ANÁLISIS DEL EFECTO BACK TO BACK EN CONDENSADORES DE DISTRIBUCIÓN EN LA RED DE CORPOELEC 12,47kV

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1 1/6 Title ANÁLISIS DEL EFECTO BACK TO BACK EN CONDENSADORES DE DISTRIBUCIÓN EN LA RED DE CORPOELEC 1,47kV Registration Nº: (Abstract) 851 Empresa o entidad CORPOELEC Región Capital (Venezuela) Authors of the paper Name Country Héctor Briceño Venezuela hectorbg19@gmail.com Mario Izquier Venezuela mario.izquier@gmail.com Key words Back to back, condensador, fusible, inrush, outrush Con la necesidad, cada vez mayor, de aumentar la capacidad de distribución en circuitos de media tensión y reducir pérdidas (kwh), pero manteniendo un adecuado control de voltaje, se ha incrementado el uso de bancos de condensadores en el sistema de distribución. Sin embargo, el aprovechamiento de estos bancos está condicionado a criterios de protección estrictos que garanticen el aislamiento de estos uipos ante condiciones anormales que pueden ocasionar daños graves o evitar la operación no deseada de las protecciones (fusibles), atribuidas a fenómenos transitorios, que antiguamente eran despreciados. El presente trabajo tiene el propósito de analizar el efecto back to back en los condensadores instalados en la red de distribución (1,47 kv), considerando las conexiones de los bancos (estrella con neutro puesta tierra o neutro aislado), esquemas de protecciones implementados por CORPOELEC Región Capital (Venezuela), y así obtener las ventajas y desventajas de cada una de los aspectos antes mencionados. Finalmente se presenta un resumen que describe el esquema de protección adoptado, tipo de conexión del banco, además de un conjunto de sugerencias referidas a las distancias mínimas que deben existir desde la subestación y entre bancos, las cuales permitieron disminuir la probabilidad de operaciones no deseadas en las protecciones. 1 / 6

2 /6 INTRODUCCIÓN Los bancos de condensadores en derivación instalados en poste son ampliamente usados en sistemas de distribución para proporcionar la potencia reactiva (kvar) ruerida por la carga y son ubicados a lo largo de un circuito mediante criterios de localización que pueden variar entre Operadoras que prestan el servicio eléctrico. Estos bancos de condensadores proporcionan beneficios en la regulación del voltaje, mejora del factor de potencia, aumento en la capacidad de la potencia transmitida a través de algunos elementos de la red (cables, transformadores, otros) y reducción de pérdidas de potencia activa (kw) [3]. Sin embargo, durante la operación de los bancos de condensadores, producto de su energización o desenergización, se producen fenómenos transitorios como inrush y outrush, capaces de alcanzar elevados valores de corriente y frecuencia que pueden repercutir negativamente en la operación del esquema de protecciones adoptado. [1] Es por esta razón que para el máximo aprovechamiento de la utilidad de los bancos de condensadores, se ruieren confiables esquemas de protección; los cuales, frente a condiciones anormales de operación, deben aislar a las unidades capacitivas instaladas por fase o, en su defecto, al banco mismo del sistema, antes que una falla se establezca en la red y produzca daños graves. Además, se debe garantizar la continuidad de la operación de los bancos ante fenómenos transitorios que eran despreciados anteriormente en sistemas de distribución, tal como el efecto back to back. METODOLOGÍA 1. Condensador Una gran variedad de valores nominales de condensadores están disponibles en el mercado, sin embargo, para este estudio sólo se emplearon aquellos normalizados por CORPOELEC Región Capital (Venezuela), capaces de soportar 5 ka rms simétrico de cortocircuito y cuyo valor corresponde a bancos de 3x100, 6x100 y 3x00 kvar, es decir, uno o dos por fase de acuerdo al caso, los cuales operan en una red aérea de media tensión de 1,47 kv [11]. Éstos, al igual que cualquier otro elemento o uipo instalado en poste, cuentan posiblemente con descargadores de sobretensión, fusibles de expulsión, interruptor, transformador para medición y