Análisis y solución de problemas de sobretensión causados por bancos de condensadores de conmutación de disyuntores en vacío

La sobretensión generada cuando los disyuntores de vacío conmutan bancos de condensadores es un problema común y significativo en los sistemas de energía que requiere mucha atención. Esta sobretensión puede suponer una amenaza para el aislamiento de los condensadores, los disyuntores y todo el sistema. A continuación se presenta un análisis sistemático de este problema y sus posibles soluciones:

Análisis de las causas de la generación de sobretensión

La razón principal puede atribuirse a la interacción entre las características de ruptura de los disyuntores de vacío y las características de almacenamiento de energía de los bancos de capacitores, que se manifiesta específicamente como:

1. Corriente de entrada de conmutación y sobretensión de operación

2. Mecanismo: En el momento del cierre, el voltaje a través del banco de capacitores es cero, mientras que el voltaje del sistema está en un cierto valor instantáneo. La gran diferencia de voltaje entre los dos provoca una corriente de irrupción de alta-frecuencia con una amplitud muy grande y alta frecuencia (hasta varias o decenas de veces la corriente nominal).

Impacto: la corriente de entrada de alta-frecuencia genera una caída de voltaje de alta-frecuencia a través de la impedancia del sistema, que puede superponerse al voltaje de frecuencia eléctrica para formar una sobretensión de operación. En el caso de múltiples bancos de capacitores funcionando en paralelo, cuando otro banco de capacitores está conectado a un banco (o sistema) de capacitores cargado, la diferencia de voltaje puede ser aún mayor, y los problemas de corriente de irrupción y sobrevoltaje se vuelven más severos.

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Sobretensión de conmutación (problema principal)

Esta es la fuente de sobretensión más típica y desafiante cuando se utilizan disyuntores de vacío para conmutar condensadores, principalmente relacionada con las características de ruptura del medio de vacío:

Corte actual: La estabilidad del arco de vacío es pobre. A corrientes bajas (por ejemplo, por debajo de decenas de amperios), el arco puede extinguirse repentinamente antes de que la corriente cruce naturalmente cero, lo que se conoce como "corte de corriente". La energía del campo eléctrico (la carga en el capacitor) correspondiente a la corriente cortada (principalmente corriente capacitiva) no se puede liberar inmediatamente, lo que resulta en una sobretensión transitoria de corte de corriente en el capacitor que es mayor que el voltaje del sistema.

Sobretensión de reinicio múltiple (la más peligrosa): Esta es la forma más grave de sobretensión.

Primer reinicio: después de que se abre el disyuntor, la distancia entre contactos aumenta gradualmente. Cuando el voltaje residual en el capacitor (CC o baja-frecuencia) está en la dirección opuesta al voltaje de suministro del sistema, el voltaje de recuperación entre los contactos puede exceder la resistencia de recuperación dieléctrica del espacio de vacío en ese momento, lo que provoca que el espacio se rompa y se produzca un reencendido. En el momento del reinicio, el voltaje en el capacitor oscilará hacia el voltaje de suministro del sistema a través de la inductancia del circuito.

Aumento del "paso" de voltaje: el reinicio genera una corriente oscilante de alta-frecuencia. Los disyuntores de vacío son particularmente aptos para extinguir arcos en el cruce por cero-de corrientes de alta-frecuencia. Si el arco se interrumpe con éxito en el primer o segundo cruce por cero-de la corriente de alta-frecuencia, el condensador se "bloqueará" en un nuevo valor de voltaje. Debido al proceso de descarga de reinicio, este nuevo valor de voltaje puede ser mucho mayor que el voltaje antes del reinicio.

Proceso de repetición: a medida que la distancia de contacto continúa aumentando, el voltaje de recuperación aumenta nuevamente y pueden ocurrir un segundo, tercer o más reinicios. Cada reinicio puede causar un aumento "escalonado" en el voltaje en el capacitor. Teóricamente, después de varios reinicios, la sobretensión máxima en ambos extremos del capacitor puede alcanzar tres veces o incluso más que la tensión de fase del sistema.

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Principales peligros causados por la sobretensión

1. Para el condensador en sí: la sobretensión amenaza directamente el aislamiento de los elementos del condensador, acelera el envejecimiento del dieléctrico y los efectos a largo plazo-pueden provocar una avería y provocar que el condensador explote.

2. Para disyuntores de vacío: múltiples reencendidos pueden generar voltajes de recuperación y corrientes de reencendido extremadamente altos, intensificando el desgaste eléctrico de los contactos y potencialmente causando daños en el aislamiento del propio disyuntor.

3. Para otros equipos del sistema: Se puede transmitir sobretensión a través de las líneas, poniendo en peligro el aislamiento de los transformadores conectados, transformadores de medida, cables y otros equipos.

4. Activación de una operación incorrecta o falla en la operación de protección: el proceso transitorio de alta-frecuencia puede interferir con el muestreo y el juicio lógico de los dispositivos de protección basados en microcomputadoras-.

Soluciones y medidas de supresión

Los principales enfoques de solución giran en torno a "limitar la corriente de entrada", "prevenir el reencendido" y "absorber/limitar la sobretensión".

Optimizar la selección y uso de disyuntores.

