La necesidad de compensar las líneas e instalaciones mediante condensadores serie y derivación es fundamental a causa de la extensión de las redes y la separación de los centros de generación y consumo, así como por la mayor utilización de cargas reactivas (motores, etc.).
Por razones económicas la evolución tecnológica ha desplazado los compensadores síncronos y hoy día el uso de las baterías de condensadores está muy extendido. Por otra parte, la instalación de reactancias shunt (particularmente en las redes de transporte) constituye el complemento de las baterías de condensadores para sustituir con plenitud las funciones de los compensadores síncronos.
Rentabilidad
La compensación mediante condensadores serie tiene su justificación en el aumento de la capacidad de transporte de las líneas y los márgenes de estabilidad de la red, y en la reducción de las pérdidas, al mejorar la distribución de carga en las líneas paralelas.
1.- Generalidades
Las protecciones que se disponen en instalaciones de baterías de condensadores estáticos deben responder a las premisas siguientes:
a) Sensibilidad y rapidez en la detección y desconexión, de la parte averiada de la batería, en caso de cortocircuito.
b) Selectividad de la desconexión:
- En el caso de que existan varios escalones deberá desconectarse el averiado.
- En el caso de avería en un bote, de estar protegido el mismo por un fusible externo o interno, deberá poder seguir funcionando el escalón después de aislada la avería del bote siempre y cuando la instalación lo permita, o sea, de interés para el usuario.
c) Fiabilidad y estabilidad en el funcionamiento de las protecciones.
- Deberán disponerse las protecciones necesarias según sea el tipo de conexión de los bornes en la batería.
- Deberán ajustarse debidamente las protecciones para evitar actuaciones inadecuadas.
Figura 1: Conexión simple estrella Figura 2: Conexión simple triángulo
2.- Disposición de las protecciones
Las protecciones empleadas en instalaciones de baterías de condensadores dependen de la potencia de las mismas y de su conexionado.
Los sistemas usuales de conexionado en baterías de condensadores son en estrella y triángulo (ver figura 1 y 2 respectivamente).
Según el conexionado elegido de los dos antes citados pueden disponerse las variantes siguientes para cada uno de ellos:
2.1.- Conexión simple estrella
a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión fase-neutro (figura 1)
b) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión fase-neutro, lo cual exige la instalación de 2 o más botes en serie (figura 3)
Figura 3: Conexión simple estrella con montaje en serie
Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 8.
2.2.- Conexión doble estrella
a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión de fase-neutro (figura 5).
Figura 4: Conexión doble estrella
a) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión fase-neutro, lo cual exige la instalación de 2 ó más botes en serie (figura 4).
Figura 5: Conexión doble estrella con montaje en serie
Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 9.
2.3.- Conexión triángulo (simple y doble)
a) Los botes a instalar por fase están dimensionados para la tensión compuesta (figura 2)
b) Los botes a instalar por fase no están dimensionados para la tensión compuesta, lo cual exige la instalación de 2 ó más botes en serie (figura 8).
Figura 6: Conexión simple triángulo con montaje en serie
Las protecciones usualmente empleadas en este tipo de conexión son las indicadas en la figura 10.
3.- Protección de Sobreintensidad
Su misión consiste en desconectar el interruptor cuando se produce un cortocircuito entre fases o a tierra en la batería.
Generalmente, dicha protección no es sensible a las averías internas de los elementos que componen la batería.
Se acostumbra a instalar dos relés de fase y un relé de neutro a tiempo inverso o independiente, con elemento instantáneo en los relés de fases.
Cuando la batería se compone de varios escalones, cada uno de ellos incorporará su propia protección de sobreintensidad.
La protección de sobreintensidad del interruptor principal habrá de ser selectiva con las de los escalones.
Si la red a la que se asocia la batería está aislada (sin neutro a tierra), el relé de tierra puede ser omitido.
4.- Protección de Sobretensión y subtensión
Las baterías de condensadores son instalaciones muy sensibles a la tensión y al tiempo máximo permisible de las sobretensiones.
