnéticos de frecuenciasaltas. Por lo tanto, los cables de control en estas áreas están propensos a interferenciasinductivas y requieren una atención mayor para el enrutamiento, protección y aterrizaje.

Protección contra sobretensión para transformadores de corriente.

Las protecciones de sobrevoltaje en el circuito secundario del transformador decorriente son requeridas para prevenir el daño a los devanados del mismo y a lascargas conectadas.

Esta protección puede ser:

o Varistores de corrientes altas o spark gaps conectados en las terminales secundariasdel transformador.

Si el transformador tiene un devanado primario también habrá que poner un gap oprotección contra sobretensión en el mismo.

Al momento que ocurre la falla, el banco de capacitores descarga a través del bucle de inducción del banco aterrizado.

• La corriente es oscilatoria debido a la poca resistencia del bucle.

• Su frecuencia depende del bucle de inducción, y la capacitancia del banco.

El voltaje y la corriente pico, al igual que la frecuencia producidos van a variar dependiendo:

• Capacitancia del banco

• Relaciones de transformación (RTC)

• Voltaje de sistema

• Impedancia de Burden

Protección contra sobretensión de transformadores de voltaje y transformadores de potencial acoplados a capacitores.

Las fuentes de señales de voltaje detectan condiciones anormales en el banco. Están localizadas cerca de los bancos de capacitores por lo que están expuestas a transitorias o sobretensiones producidas durante la conmutación de bancos de capacitores.

Si la frecuencia de conmutación del banco coincide con la autoresonancia, entonces lastransitorias se amplificarán en el voltaje de salida del transformador de voltaje. Esto no causaráun daño tan grande al transformador, pero la operación de los relés conectados al transformadorpuede ser afectada.

Para amortiguar la oscilación podemos utilizar un resistor en serie o paralelo con el secundariodel transformador.

Protecciones contra sobre tensión de sistemas de relevadores asociados con bancos de capacitores.

Los sistemas de protección por relevadores deben ser efectivas para estos tipos de interferencia:

o Transitorias de megahertz.

o Transitorias de kilohertz de alta energía.

La interferencia en circuitos de control es mayor en el modo común que en el modo transversal, por esto las protecciones de corriente tienen el objetivo reducir estas interferencias en el modo común.

Los filtros de sobretensión son ineficientes contra transitorias en la conmutación de los bancos en rangos de frecuencia de kilohertz, por lo tanto, se deben diseñar filtros activos como una parte integral de los circuitos de procesamiento de señal del relevador.

2.5 CONSIDERACIONES DEL SISTEMA.

Resonancia.

• La frecuencia natural de resonancia puede ser provocada durante la conexión de un banco de capacitores distante.

• Esto da lugar a voltajes y corrientes excesivos, y a la posibilidad de que los equipos eléctricos interconectados fallen.

• Es mas probable que este efecto se presente si el dispositivo de conexión del banco de capacitores

tiene un tiempo largo de arco eléctrico.

Equipos eléctricos susceptibles a falla.

La frecuencia de resonancia natural de un banco de capacitores esta relacionada con la inductancia del sistema y la capacitancia del banco:

𝑓 =1

2𝜋 𝐿𝐶Si la frecuencia fundamental del sistema de potencia es 𝑓0, entones la frecuencia de resonancia puede ser expresada como:

ω =1

𝐿𝐶= 𝑛ω0

Donde 𝑛 es un número positivo, ω0 = 2𝜋f0 y ω=2𝜋𝑓

𝑛 =1

ω0 𝐿𝐶

La expresión para la resonancia armónica de un banco de capacitores en términos de su tamaño y de la capacidad de corto circuito del sistema puede ser desarrollado como sigue:

𝑛 =1

ω0 𝐿𝐶=

1

ω02 𝐿𝐶

=1/ω0𝐶

ω0𝐿=

X𝑐X𝐿

Sin tomar en cuenta la resistencia, la impedancia puede ser aproximada a la reactancia: 𝑍𝐶 ≈ 𝑋𝐶 y 𝑍𝑆𝑌𝑆 ≈ 𝑋𝐿:

n =Z𝑐Z𝑆𝑌𝑆

=𝐼𝑆𝐶𝐼𝐶

=𝑚𝑣𝑎𝑆𝐶𝑚𝑣𝑎𝑟

Por ejemplo, si un banco de capacitores de 50 mvar

se conecta a un bus de potencia con 1350 mva de

corto circuito disponible, se volverá cercano a la

quinta armónica:

𝑛 =1350

50= 5.2

% 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒 ≈ 𝑍𝑆𝑌𝑆/𝑍𝐶

Esta ecuación puede estar relacionada a la

ecuación de porcentaje de alcance de voltaje

producido por el banco de capacitores:

𝑛 =1350

50=

10

% 𝑎𝑙𝑐𝑎𝑛𝑐𝑒

Gráfica donde se muestra el número de armónico vs. el porcentaje de voltaje alcanzado.

