Aspectos Prácticos de los Transitorios de Conmutación del Condensador Paralelo

La desviación transciente de conmutación del banco de condensadores son a menudo una preocupación para los ingenieros industriales y de utilidad que están planeando aplicar condensadores en el nivel de tensión de distribución (4,16 kV hasta 34,5 kV). Su área principal de preocupación es normalmente cómo los transitorios de conmutación de los condensadores afectarán la calidad de la energía de las cargas cercanas comerciales e industriales.

Esta nota técnica proporciona una información de fondo práctico sobre los transitorios de conmutación del banco de condensadores, así como también las capacidades de análisis transitorias del grupo consultor de NEPSI. Además, la información se proporciona de acuerdo a cómo se pueden reducir o eliminar los transitorios de conmutación del banco de condensadores.

Antecedentes
Los bancos de condensadores que se aplican dentro de las subestaciones de distribución normalmente consisten de una de cuatro bancos de condensadores conmutados como se ve en la Figura 1 (la cual muestra un banco conmutado de tres escalones). Los bancos conmutadas están diseñadas para encenderse y apagarse automáticamente basadas en el factor de potencia, vars, y/o tensión. Debido a las variaciones de carga, un número de operaciones de conmutación ocurrirán diariamente. Cada evento de conmutación es seguido por un transitorio de onda de aro de decadencia de baja frecuencia que puede resultar en problemas de calidad de energía para las cargas cercanas comerciales e industriales.

Figura 1 – Tipica Subestación de Utilidad Mostrando un Banco de Condensadores de 4,5 MVAR y Cargas de Distribución Adyacentes.

Figura 2 – Transitorio de Conmutación del Banco de Condensadores. Tensión de Conductor 2 entre fases del Cierre de los Contactos de Vacío de la Fase A y B.

Transitorio de Conmutación de un Banco Simple
La figura 2 muestra el transitorio que ocurrirá por el cierre del primer paso del condensador de 1500 kvar de la Figura 1, mientras que no se activa ningún otro paso. Debido a las variaciones del conmutador, y posibles condiciones de pre-golpe, los conmutadores de vacío de fase A y B, se asume que se cierran antes de la conmutación de la fase C. Para un banco aislado, la primera fase que conmuta para cerrar luego seguirá la tensión de la fase, y la tensión entre fases quedará impresa a través de los dos conmutadores restantes. Sobre el cierre del segundo contacto, ocurrirá un transitorio como el que se ve el la Figura 2. El peor de los casos del transitorio ocurrirá cuando el segundo conmutador cierre cerca del máximo de la señal de tensión entre fases. Las medidas de NEPSI de muchos baancos de condensadores en el nivel 15kV han indicado que los conmutadores comenzarán a conducir una tensión máxima debido a un posible pre-golpe.

El transitorio de la Figura 1 está compuesto de un transitorio de onda de aro en decadencia (curva roja) superimpuesto en la señal de tensión (curva azul) tal como se muestra en la figura 3. La duración del transitorio de onda de aro en decadencia depende en el radio X/R del sistema en el banco de condensadores. Altos radios X/R resultarán en largas duraciones, mientras que bajos radios X/R resultarán en transitorios de corta duración.

Figura 3 – Onda de Aro en Decadencia de Baja Frecuencia que Resulta de la Conmutación del Condensador

Al examinar las señales transitorias de las figuras dos, tres, y cuatro, se pueden realizar las siguientes declaraciones con respecto a la conmutación del banco simple de los condensadores.

• Al cerrar el segundo contacto (para un banco aislado), la tensión de sistema bifásica será llevada a casi la 0 tensión. Esto se puede ver mejor en la figura cuatro. A esto se le denominará como una depresión de la tensión. Siguiendo inmediatamente la depresión de la tensión, la tensión del sistema intentará recuperar, pero sobreexcederá la tensión normal del sistema por una cantidad casi igual al hueco de tensión. Teóricamente, pueden ocurrir dos sobretensiones por unidad debido a la conmutación del condensador.
• La frecuencia del transitorio del condensador es igual a la frecuencia neutral del sistema. por lo tanto, bancos de condensadores más grandes resultarán en transitorios de onda de aro en decadencia de menor frecuencia, mientras que bancos más pequeños resultarán en transitorios de onda de aro de mayor frecuencia. La duración del transitorio de onda de aro depende del radio X/R del sistema en el banco de condensadores. Los sistemas con radio X/R más altos resultarán en transitorios de duración más larga. Los transitorios asociados con los bancos de condensadores de subestación pueden durar hasta los 30 a 40 ciclos.

Preocupaciones de la Calidad de Energía
Hay tres preocupaciones de la calidad de energía asociadas con los transitorios de conmutación del banco de condensadores. Estas preocupaciones se pueden ver en la figura 4, y son las siguientes:

1. La depresión de tensión inicial resulta en una pérdida de tensión de una magnitud “D” y de duración “T1”.

2. La tensión de sistema recuperada resultará en una sobretensión de transitorio inicial de una magnitud “S” y de duración “T2”.

3. Cruces 0 múltiples. Para el transitorio en la figura 4, un total de 4 cruces 0 ocurren antes del cruce 0 natural de tensión del sistema.

