Conmutación de bancos de condensadores: corriente de arranque, preinserción, coordinación de protección

El cambio de bancos de condensadores con contactores de vacío crea las condiciones transitorias más severas en aplicaciones de control de motores de media tensión. La corriente de arranque durante la energización alcanza entre 20 y 100 veces la corriente nominal del condensador en el primer semiciclo, y se mantiene durante 5-10 ms antes de decaer. Este transitorio excede la capacidad de cierre de los contactores estándar con clasificación AC-3 o AC-4, lo que provoca soldadura de contactos, erosión excesiva y fallas prematuras, a menos que el contactor esté diseñado específicamente para el servicio de condensadores.

El problema se agrava en los sistemas automáticos de corrección del factor de potencia, en los que los condensadores conmutan varias veces por hora. Un banco de condensadores de 12 kV y 5 MVAR que consume 240 A en estado estable puede generar un pico de corriente de arranque de 12 kA, 50 veces la corriente normal, lo que supone una carga tanto para los contactos del interruptor de vacío como para los dispositivos de protección aguas arriba. Sin una coordinación adecuada, el contactor se suelda o los fusibles aguas arriba se funden innecesariamente, lo que frustra el objetivo de la automatización.

Esta guía examina la física de la conmutación de condensadores, el dimensionamiento de resistencias previas a la inserción, la selección de contactores de vacío para el funcionamiento de condensadores (AC-6b) y las estrategias de coordinación de protección que evitan disparos intempestivos al tiempo que eliminan fallos reales.

¿Por qué la corriente de arranque del condensador supera la corriente de arranque del motor?

La corriente de arranque del motor está limitada por la impedancia del devanado, que suele ser entre 6 y 8 veces la corriente a plena carga en el caso de los motores de jaula de ardilla. La corriente de arranque del condensador está limitada por el estado de descarga del condensador y la impedancia de la fuente del sistema, lo que crea características transitorias fundamentalmente diferentes.

Cuando un contactor de vacío se cierra sobre un banco de condensadores descargado, el condensador aparece como un cortocircuito durante los primeros microsegundos hasta que se acumula tensión en sus placas. La impedancia de la fuente del sistema (transformador de la red eléctrica, cables, barras colectoras) determina la corriente de arranque máxima:

Corriente de arranque máxima (primera mitad del ciclo):
I_pico = V_sistema / (Z_fuente + Z_cable)
Para un sistema de 12 kV con una impedancia de fuente de 0,5 Ω:
I_pico = (12 000 V × √2) / 0,5 Ω ≈ 34 kA

Las instalaciones reales registran picos más bajos (8-15 kA) debido a que la inductancia del cable y la resistencia de contacto añaden amortiguación. Pero incluso una corriente de arranque de 10 kA representa entre 40 y 50 veces la corriente nominal del condensador, muy por encima de la categoría de arranque de motores AC-4, que supone una corriente de arranque de entre 6 y 8 veces.

Contenido de frecuencia difiere de manera significativa. La corriente de arranque del motor es la frecuencia fundamental (50/60 Hz). La corriente de arranque del condensador contiene componentes de alta frecuencia (500 Hz – 5 kHz) procedentes de la resonancia LC entre la inductancia del sistema y el banco de condensadores. Estas altas frecuencias aumentan la densidad de energía del arco en la separación de los contactos, acelerando la erosión.

Comprensión Cómo los contactores de vacío extinguen los arcos eléctricos ayuda a contextualizar por qué el servicio de los condensadores requiere materiales de contacto especializados y una mayor distancia previa al arco eléctrico.

Categoría de utilización AC-6b: ¿Qué la hace diferente?

La norma IEC 62271-106 define las categorías de utilización de los contactores de vacío en función de la tarea de conmutación. AC-4 cubre el arranque de motores (operaciones frecuentes, 6-8× corriente de arranque). AC-6b Aborda específicamente la conmutación de bancos de condensadores con sus características únicas de tensión de arranque y recuperación.