En el caso de un «cero» de tensión, es necesario desconectar las baterías para poder controlar debidamente la conexión posterior y los problemas que de ello se derivan.
Se acostumbra a instalar dos relés de tensión a tiempo independiente. Esta protección también puede conseguirse utilizando el criterio de intensidad, ya que la intensidad absorbida por la batería es función de la tensión aplicada.
La utilización de la protección de sobreintensidad como protección de sobre y subtensión tiene la ventaja de evitar la instalación de transformadores de tensión, además de simplificar y abaratar el conjunto de la protección.
Figura 7: Característica de sobretensión en función del tiempo que puede soportar una batería (IEC 60070)
5.- Protección de Desequilibrio
Cuando se produce la avería de algún elemento de los que componen la batería de condensadores, esta anomalía supone una modificación de la impedancia de alguna de las fases y, por consiguiente, la aparición de desequilibrios en las intensidades y tensiones.
Las protecciones de desequilibrio se basan en la medida de las corrientes o tensiones diferenciales que se detectan entre puntos prácticamente equipotenciales. Se utilizan relés a tiempo inverso o independiente.
6.- Esquemas
En función de la disposición de los elementos que componen la batería, las protecciones tendrán el siguiente esquema:
6.1.- Conexión simple estrella
Figura 8: Esquema tipo de protección de condensadores utilizados en conexión simple estrella.
En este caso, la detección del desequilibrio se realiza mediante un transformador de tensión conectado entre el neutro de la batería y tierra. Si se dispone de transformadores de tensión, se puede detectar el desequilibrio utilizando un devanado en conexión triángulo abierto.
6.2.- Conexión doble estrella
Figura 9: Esquema tipo de protección para baterías de condensadores doble estrella.
La detección del desequilibrio se realiza en este caso mediante la medida de la intensidad que circula entre los neutros de las estrellas, originada por la variación de la impedancia de una de las ramas.
6.3.- Conexión triángulo
Figura 10: Esquema tipo de protección para baterías de condensadores en conexión doble triángulo
En la conexión triángulo solamente se puede detectar el desequilibrio si se trata de un doble triángulo. Para ello se mide la corriente que circula en la unión de puntos equipotenciales de los dos triángulos.
7.- Fenómenos de conexión y desconexión en las baterías de condensadores
Al maniobrar una batería de condensadores aparece en la red un régimen transitorio que se puede separar en dos fenómenos distintos.
El primero se produce por el hecho de que la carga del condensador no puede variar instantáneamente, en el momento preciso de la conexión; la tensión de la red toma bruscamente el valor de la tensión inicial del condensador y, en consecuencia, recibe un choque.
Tras este choque inicial, el condensador se carga de acuerdo con una ley que viene determinada por la inductancia y la resistencia de la red, régimen generalmente sinusoidal y amortiguado.
En el caso de grandes baterías de condensadores, el hecho de conectar un nuevo escalón a varios escalones ya conectados puede deteriorar los interruptores de maniobra; por la presencia de corrientes muy elevadas.
Por razones diversas, es necesario fraccionar en escalones las grandes baterías de condensadores. Estos escalones se conectan en función de las necesidades de potencia reactiva de la red.
Ver Post: Sobretensiones de maniobra, en el siguiente link:
Los condensadores de alta tensión no disponen de contactores con resistencias de limitación (como ocurre en BT).
Figura 11: Interruptor con resistencia de inserción para baterías de condensadores
Se recomienda la utilización en MT de interruptores de SF6 en lugar de los de vacío. La capacidad de los disyuntores de corte en vacío, de interrumpir corrientes de alta frecuencia, los hace más sensibles a los precebados múltiples que otros disyuntores, por ejemplo, los disyuntores de SF6 no cortan prematuramente las corrientes de alta frecuencia por lo que no provocan más de un reencendido, se dice por ello que su corte es “suave”.