un sistema de control (ver Figura N 1). [1] Figura N 1. Bancos de condensadores en instalaciones aéreas con fusible fundido. En CORPOELEC Región Capital (Venezuela), se cuenta con bancos de condensadores operados en redes subterráneas, sin embargo, sólo se consideraron aquellos instalados en poste, que pueden ser fijos o con un control local (horario), los cuales son protegidos con fusibles de expulsión tipo K. La compensación reactiva (kvar) brinda enormes beneficios técnicos y económicos a los sistemas de distribución y es por esta razón que los bancos de condensadores son instalados, ya que permiten [3]: - Regulación de voltaje. - Mejorar factor de potencia. - Reducir pérdidas. - Liberar capacidad de distribución para aumentar la potencia transmitida. - Pronta recuperación de la inversión.. Conexión del banco de condensadores Existen tres tipos de conexiones de bancos de condensadores: delta ( ), estrella con neutro puesto a tierra ( ) o sin neutro puesto a tierra (Y); sin embargo, para el sistema de distribución en estudio que corresponde a un nivel de tensión de 1,47 kv, en estrella con neutro corrido y sólidamente puesto a tierra, sólo se utilizan las dos últimas conexiones: estrella con neutro puesto a tierra o sin neutro puesto a tierra. [11] De acuerdo al tipo de conexión la corriente de falla (I F ) cambia, ya que los bancos conectados en, la corriente depende del nivel de cortocircuito / 6

3 3/6 disponible en el punto de instalación de éste (I SC ), mientras que para los conectados en Y, esta corriente alcanzará un valor de tres veces la corriente nominal del banco de condensadores (3*I C ). I pk * kv * 3 C L (1) 3. Operación de banco de condensadores Cuando un banco de condensadores es conectado (energizado) o desenergizado del sistema, se producen transitorios de corriente y voltaje, liberando elevados valores de energía que podrían causar operaciones no deseadas en esquemas de protecciones adoptados. En sistemas de potencia son muy comunes calcularlos, sin embargo, en el diseño de sistemas de distribución su efecto tiende a despreciarse, debido a su corta duración y rápida atenuación, comparado con otros fenómenos transitorios como la energización de un transformador o arranque de un motor. 3.1 Energización del banco Energización aislada En la Figura Nº, se observa un circuito uivalente para un banco de condensadores aislado con una predominante inductancia (L ) de la fuente. Cuando se cierra el interruptor se producen elevados valores de corriente y frecuencia, debido a que se intenta igualar la tensión del sistema con el voltaje del banco. [4] Figura Nº. Circuito de energización de un banco aislado. [4] Este fenómeno transitorio produce la corriente de inrush, hasta 0 veces la corriente nominal (0*I C ), y es máxima cuando el valor de tensión de la fuente se encuentra en su valor pico (ver ecuación i, para la conexión ). Cuando se emplea un banco de condensadores conectado en estrella sin neutro puesto a tierra el valor de corriente puede ser superior. [7] f pk 1 * L 1 * C 10 () C = capacitancia uivalente para ambos condensadores, en faradio (F). C 1 = capacitancia del condensador previamente energizado, en faradio (F). C = capacitancia del condensador por energizar, en faradio (F). L = inductancia uivalente entre C 1 y C, en henrio (H). R= resistencia entre C 1 y C, en Ω/ km. D min = distancia entre C 1 y C, en kilómetros (km). 3 / 6 * 6 kv C I t 3R * D min (3) Donde: I pk = valor pico de la corriente inrush en ka. f pk = frecuencia de la corriente inrush en Hz. I t= energía liberada por la corriente transitoria, en Joule (J). Conexión del banco en Y, es,5* I t. kv= tensión de línea línea rms del sistema. C = C 1 capacitancia del condensador en farad (F). L = L SC = inductancia uivalente entre la fuente y el condensador, en henrio (H). R= resistencia entre la fuente y el condensador, en Ω/ km. D min = distancia mínima entre la fuente y el condensador, en kilómetros (km) Efecto back to back [1] Cuando un banco de condensadores es conectado cerca de otro previamente energizado (ver Figura Nº 3), surgen consideraciones adicionales al caso anterior. Se produce un valor de corriente y frecuencia, hasta 100 veces la corriente nominal del banco, siendo considerablemente superior a la energización de bancos aislados. Estos valores se pueden calcular utilizando las ecuaciones 1,, 3 y 4, donde: C C1 * C C C 1 (4)