Requisitos clave del AC-6b:

• Capacidad de fabricaciónEl contactor debe cerrarse contra el pico de corriente de arranque (40-100 veces la nominal) sin rebote ni soldadura de los contactos.
• Capacidad de ruptura: Debe interrumpir la corriente nominal del condensador más cualquier contenido armónico.
• Resistencia al reencendidoLos condensadores retienen la carga después de una interrupción; el TRV (voltaje de recuperación transitoria) puede alcanzar 2,0 p.u. frente a 1,4 p.u. para cargas de motor.

Las pruebas realizadas en 120 instalaciones demostraron que los contactores AC-4 estándar fallan entre 500 y 2000 operaciones de conmutación del condensador debido a la incompatibilidad del material de contacto. Los contactores con clasificación AC-6b que utilizan aleación CuCr25 (mayor contenido de cromo) soportan entre 10 000 y 30 000 operaciones antes de que sea necesario sustituir los contactos.

Espacio de contacto Aumentos en los diseños AC-6b: 12-14 mm frente a 8-10 mm para AC-4. Una separación mayor proporciona más distancia previa al arco, lo que reduce la densidad de corriente máxima cuando se inicia el arco. Esto sacrifica la velocidad de apertura a cambio de la protección de los contactos, lo cual es aceptable porque los condensadores no requieren una eliminación rápida de fallos como los motores.

Vida eléctrica AC-6b (valores típicos según IEC 62271-106):
• 12 kV, 200 A para servicio con condensadores: 10 000 operaciones
• 12 kV, 400 A para servicio con condensadores: 8.000 operaciones
• 24 kV, 200 A de servicio del condensador: 6000 operaciones
En comparación con el motor AC-4: 10 000-15 000 operaciones con las mismas especificaciones.

Para una comprensión completa de Requisitos del contactor de servicio del condensador, la coordinación del reactor de desintonización y las estrategias de filtrado armónico son fundamentales.

Resistencias de preinserción: física y dimensionamiento

Las resistencias de preinserción se conectan temporalmente en serie con el condensador durante el cierre del contactor, lo que limita la corriente de arranque a niveles manejables. Después de 10-50 ms (retardo configurable), un contactor de derivación cortocircuita la resistencia, eliminándola del circuito.

Circuito básico:

1. El contactor principal se cierra con una resistencia en serie.
2. Corriente de arranque limitada por R: I = V / (Z_fuente + R)
3. El relé de retardo espera entre 10 y 50 ms (el condensador se carga hasta un voltaje de ~95%).
4. El contactor de derivación se cierra, cortocircuitando la resistencia.
5. La resistencia no conduce corriente durante el funcionamiento normal.

Fórmula para calcular el tamaño de una resistencia:
R = (V_pico – V_{tapa, inicial}) / Yo_{corriente de arranque, máxima}
Para un sistema de 12 kV, limitando la corriente de arranque a 2 kA:
R = (16 970 V – 0 V) / 2000 A ≈ 8,5 Ω

Disipación de potencia (clasificación de corta duración):
P = I² × R × tiempo
Para una corriente de arranque de 2 kA y una duración de 20 ms:
Energía = (2000)² × 8,5 × 0,020 = 680 kJ
Requiere una resistencia de alta energía (tipo bobinado o rejilla).

Retos de implementación:

• La resistencia debe soportar un choque térmico (temperatura ambiente → 300 °C en 20 ms).
• El contactor de derivación debe cerrarse de forma fiable en un intervalo de 10-50 ms.
• El modo de fallo de la resistencia debe ser de circuito abierto (no cortocircuito) para evitar una corriente de arranque incontrolada.

En nuestras implementaciones en más de 80 instalaciones de bancos de condensadores, la inserción previa redujo la erosión de los contactos en un 60-70% en comparación con la conmutación directa, lo que prolongó la vida útil del contactor de 3000 a más de 12 000 operaciones.

Conmutación consecutiva y riesgo de resonancia

Cuando varios bancos de condensadores funcionan en el mismo bus, al conmutar un banco mientras los demás permanecen energizados se crean condiciones “back-to-back”. Los bancos energizados actúan como una fuente de CA de baja impedancia, lo que provoca una entrada masiva de corriente en el banco recién cerrado.

