Prevención de Corrientes de Entrada Altas en Conmutación de Capacitores: Estrategias Probadas para Sistemas Eléctricos Confiables

Cómo Prevenir la Alta Corriente de Entrada en Conmutación de Capacitores

Introducción a la Alta Corriente de Entrada en Conmutación de Capacitores

Las aplicaciones de conmutación capacitiva no solo se restringen a corrientes capacitivas, sino que tienen su implementación en el proceso de energización de bancos de capacitores, líneas aéreas y cables. La conmutación de bancos de capacitores es conocida por causar valores muy grandes de voltaje transitorio a través de los contactos del interruptor automático.

La conmutación capacitiva se caracteriza comúnmente por la conmutación de corrientes bajas a moderadas en redes industriales o públicas, y por una baja tasa de aumento del voltaje de recuperación. Nuevos interruptores automáticos (CBs) que argumentan una larga vida mecánica y eléctrica sin mantenimiento parecen ser los mejor adaptados a este deber de conmutación; recientemente se ha desarrollado SF6 puffer diseñado para mejor rendimiento con menos interruptor por polo, pero obviamente un escenario ideal no puede alcanzarse.En circuitos de sistemas de potencia donde los interruptores automáticos tienen amplias aplicaciones para prevenir daños, el desbalance de voltajes a lo largo de los terminales del interruptor automático puede llevar a alta corriente de entrada; por eso cualquier interrupción en corriente capacitiva puede causar problemas en el dieléctrico usado para conmutación de dispositivos. Los capacitores en bancos de capacitores pueden dañarse debido a fuerte corriente de entrada.

En sistemas de potencia hay muchos bancos de capacitores agrupados para regular voltaje, mejorar el FP (factor de potencia) y también los bancos de capacitores tienen muchas aplicaciones en filtrado de armónicos altos en el sistema general.

En el proceso de distribución de sistemas de potencia hay redes de cables que generan carga capacitiva. Cuando ocurre cualquier interrupción de corriente en el sistema, la carga capacitiva se carga y esta carga en capacitores expone el circuito a daño por re-encendido del dieléctrico junto con generación de sobrevoltaje alto.

Cuando gran corriente de entrada empieza a fluir a través de subestaciones, el sistema se ve impositado a enfrentar consecuencias que ocurren en el sistema de protección y también durante la conmutación cuando el voltaje presente en la línea empieza a oscilar a frecuencia ligeramente menor, entonces su magnitud se vuelve igual al doble del voltaje pico presente en el circuito, lo que puede causar peligros severos. En este artículo se discutirá cómo podemos minimizar la alta corriente de entrada y cuáles son las recomendaciones básicas para ello.

Métodos para Insertar Capacitores con el Fin de Prevenir Corriente de Entrada

Hay dos formas de colocar capacitores de manera que la corriente de entrada se minimice a niveles insignificantes. Ambos métodos se describen aquí uno por uno.

Circuito de Banco de Capacitores Único

Primer Escenario

Consideremos el circuito anterior; es un circuito de una fase y tiene elementos agrupados para un circuito capacitivo. Tiene un interruptor automático que cierra sus contactos en cualquier interrupción, un capacitor y dos inductores presentes en el circuito, asumiendo que la resistencia del circuito es aproximadamente cero y el valor del inductor L₁ es mayor que L₂.

Un interruptor automático está presente en el circuito para definir la interrupción en el circuito. Esta forma de circuito se llama banco de capacitor aislado.

En este caso, la corriente depende de los parámetros del circuito y el estado inicial del circuito. Supongamos que el capacitor está cargado a voltaje v0 en el tiempo t0. La corriente puede calcularse de la expresión:

Donde:
En este escenario, debido al amortiguamiento, la corriente disminuirá y la corriente general en el circuito se establecerá.

Circuito de Banco de Capacitores Back-to-Back

Segundo Escenario:
Este escenario se conoce como conmutación capacitiva banco a banco; consideremos el diagrama para ello.

En este caso hay dos capacitores y dos inductores; cuando el interruptor automático se cierra en interrupción, si ocurre cualquier ruptura dieléctrica en el punto b-b' (es decir, diferencia de voltaje en dos contactos del interruptor automático), entonces la expresión de corriente puede calcularse como
Donde:
En esta corriente puede ser alrededor de diez veces más que la corriente pico presente en el circuito, pero esta corriente puede afectar solo un capacitor (local) y el resto del sistema estará seguro.

Pasos para Prevenir Alta Corriente de Entrada

Aquí hay algunas recomendaciones para deshacerse de esta alta corriente de entrada.

1. Debe haber una resistencia presente en el circuito; a medida que la resistencia aumenta, la corriente se utilizará en algún nivel.
2. Reactancia extra puede colocarse en el sistema porque al colocar reactancia extra habrá pérdidas de energía extra en el sistema junto con reducción en efectos de capacitores.

Conmutación Síncrona

Como sabemos que el alto sobrevoltaje es creado por ruptura del dieléctrico entre los contactos del interruptor automático, tenemos que eliminar este problema permanentemente. Así que para eliminar el problema del alto sobrevoltaje, debe asegurarse de que cuando en cualquier situación de interrupción un interruptor automático se cierra, no debe haber diferencia de voltaje entre los contactos del CB.

No se puede alcanzar la situación ideal ya que el factor de más y menos siempre está ahí, así que la conmutación síncrona es una de las soluciones. Se ha fabricado un dispositivo con el nombre de interruptor de capacitor SmartClose que puede convertir cualquier banco a banco síncrono usando sensores.

Características y Funcionamiento del Interruptor SmartClose

Tiene 6 sensores de voltaje que detectan la forma de onda de voltaje tanto en el lado del capacitor como en el lado de la fuente de cada interruptor. Se emite un comando de cierre por un controlador separado de banco de capacitores que causa que el interruptor de capacitor SmartClose cierre cada interruptor independientemente cuando la diferencia de voltaje a través de cada interruptor es cero; entonces el comando de cierre se emite al SC (SmartClose) iniciará el cierre a voltaje cero en todo el circuito.

El controlador separado de cada banco de capacitores decide cuándo se necesita el banco de capacitores; el interruptor SmartClose captura eso y hace todo automáticamente por cierre síncrono.