4 4/6 utiliza un esquema de protección de unidades de condensadores, a través de fusibles por fase: individual en los bancos de 3x100 kvar y en grupo para los de 3x00 kvar. [11] Tabla Nº 1. Voltaje máximo permisible del condensador [5] Figura Nº 3. Circuito de energización de un banco, considerando el efecto back to back. [4] 3. Desenergización del banco Es en esta operación donde se produce la corriente de outrush que al igual que la corriente de inrush, es capaz de producir elevados valores de corriente y frecuencia, que combinada con la condición de precalentamiento del fusible puede causar la operación no deseada de la protección. La desenergizacion puede ser causada por una falla cercana a la ubicación del banco de condensadores (ver Figura Nº 4) y puede ser calculada utilizando las ecuaciones 1, y 3. Además, se debe considerar que L (H), R (Ω/ km) y D min (km), corresponden a la distancia entre C 1 y la localización de la falla. [1] Figura Nº 4. Outrush de un condensador ante una falla cercana. [4] 4. Protección del banco de condensadores CORPOELEC Región Capital (Venezuela), utiliza descargadores de sobretensión para proteger el banco de condensadores contra sobretensiones debido a maniobras, descargas atmosféricas u otros transitorios de voltaje no mencionados en este trabajo. Emplea fusibles de expulsión tipo K, para aislar las unidades de condensadores falladas del sistema y así despejar la falla antes que se produzca la ruptura del tanque (ver Figura Nº 5) o se deterioren las otras unidades sanas (ver Tabla Nº 1). Además, se Figura Nº 5. Coordinación entre la curva de ruptura del tanque (100 kvar) [6] y la curva del fusible 15K [10] conexión. La operación confiable de los bancos de condensadores dependerá, entre otras cosas, de su ubicación (distancias mínimas) y la dimensión adecuada del fusible, que debe seguir un proceso de selección riguroso, a través de las condiciones mencionadas a continuación: [6] 4 / 6

5 5/6 - Corriente continua mayor a 1,5*I C para bancos conectados en, y 1,35*I C (Y). - Corriente de inrush menor a la curva de corriente mínima del fusible, para disminuir la probabilidad de operaciones no deseadas. - En lugares con alta incidencia de descargas atmosféricas utilizar fusibles tipo T (lento) en lugar de K (rápido), sobre todo en aquellas instalaciones que ruieren fusibles de bajo amperaje. - Instalar fusibles con voltaje nominal línea línea del sistema para bancos conectados en Y, y línea neutro, cuando la conexión es. Para minimizar las probabilidades de rupturas del tanque del condensador o deterioro de las otras unidades sanas, el fusible debe ser seleccionado bajo los siguientes criterios: [6] - Interrumpir la máxima corriente de falla: nivel de cortocircuito disponible en el punto de ubicación del banco, para los bancos conectados en, y 3*I C (conexión Y). - La curva de despeje del fusible debe estar por debajo de la curva de ruptura del tanque de cada condensador. - Remover las unidades falladas antes que se alcancen los valores de voltaje permisibles en las unidades sanas (ver Tabla Nº 1). Debido a la dificultad de lograr esto en bancos conectados en Y, se ha permitido llegar hasta minutos para soportar la tensión línea línea del sistema, antes de despejarlo, obteniéndose buenos resultados. En cambio para los casos de back to back y outrush, se consideró un conductor 100 %, 4/0AWG Al. - En el efecto back to back, C se encuentra descargado. - La corriente de falla cercana al banco que produce el outrush, es trifásica (I F ) y existe precalentamiento del fusible [9]. La aplicación de los criterios y consideraciones del estudio, permitieron dimensionar los fusibles que se presentan en la Tabla Nº, junto con el cálculo de las distancias mínimas entre bancos que permitió atender