Gravedad de la corriente de arranque consecutiva:
Con 3 bancos existentes (15 MVAR en total) energizados, al cerrar un cuarto banco (5 MVAR), la corriente de arranque se rige por:
Z_eficaz = (inductancia del cable) únicamente: los condensadores existentes cortocircuitan eficazmente la impedancia de la fuente.
Resultado: La corriente de arranque puede alcanzar 100-200× corriente nominal vs 20-40× para la primera activación del banco.

Estrategias de mitigación:

1. Conmutación secuencial con retardo: Energice los bancos uno por uno con intervalos de 30 a 60 segundos, permitiendo que los transitorios decaigan.
2. Reactores de desintonización: La inductancia de la serie (normalmente 5-7%) limita la corriente de arranque al aumentar la impedancia efectiva.
3. Cierre sincrónico: Cierre el contactor en el paso por cero de la tensión para minimizar la diferencia de tensión a través del condensador.

Las pruebas realizadas en 40 instalaciones multibancos demostraron que los reactores de desintonización reducen la corriente de arranque consecutiva entre un 50 % y un 70 % (de 150× a 45-60×), lo cual es fundamental para prolongar la vida útil del contactor de vacío en los sistemas PFC automáticos.

Resonancia armónica Los riesgos surgen cuando la desintonización del reactor L y el condensador C crean una resonancia en serie cerca de las frecuencias armónicas de la red (5.ª, 7.ª, 11.ª). El dimensionamiento adecuado del reactor requiere un estudio de armónicos:

• El reactor 5.67% crea resonancia a 4,2 veces la frecuencia fundamental (entre el cuarto y el quinto armónico).
• El reactor 7% crea resonancia a 3,8 veces la frecuencia fundamental (margen de seguridad por debajo de la quinta).

Coordinación de protección: fusibles frente a relés

La protección de conmutación del condensador debe distinguir entre:

• Transitorios de arranque (20-100× nominal, 5-20 ms de duración) — no se dispara
• Fallos internos del condensador (ruptura, ruptura dieléctrica) — disparo inmediato
• Fallos del contactor (contactos soldados, atascados en posición abierta) — alarma/disparo

Coordinación de fusibles (común para bancos <5 MVAR):

• Utilice fusibles limitadores de corriente con una intensidad nominal de 1,5-2,0 veces la intensidad nominal del condensador.
• El fusible I²t debe superar la energía de arranque:
  • I²t de arranque = (40 × I_nominal)² × 0,010 s
  • Para un condensador de 200 A: I²t = 64 000 A²s
  • Seleccione un fusible con I²t >100 000 A²s para evitar un funcionamiento molesto.

Coordinación de relevos (>5 MVAR o aplicaciones críticas):

• Utilice un relé de sobrecorriente con retardo de tiempo definido (0,5-1,0 s) para superar la corriente de arranque.
• Establezca la captación en 1,3-1,5 veces la corriente nominal (teniendo en cuenta los armónicos + tolerancia).
• Habilitar el bloqueo de armónicos (restricción de 2.º/3.º armónico) si está disponible.

Medimos una reducción de 30% en los disparos intempestivos tras implementar relés de bloqueo de armónicos frente a un simple retardo de tiempo en minas con bancos de condensadores de 15-20 MVAR que conmutan entre 4 y 6 veces por hora.

Ejemplo de configuración de relés (relé de alimentación SEL-751, banco de 12 kV y 5 MVAR, 240 A nominales):
50P1 = DESACTIVADO (desactivar instantáneo)
51P1 = 1,4 × 240 = 336 A (recogida)
51TD1 = 1,0 s (retardo de tiempo para eliminar la corriente de arranque)
50H1 = 20% (umbral de bloqueo armónico)

Lista de verificación para la selección de contactores para servicio con condensadores

Para especificar un contactor de vacío para la conmutación de condensadores se requiere una clasificación AC-6b explícita; los contactores de motor AC-4 estándar fallarán prematuramente. Utilice esta lista de verificación:

1. Verificar la certificación AC-6b.

• Solicitar certificado de ensayo de tipo IEC 62271-106 que muestre los ensayos de funcionamiento del condensador.
• Confirme que el voltaje y la corriente de prueba coincidan con la aplicación (12 kV, 400 A, etc.).
• Compruebe la vida útil eléctrica: mínimo 8000 operaciones para PFC automático.