Armónicos .

• El banco de capacitores puede también entrar en resonancia con corrientes armónicas producidos en distintos lugares, como en cargas remotas.

• El uso de tiristores controlados por fase genera armónicos, particularmente la tercera, quinta, séptima y novena. Fenómenos de resonancia paralela ocurren debido a esto.

• Los hornos de arco, durante la parte de fundición en el ciclo de trabajo, producen un conjunto de armónicos, incluyendo armónicos de orden par.

• Incluso instalaciones pequeñas o circuitos de distribución producen el mismo efecto.

• Otro problema producido por armónicos en el sistema de potencia es la interferencia en circuitos de comunicación.

• La interferencia en frecuencia de voz viene principalmente de las corrientes de secuencia cero, que son múltiplos impares de la tercera armónica (la novena y la quinceava armónica).

Los bancos de capacitores aterrizados proveen una vía de baja impedancia para que estas corrientes fluyan.

Interface telefónica .

2.6 PUESTA EN SERVICIO, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

Preparación para puesta en servicio.

o Inspección visual y de energización de los interruptores.

✓Conexiones y tolerancias correctas de los fusibles de las unidades de capacitores.

✓Operación correcta del interruptor de banco e interruptor de puesta a tierra.

✓Comprobar valores de la placa de datos para el voltaje correcto para la cantidad de unidades que se utilicen.

✓Verificar conexiones a tierra del circuito secundario y cables de control.

✓Realizar mediciones de la resistencia dieléctrica del circuito.

oPruebas capacitivas.

✓ Verificar que la capacitancia se encuentre dentro de la tolerancia y para futuras referencias de pruebas.

Tolerancias permisibles entre −+2%.

✓ Para diseños fuseless, es adecuada la medición y comparación de la capacitancia de cada serie.

oPruebas de protección de relevadores.

✓ La verificación de la operación de los relevadores se llevará a cabo mediante dispositivos de medición

TC’s o TP’s. Además es necesario también revisar el correcto funcionamiento de los relés e interruptores.

✓ El relé de desbalance que detecta el cambio en la capacitancia debe ser calibrado para verificar el retraso

de tiempo y el pickup de corriente, al igual que la operación de disparo y bloqueo. (Un retraso excesivo en

la operación de disparo puede causar severos daños al banco de capacitores y todo el equipo asociado).

✓ Los relevadores de respaldo deben tener valores de corriente de pickup y retraso de tiempo apropiado los

cuales son antes calculados y se les debe realizar dicha configuración para su correcto uso.

oRegistros especiales.

Los siguientes parámetros deberán ser registrados para el diagnóstico deproblemas asociados con la puesta en servicio del un banco de capacitoresgrande:

✓ 3 corrientes de fase,

✓ 3 voltajes de fase,

✓ Corriente o voltaje neutro del banco

de capacitores,

✓ Salidas de dispositivos de medición

de los bancos.

oEnergización inicial.

Verificar los sistemas de relevadores seencuentran en servicio antes de energizar elbanco de capacitores.

El equipo oscilográfico deberá ser energizadoinmediatamente antes que los interruptores secierren.

En caso de que el relevador operé al momento deaccionar el cierre inicial, se deberán modificar losajustes del relevador, verificar los registros oscilográficos o incluso el cambio de la unidad decapacitores.

a) Revisar la configuración de disparo del relé yajustarlo de acuerdo a sus datososcilográficos.

b) En caso de que el relé de desbalance sensibleopere como de desbalance inherente al bancode capacitores es necesario aumentar suconfiguración para que este se mantengaenergizado.

oPruebas adicionales.

Posteriormente a energizar el banco de capacitores, y

todas las protecciones hayan sido ajustadas

correctamente, se deberá verificar:

- Nivel de alarma y operación de bloqueo.

- Desconexión adecuada y funcionamiento de la

alarma agregando o removiendo capacitores

en el banco.

- Verificar el funcionamiento de cualquier control

remoto, en caso de utilizarse.