Ver post: ¿Qué elegir: interruptor automático SF6 o Vacío? En el siguiente link:
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/que-elegir-interruptor-automatico-en.html
Figura 12: Registros de las tensiones e intensidad de conexión y desconexión de una batería de condensadores, utilizando este tipo de interruptor
Si bien para la conexión de una batería de condensadores no fraccionada no se precisa imperativamente un interruptor de gran velocidad de cierre, en el caso de una batería constituida por escalones la velocidad de conexión debe ser suficientemente elevada para limitar el número de precebados.
Figura 13: Instalación con inductancias de choque en serie “L” para amortiguar el fenómeno de conexión
8.- Problemas ligados a los condensadores en presencia de armónicos
En presencia de armónicos, la instalación de condensadores tiene el riesgo de provocar amplificación de corrientes y tensiones armónicas y problemas consecuentes tales como resonancia con inductancias instaladas en la misma red.
En el caso de conexión estrella de baterías de condensadores, el punto neutro se aísla de tierra con el fin de evitar la circulación de corrientes armónicas homopolares en los condensadores de las redes con neutro a tierra y en las redes con neutro aislado, para no aumentar la capacidad a tierra de la red.
Ver Post: Influencia de los condensadores en redes con armónicos, en el siguiente link:
Filtros activos, solución para mejorar la calidad de las redes eléctricas, en el siguiente link:
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/filtros-activos-solucion-para-mejorar.html
Cómo evitar la Ferroresonancia en las redes eléctricas
9.- Orientaciones sobre el ajuste de las protecciones
9.1.- Protección de sobreintensidad
Los relés de fases se regulan a 1,5 In.
(In = intensidad nominal de la batería) y con una temporización del orden de 0,3 s en los relés de tiempo definido y con la curva ½ en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
El elemento instantáneo de los relés de fases se regula a 10 In.
El relé de tierra se regula a 0,5 In y con una temporización del mismo orden de los relés de fases.
La presencia de fusibles internos en los condensadores es una mejora que refuerza la continuidad del servicio. La batería puede mantener entonces su función con varios elementos desconectados.
9.2.- Protección de desequilibrio
9.2.1.- Fórmulas y Cálculo de desequilibrio
Para la determinación de los ajustes de las protecciones es necesario calcular, previamente, las corrientes y tensiones que aparecen en determinados supuestos de anomalía en la batería; por ejemplo, cortocircuito en un elemento. Para ello son de mucha utilidad las fórmulas que se establecen a continuación y que permiten conocer diversas magnitudes en el caso de desequilibrio en una fase de una carga trifásica.
Toda batería de condensadores, con el neutro aislado, cualquiera que sea su tipo de conexión (estrella, doble estrella, triángulo, doble triángulo), puede representarse por una estrella de impedancias. Cuando se produce una anomalía en una de las fases, el resultado es que la impedancia de esa fase varía respecto a la de las otras, de tal modo que:
Obteniéndose entonces el siguiente esquema de desequilibrio:
Figura 14: Esquema de desequilibrio
9.2.2.- Detección por tensión
El relé de alarma (si lo hay) se regula al 50% de la tensión de desequilibrio correspondiente a la avería de un bote y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
9.2.3.- Detección por corriente
El relé de alarma (si lo hay) se regula al 50% de la corriente de desequilibrio correspondiente a la avería de un bote y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
El relé de disparo se regula al 70% de la corriente de desequilibrio correspondiente al límite admisible por avería de uno o varios botes y con una temporización del orden de 3 s en los relés de tiempo definido y con la curva 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
9.3.- Protección de sobretensión y subtensión
Un relé de sobretensión se regula a 1,1 Un (Un = tensión nominal de la batería) y con una temporización del orden de 1 s en los relés de tiempo definido y con la curva de 3 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
El relé de subtensión se regula a 0,3 Un y con una temporización del orden de 5 s en los relés de tiempo definido y con curva de 10 en la posición del índice de tiempos en los relés de tiempo inverso.
FUENTE BIBLIOGRÁFICA:
ASINEL: Baterías de condensadores en derivación
POST EN PDF EN LA SIGUIENTE URL:
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http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/07/como-evitar-la-ferroresonancia-en-las.html
Consecuencias de la circulación de energía reactiva en los equipos eléctricos
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