los efectos transitorios del back to back (ver ecuaciones 3 y 4). Tabla Nº. Protección del banco y distancias mínimas entre ellos por conexión. Banco (kvar) Fusible "K" Conexión Conexión Y 3x x x Caso de estudio Se dimensionaron los fusibles tipo K, de acuerdo a los criterios establecidos en el punto 6 y considerando además: - Curva de ruptura del tanque del condensador tipo Paper/Film, indicada en la norma IEEE Std (ver Figura Nº 5). - El nivel de cortocircuito máximo permitido para la instalación de bancos es 7kA rms simétrico. - Se ajusta la curva del tanque a valores asimétricos para tiempos menores a 0,1 segundos, de acuerdo a la relación X/R del punto donde se ubica el banco en el circuito. Se asumen valores entre 5 y 7, tomando en consideración que el cable desde la subestación hasta el punto de instalación del condensador es 50 %, subterráneo (500kcmils XLPE15, R= 0,0991 y X= ) y 50 %, aéreo (4/0AWG Al, R= 0,3139 y X= 0,41407). Figura Nº 6. Coordinación entre la curva de ruptura del tanque [6] y la curva del fusible [10], usando curvas de energía 3x100 kvar. En la energización aislada se calculó el máximo nivel de cortocircuito simétrico (ka rms ) del 5 / 6

6 6/6 alimentador donde se puede localizar el banco de condensadores, capaz de producir la corriente de inrush (energía liberada), que disminuye la probabilidad de operación no deseada del fusible. Mediante la Figura Nº 7, banco conectado en, se obtuvo un valor menor a 4 ka rms, mientras que en la Figura Nº 8, banco conectado Y, el valor fue menor a 7 ka rms. Figura Nº 7. Coordinación entre la curva de ruptura del tanque [6] y la curva del fusible [10], usando curvas de energía 3x100 kvar Y. La corriente de outrush capaz de liberar valores de energía (I t) que pueden causar operaciones no deseadas en el fusible, son aquellas que se producen en distancias menores a las indicadas en la Tabla N 3. Tabla N 3. Distancias mínimas por outrush. Banco (kvar) Conexión Conexión Y 3x x x CONCLUSIONES - El efecto back to back como fenómeno transitorio puede considerarse como uno de los más importantes, debido a que los altos niveles de corriente y frecuencia, propios de éste, pueden liberar elevados niveles de energía que tienen la probabilidad de causar operaciones no deseadas en el uipo de protección del banco de condensadores (fusible). - Las corrientes de inrush y outrush del banco de condensadores depende, entre otras cosas, de la capacidad y conexión del banco, ubicación en el circuito y nivel de tensión del sistema. - El problema de la energización de bancos de condensadores aislados puede resolverse, instalándolos en lugares donde el nivel de cortocircuito simétrico no supere los 4 ka rms (conexión ) y 7 ka rms (conexión Y), mientras que el efecto back to back puede atenuarse manteniendo distancias mínimas entre bancos, de acuerdo a lo presentado en la Tabla N. - La corriente del outrush por condensadores ubicados en lugares con alto índice de descargas atmosféricas, puede ser atendido a través de la reubicación, redimensionamiento del banco o utilizando fusibles de operación más lenta. BIBLIOGRAFÍA [1] T. A. Short, Electric Power Distribution, CRC Press LLC, New York, 005. [] R. Natarajan, Power System Capacitors, Taylor & Francis Group LLC, USA, 004. [3] T. Gönen, Electric Power Distribution System Engineering. nd Ed, Taylor & Francis Group LLC, California, 008. [4] A. Greenwood, Electrical Transients in Power Systems. nd Edition, John Wiley & Sons, Inc, Canada, [5] IEEE Std , IEEE Standard for Shunt Power Capacitors. [6] IEEE Std , IEEE Guide for Application of Shunt Power Capacitors. [7] IEEE Std. C , IEEE Guide for the Protection of Shunt Capacitor Banks. [8] Data Bulletin S&C , Selection Guide for the Protection of Overhead Distribution Capacitor Banks, 199. [9] Data Bulletin S&C , Preloading Adjustment Factor Power Fuses, 005. [10] S&C Electric Company, < [con acceso 0/0/014]. [11] Norma de Diseño (IIC) 7: Conexiones de condensadores en alimentadores primarios de distribución, Departamento de Distribución, División de Planificación, Sección Diseño, / 6