1.Seleccione disyuntores de vacío de "grado C2" o "dedicados a la interrupción de corriente capacitiva": Esta es la medida más fundamental y efectiva. Estos disyuntores han sido verificados mediante estrictas pruebas de tipo y pueden garantizar que no se produzca un reinicio o que la probabilidad de un reinicio sea extremadamente baja al interrumpir la corriente capacitiva nominal. Sus materiales de contacto, diseños de campos magnéticos y procesos de fabricación están optimizados para cargas capacitivas.

Evite el uso de disyuntores de uso general-o solo probados "L75": los disyuntores de uso general-pueden cumplir con los requisitos de interrupción de cargas inductivas, pero no pueden garantizar el rendimiento de interrupción de cargas capacitivas.

Garantice características mecánicas estables: asegúrese de que la velocidad de apertura del disyuntor sea lo suficientemente rápida y estable para establecer rápidamente una distancia de apertura suficiente y mejorar la resistencia de recuperación dieléctrica.

2. Instalación de Dispositivos de Protección contra Sobretensión

Pararrayos de Óxido Metálico (MOA): Conectado en paralelo al inicio del banco de capacitores o en el lado de la barra colectora, es una configuración estándar para limitar la amplitud de la sobretensión. Puede limitar la sobretensión a un nivel seguro. Se debe seleccionar e instalar el modelo apropiado con voltaje de funcionamiento continuo y voltaje residual adecuados lo más cerca posible del banco de capacitores.

Circuito de absorción de amortiguación RC: se instala un circuito de capacitor de resistencia-en paralelo a través de los contactos del disyuntor o entre el banco de capacitores y el disyuntor.

Función: Reducir la tasa de aumento de la tensión de recuperación (du/dt); para proporcionar una ruta de baja-impedancia para la corriente de alta-frecuencia que puede ocurrir después de reiniciarse y consumir su energía; para suprimir la sobretensión de interrupción actual.

Clave de diseño: Los parámetros (valores R y C) deben calcularse en función de los parámetros del sistema para lograr el mejor efecto de amortiguación.

3. Mejorar los métodos de operación.

Adopte interruptores síncronos (dispositivos de cierre/disparo de selección de fase): al controlar el disyuntor para que se cierre en el momento en que la diferencia entre el voltaje del sistema y el voltaje residual del capacitor es la más pequeña (como en el cruce por cero del voltaje), la corriente de entrada y la sobretensión en el cierre se pueden **reducir considerablemente**. De manera similar, también se puede controlar para que se dispare con precisión en el cruce por cero de la corriente, lo que reduce el riesgo de interrupción de la corriente. Actualmente se trata de una tecnología avanzada para suprimir las sobretensiones de funcionamiento.

Optimice la secuencia de operación: Para bancos de capacitores en paralelo, se recomienda que la secuencia de operación sea la siguiente: cuando esté apagado, desconecte primero el disyuntor y luego el interruptor de aislamiento; cuando esté encendido, cierre primero el interruptor de aislamiento y luego el disyuntor. Evite operar condensadores cargados con el interruptor de aislamiento.

4. Consideraciones-del sistema

Reactores en serie: Los reactores en serie con una determinada tasa de reactancia (normalmente del 0,5 % al 1 % para limitar la corriente de entrada y del 5 % al 6 % para suprimir la amplificación armónica) se conectan en el circuito del banco de condensadores.

Funciones: Limitar la amplitud y frecuencia de la corriente de irrupción; formar una rama de filtro con condensadores; También puede cambiar los parámetros del proceso transitorio hasta cierto punto y afectar las condiciones de reinicio.

Diseño eléctrico razonable: acorte la longitud de la línea de conexión entre el banco de capacitores y el disyuntor, reduzca el inductancia del bucle

Resumen y sugerencias

El problema de sobretensión causado por los disyuntores en vacío que conectan bancos de capacitores se debe fundamentalmente al conflicto entre las características de interrupción y reinicio de corriente de los arcos en vacío y las características de almacenamiento de energía de los capacitores.

Las estrategias de solución deben seguir la siguiente jerarquía:

1. Primero la prevención (abordar la causa raíz): Durante las etapas de diseño y adquisición, solo se deben seleccionar disyuntores de vacío o de "grado C2" diseñados específicamente para la conmutación de bancos de capacitores que hayan sido certificados por organismos autorizados.

2. Protección como escudo (abordando los síntomas): Estandarizar la configuración de los pararrayos de óxido metálico (MOA) como última línea de defensa contra la sobretensión.

3. Optimización como medida auxiliar (mejora de la eficiencia): Dependiendo de la importancia y el presupuesto del proyecto, considerar instalar circuitos de amortiguación RC, interruptores síncronos y configurar racionalmente reactores en serie.

4. Operación y mantenimiento como base: Inspeccionar periódicamente las características mecánicas de los disyuntores y el estado de los descargadores, y seguir estrictamente los procedimientos de operación correctos.

En la ingeniería práctica, se debe realizar una comparación técnica y económica teniendo en cuenta factores como el nivel de voltaje del sistema, la capacidad del banco de capacitores, el modo de operación y el costo, para seleccionar una o más medidas de supresión combinadas para garantizar el funcionamiento seguro y confiable del sistema.

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