- Modificar el campo para crear una situación dedisparo.

- Energizar el banco.

- Modificar las unidades de diferentes grupos,series o fases en lugar de todas las de un sologrupo, serie o fase para comprobar eldesequilibrio en la protección y producir menosestrés en las unidades restantes.

- Verificar los objetivos de la retransmisión y losremotos adecuados, en caso de utilizarse.

Respuesta a alarmas o falla de bloqueo.

oRegistros oscilográficos✓ Determinar la magnitud del desbalance de corriente o voltaje en la fase.

oInspección (post-energización).✓ En búsqueda de fusibles quemados, posibles daños por saltos de corriente, y

fallas de la unidad de capacitores.

oPruebas.✓ En bancos de capacitores de fusibles externos, probar capacitores que tienen

fusibles quemados. i. En caso de tener el 25% o más, es necesario verificar todos los fusibles y verificar el rating

de los mismos.

ii. Medir las conexiones en serie en diseño fuseless y las unidades de capacitores en los

diseños sin fusibles o con fusibles internos.

oRetiro o cambio de unidad de capacitores

✓ Capacitores conectados en paralelo. Estas unidades pueden ser retiradas o

cambiadas de otras fases para balancear los grupos serie-paralelo para

capacitancia y voltaje, si se realiza un cambio, debemos modificar los ajustes de

desbalance del relevador.

✓ Si únicamente los fusibles se dañaron, verificar los valores de capacitancia y

deformaciones visuales. Si se esta fuera de tolerancia o la unidad esta deformada,

cambiar los dos dispositivos.

o Regreso del banco a servicio posterior a bloqueo.

✓ El banco puede regresarse a servicio con un reajuste mínimo del relé de desbalance posterior al

haber energizado el banco.

✓ Si se reemplazan varias unidades de capacitores, debemos reajustar las protecciones de

sensibilidad después de haber energizado el banco.

o Mantenimiento de los bancos posterior a una condición de alarma.

✓ Desconexión del banco de capacitores para reemplazar unidades capacitivas o fusibles del

capacitor.

✓ Balancear las unidades capacitivas.

✓ Modificar ajustes de desbalanceo de los relevadores.

2.7 ECUACIONES PARA EFECTO DE DESBALANCES INHERENTES.

Configuración de Banco de Capacitores Shunt.

Efecto de la tolerancia de fabricación del capacitor

Efecto de los cambios en la magnitud de voltaje.

Efecto de los cambios en el ángulo de fase del voltaje.

Estrella aterrizada con detección de corriente en neutro.

𝐼𝑁 =∆𝐶 × 𝑣𝑎𝑟𝐵

3𝑉𝐿𝐺𝐼𝑁 =

∆𝑉𝐿𝐺 × 𝑃𝑣𝑎𝑟𝑈𝑆(𝑉𝐶)

2𝐼𝑁 =

2𝑃 × 𝑉𝐿𝐺 𝑠𝑖𝑛𝜃2

𝑣𝑎𝑟𝑈

𝑆 × 𝑉𝐶

Estrella no aterrizada con detección de potencial en neutro.

𝑉𝑁𝐺 =∆𝐶 × 𝑉𝐿𝐺

3𝑉𝑁𝐺 =

∆𝑉𝐿𝐺3

𝑉𝑁𝐺 =2

3𝑠𝑖𝑛

𝜃

2𝑉𝐿𝐺

Doble estrella no aterrizada con detección diferencial de corriente.

𝐼𝑁 =∆𝐶 × 𝑣𝑎𝑟𝐵

6𝑉𝐿𝐺

𝐼𝑁 =0 𝐼𝑁 =0

Doble estrella no aterrizada con detección diferencial de potencial.

∆𝑉𝑁𝑁 =∆𝐶 × 𝑉𝐿𝐺

3

∆𝑉𝑁𝑁 =0 ∆𝑉𝑁𝑁 =0

Estrella aterrizada con detección diferencial de potencial.

∆𝑉𝑇𝐺 = ∆𝐶(𝑉𝐿𝐺)𝑆𝑇𝑆2

(𝑆 − 𝑆𝑇∆𝑉𝑇𝐺 = 0 ∆𝑉𝑇𝐺 = 0

2.8 CORRIENTES DE INRUSH Y FRECUENCIAS DURANTE EL SWITCHEO DE BANCOS DE CAPACITORES.

CONMUTACIÓN DE UN BANCO AISLADO SIN PREVIA CARGA.