Las preocupaciones de la calidad de energía enlistadas uno y dos se pueden evaluar más fácilmente con la Curva ITI (CBEMA) mostrada en la figura 5. Esta curva describe una bombilla de entrada de tensión ac que puede ser tolerada (sin interrupción en la función) por la mayoría del Equipo de Tecnología de Información (ITE) y forma una base para evaluar transitorios de sistemas. La curva y su aplicación son para condiciones transitorias y etapas firmes y son aplicables a tensiones nominales de sistema de 120 voltios obtenidas de sistemas de 60 Hertz de 120/240V, 208Y/120V y 120V. Ya que las tensiones transitorias asociadas con la conmutación del sistema se reflejarán a través de un transformador (por radio de giros por frecuencias de hasta los 3 Hertz), la aplicación de las curvas por transitorios de conmutación de media tensión y sus efectos en equipos de baja tensión son válidos. Los transitorios asociados con la conmutación de 1500, 3000 y 4500 kvar están graficados en la curva de CEBEMA coloreada con diamantes.

Los diamantes en una tensión de 0% representan el hueco de tensión inicial que ocurre al cerrar los contactos de vacío, mientras que los diamantes en una tensión nominal de casi un 200% son para el sobreexceso de tensión a medida que la tensión del sistema intenta estabilizarse. El gráfico en la figura 5 muestra que las dos preocupaciones de la calidad de energía son de una preocupación de reborde. Ya que el hueco y sobretensión no duran tanto como la duración representada en la figura 4, los problemas de la calidad de energía asociados con la sobretensión y subtensión son solo posibles en bancos más grandes. La curva de CBEMA, sin embargo, no es apropiada para evaluar los efectos de la calidad de energía de los cruces 0 múltiples en equipos eléctricos industriales y comerciales.

El equipo que utiliza los cruces de 0 tensión para el cronometraje o control son propensos a una mala operación. La conexión del transformador, tamaño del banco de condensadores, conexión del banco de condensadores (a tierra o aislada), impedancia del sistema, en el radio X/R influencian el hecho de los cruces0 múltiples. Incluso bancos pequeños resultarán en cruces 0 múltiples.

Figura 5 – Curva (CEBEMA) ITI Mostrando el Hueco y Punta de Tensión Causado por Bancos de Condensadores de Distintos Tamaños

Clave para la Figura 5
Naranjo = Transitorio de Conmutación de 1500 kvar
Púrpura = Transitorio de Conmutación de 3000 kvar
Verde = Transitorio de Conmutación de 4500 kvar

Transitorios de Conmutación de Bancos de Condensadores Endosados
Varios transitorios de conmutación de bancos de condensadores ocurren cuando un banco de condensadores es activada cerca de una que ya ha sido activada. Dicha operación de conmutación es común en bancos de condensadores automáticas de escalones múltiples, como se muestra en la figura 1. En la activación de un banco descargada, el banco cargado adyacente descarga una corriente de magnitud de alta frecuencia hacia el banco descargado. Esta corriente de alta magnitud y frecuencia es limitada por la impedancia entre las etapas del condensador (resistencia y reactancia del trabajo del conductor, fusibles, conmutadores de vacío, etc.). La mayoría de los bancos tienen que ser complementadas con reactores de irrupción transitoria para reducir la magnitud de los transitorios para asociar los conmutadores de vacío y la clasificación de los fusibles. La corriente de alta magnitud no es vista por el sistema de energía, como ocurre entre los bancos paralelas.

Figura 6 – Señales de Tensión (rojo) y Corriente (verde) Asociadas con la Conmutación del Banco de Condensadores Endosados. La señal de la corriente es llevada hacia el banco de condensadores que está siendo activada.

Al observar la figura 6, se debería fijar en lo siguiente con respecto a la conmutación de bancos de condensadores endosados:

La figura 7 muestra gráficos de señales para un evento de conmutación del banco de condensadores incluyendo la activación de un banco de condensadores de conexión aislada en Y de 13,8kV 1500 kvar. Los contactos de la fase A cierran en su propio cruce de tensión 0 fase-tierra. En este momento, no hay flujos de corriente ya que el banco está aislado. Sin embargo, la tensión neutral del banco de condensadores sigue la tensión de la Fase A (curva roja y azul en la punta del gráfico de la señal). Cuando la tensión o tensión neutral de la fase A cruza la tensión de la Fase C, el conmutador de vacío de esta fase se cierra. Aquí los conmutadores de las fases C y A comienzan a conducir corriente (ver la red de fondo de las señales). El conmutador de vacío de la fase B se cerrará cuando la tensión neutral (o tensión entre fases A y C) y la tensión de fase sea igual a cero. En esto momento, las tres fases están conduciendo vars y el banco de condensadores se ha encendido con virtualmente ningún transitorio de tensión

Figure 7 – Simulated Phase-to-Ground Voltage, Capacitor Bank Neutral Voltage and Vacuum Switch Current Associated with Zero-Voltage Closing

Clave para Figura 7
Fase A a Tensión a Tierra en Conductor Principal
Fase B a Tensión a Tierra en Conductor Principal
Fase C a Tensión a Tierra en Conductor Principal
Banco Neutral de Condensadores a Tensión a Tierra
Corriente de Conmutador de Vacío de Fase C
Corriente de Conmutador de Vacío de Fase C
Corriente de Conmutador de Vacío de Fase C

Al observar la Figura 7, se pueden realizar los siguientes puntos claves:

• La sobretensión transitoria asociada con la activación de la insignificante banco de condensadores.
• La posibilidad de cruces 0 múltiples es eliminada.
• Altas corrientes de irrupción son eliminadas (aumentando la vida útil del conmutador de vacío).

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