CONMUTACIÓN DE UN BANCO CON OTRO SIN CARGA EN EL MISMO BUS EN EL BANCO SWITCHEADO.

𝐼𝑚𝑎𝑥 𝐴 = 2𝐼𝑆𝐶 × 𝐼1

𝑖𝑚𝑎𝑥 𝑘𝐴 =103

3𝜋𝑓𝑠×

𝑘𝑣𝑎𝑟1 × 𝑘𝑣𝑎𝑟2𝐿𝑒𝑞 × 𝑘𝑣𝑎𝑟𝑇

𝑓 𝑘𝐻𝑧 = 9.5 ×𝑓𝑠 × 𝑘𝑉𝐿𝐿 × (𝐼1 + 𝐼2)

𝐿𝑒𝑞 × (𝐼1 + 𝐼2)

𝑖𝑚𝑎𝑥 𝐴 =2

3× 𝑘𝑉𝐿𝐿 × 103 ×

𝐶𝐵𝐿𝑆

𝑖𝑚𝑎𝑥 𝐴 = 103 ×1000

3𝜋𝑓𝑠×

𝑘𝑣𝑎𝑟

𝐿𝑆

𝑓 ℎ𝑧 = 𝑓𝑠𝐼𝑆𝐶𝐼1

=106

2𝜋 𝐿𝑆 × 𝐶𝐵

Valores típicos de inductancias entre bancos de capacitores.

IEEE Std C37.012-2005

2.9 EJEMPLOS DE AJUSTE DEL RELEVADOR DE DESBALANCE.

Banco de capacitores de fusibles externos aterrizado conectado en estrella.

Rating del banco de capacitores.

kV 69 kV

mvar 18.0 mvar

Conexión Estrella aterrizada

Corriente nominal 150.79 A 𝑘𝑣𝑎𝑟

(1.73×𝑘𝑉)

Grupos de serie/fase, S 2

Numero de latas por 20

Rating de unidad de capacitores.

kV 19.9 kV

kvar 150 kvar

Capacidad del sistema de protección.

Neutral CT 50/5 A

Resistencia 10 ohms

Modelo de Banco con fusibles externos aterrizado en conexión estrella.

Cálculos de desbalance.

Grupos de serie/ fase, S 2

Numero de latas por series de grupo, Pt 20

Aterrizaje, G (aterrizado) 0

RTC – 50/50 A 10

Criterios de alarma y disparo.

Si un banco de capacitores falla, el voltaje de grupo afectado será:

𝑉𝑐𝑢 =𝑆

𝑃𝑡 − 𝑛𝑃𝑡

𝑆 − 1 + 1

𝑉𝑐𝑢 =2

20 − 120

2 − 1 + 1= 1.026 pu

A tensión máxima del sistema, 𝑉𝑐𝑢 = 1.026 ×72.5

69= 1.078𝑝𝑢. Por lo tanto, se debe programar la

alarma con esta condición. El ajuste de la alarma deberá ser igual al 50% del valor.

Para una perdida de dos unidades de capacitores individuales, el voltaje afectado será:

𝑉𝑐𝑢 =2

20 − 220

2 − 1 + 1= 1.053 pu

A tensión máxima del sistema, 𝑉𝑐𝑢 2 = 1.053 𝑥72.5

69= 1.106 𝑝𝑢.

➢Excede el rating continuo máximo de las unidades capacitivas cuando el sistema está operando atensión máxima del sistema.

➢Programar la protección de desbalance de neutro para disparar bajo esta condición.

Desbalance neutro:

Para determinar la corriente de desbalance neutro, con respecto a las unidades de la pérdida de las

unidades capacitivas, utilizaremos las siguiente fórmula:

𝐼𝑔 1 = 1 −𝑆 𝑃𝑡 − 𝑛

𝑃𝑡 − 𝑛 𝑆 − 1 + 𝑃𝑡

𝐼𝑔 1 = 1 −2 20 − 1

20 − 1 2 − 1 + 20= 0.026𝑝𝑢 = 0.026 × 150.79 = 3.92 𝐴𝑝𝑟𝑖

En tensión máxima del sistema, 𝐼𝑔 1 = 3.92 ×72.5

69= 4.12𝐴.

✓ Por lo tanto, la corriente secundaria del TC será4.12

10= 0.412 𝐴𝑠𝑒𝑐.

✓ El voltaje aplicado al relé de desbalance será 4.12 V.

✓ El pickup de la alarma del relé se ajustará al 50% de ese valor, es decir, 2.06 V.

El disparo de desbalance estará ajustado para disparar al perderse dos unidades de

capacitores asumiendo que el sistema está operando a su máxima tensión.

𝐼𝑔 2 = 1 −2 20 − 2

20 − 2 2 − 1 + 20×

72.5

69= 0.0553 𝑝𝑢 = 8.338 𝐴𝑝𝑟𝑖

✓ Por lo tanto, la corriente secundaria del TC será8.33

10= 0.833 𝐴𝑠𝑒𝑐.

✓ El voltaje aplicado al relé de desbalance será 8.33 V.

✓ Ajustar el disparo del relé a 8.0 V.

Modelo de Banco con fusibles externos sin conexión a tierra en conexión estrella.

Rating del banco de capacitores.

kV 151 kV

mvar 50.0 mvar

ConexiónEstrella sin conexión a

tierra

Corriente nominal 191.4 A 𝑘𝑣𝑎𝑟

(1.73×𝑘𝑉)

Grupos de serie/fase, S 5

Numero de latas por 14

Rating de unidad de capacitores.

kV 17.4 kV

kvar 238.1 kvar

Capacidad del sistema de protección.

Neutral CT 300:1 A

Voltaje MAX. Operación 105% (145 kV)

Datos de Cálculo

Criterios de alarma y disparo.

“El relé de desbalance debe coordinarse con los fusibles de la unidad de capacitores para que éstosfuncionen aislando una unidad capacitora defectuosa antes que la protección ponga el banco fuera deservicio.”

Siempre que sea posible, el relé de desbalance debe ser lo suficientemente sensible para alertar lapérdida de una unidad dentro de un grupo.

El relevador tiene que desconectar y bloquear el circuito cuando se pierde una o más unidades decapacitores que causen un sobrevoltaje mayor al 110% del voltaje nominal de la unidad capacitora.

➢El 110% del voltaje de la unidad de capacitores es 17.4 kV × 1.1 = 19.14 kV

Para 0 fallas de fusibles (n=0), condición normal.

Capacitancia de grupo paralelo

Capacitancia en estrella afectada

Capacitancia de fase afectada

Voltaje de neutro a tierra

Voltaje en la fase afectada

Voltaje en el grupo serie afectado

Corriente a través de los capacitores afectados

Corriente en la estrella afectada

Convirtiendo las cantidades por unidad anteriores en cantidades del sistema primario:

Voltaje máximo del sistema

Voltaje normal de la unidad al voltaje máximo del sistema

Corriente normal de la unidad al voltaje máximo del sistema

Voltaje de neutro a tierra

Voltaje en la fase afectada

Voltaje en el grupo afectado

Corriente a través de los condensadores afectados

Para 0 fallas de fusibles (n=0), condición normal.

La tensión nominal del capacitor es 17.4 KV.

El voltaje en el grupo sin falla de fusibles es 16.74 KV.

Al 105% del voltaje del sistema, las unidades de capacitores funcionan al 96.2% del voltaje nominal.

Para una falla de fusible dentro de un grupo paralelo (n = 1):

Capacitancia de grupo paralelo

Capacitancia en estrella afectada

Capacitancia de fase afectada

Voltaje de neutro a tierra

Voltaje en la fase afectada

Voltaje en el grupo serie afectado

Corriente a través de los capacitores afectados

Voltaje de neutro a tierra

Voltaje en la fase afectada

Voltaje en el grupo afectado

Corriente a través de los condensadores afectados

Con un fusible fundido dentro de un grupo en paralelo, el voltaje en el grupo afectado (el grupo que experimenta lafalla del fusible) aumenta a 17.85 KV. Este es el 102% del voltaje nominal de la unidad de capacitores.

El voltaje primario de neutro a tierra es 425 V.

Un umbral de alarma confiable para detectar esta condición se establecería en el 80% del nivel de voltajecalculado.

Umbral de alarma secundarios (340V primarios).

BIBLIOGRAFÍA

[1]C37.99-2012 - IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks. United States of America: The Instituteof Electrical and Electronics Engineers, 2013.

[2]A. Navarro Crespo, Capacitores de Potencia. Estado de México: BALMEC S.A.

[3]IEEE Std 1531TM, IEEE Guide for Application and Specification of Harmonic Filters. United States of America:The Institute of Electrical and electronics Engineers, 2020.