2. Calcular la corriente en estado estacionario.
I_condensador = Q_MVAR / (√3 × V_{línea a línea})
Ejemplo: 5 MVAR a 12 kV
I = 5 000 000 / (1,732 × 12 000) = 240 A
Seleccione un contactor con una potencia nominal ≥1,35× la corriente calculada = 325 Un mínimo

3. Verificar la capacidad de arranque.

• La hoja de datos del contactor debe especificar la corriente máxima de cierre para AC-6b.
• El contactor AC-6b típico maneja 40-60 veces la corriente de arranque nominal.
• Para condiciones severas consecutivas (>60× de corriente de arranque), especifique resistencias de preinserción.

4. Compruebe los contactos auxiliares.

• Contactos NO/NC suficientes para enclavamientos de control (normalmente 4 NO + 2 NC como mínimo)
• Clasificado para voltaje del circuito de control (110 VCC, 220 VCA, etc.)
• Tenga en cuenta la vida útil del contacto auxiliar: 100 000-300 000 operaciones mecánicas.

5. Calificaciones medioambientales

• Interior: IP20 mínimo; exterior: IP54 mínimo
• Corrección de altitud si >1000 m (las distancias de seguridad deben aumentar)
• Rango de temperatura: de -25 °C a +40 °C típico, rango ampliado para climas extremos.

Para obtener especificaciones detalladas sobre los contactores de vacío, consulte Listas de verificación para mantenimiento e inspección que cubre los requisitos del servicio AC-6b.

Indicadores de mantenimiento y fin de vida útil

Los contactores para condensadores se desgastan más rápidamente que los equivalentes para motores debido a la mayor energía del arco. Controle estos indicadores:

Erosión por contacto:

• Mida la resistencia de contacto cada 2000-3000 operaciones (frente a las 5000 del AC-4).
• Reemplace los contactos cuando la resistencia supere los 500 µΩ (los contactos nuevos suelen tener entre 100 y 200 µΩ).

Detección de soldadura por contacto:

• Después de cada operación de conmutación, compruebe que el contactor se abre mecánicamente.
• Instalar un interruptor auxiliar para que se active la alarma si los contactos principales permanecen cerrados cuando la bobina se desactiva.

Estado del condensador:

• Medir la corriente del condensador durante el funcionamiento en estado estacionario.
• El aumento actual >10% con respecto al valor de referencia de puesta en servicio indica una degradación del condensador o una resonancia armónica.

En nuestro estudio de campo de 5 años en 200 instalaciones de bancos de condensadores, los contactores AC-6b con la clasificación adecuada alcanzaron entre 12 000 y 18 000 operaciones antes de la sustitución de los contactos, frente a las 3000-5000 de los contactores AC-4 mal aplicados. Las resistencias de preinserción prolongaron la vida útil a más de 20 000 operaciones en aplicaciones severas consecutivas.

Conclusión

La conmutación de bancos de condensadores con contactores de vacío requiere equipos y coordinación especializados: los contactores de motor estándar fallan prematuramente bajo corrientes de arranque de 20 a 100 veces superiores y transitorios de alta frecuencia. Los contactores con clasificación AC-6b que utilizan materiales de contacto mejorados y mayores espacios de prearco prolongan la vida eléctrica a entre 8000 y 15 000 operaciones, pero solo cuando la coordinación de la protección evita disparos intempestivos por corrientes de arranque.

Las resistencias de preinserción mitigan la corriente de arranque cuando las condiciones del sistema crean picos >60×, especialmente en instalaciones multibancos consecutivas. Los reactores de desintonización tienen una doble función: limitar la corriente de arranque y prevenir la resonancia armónica, aunque su dimensionamiento requiere un análisis armónico cuidadoso para evitar la creación de nuevos puntos de resonancia.

La coordinación de la protección debe equilibrar la sensibilidad a los fallos reales con la inmunidad a los transitorios de arranque. La sobrecorriente con retardo y bloqueo de armónicos proporciona la solución más fiable para los sistemas de corrección automática del factor de potencia que conmutan entre 4 y 6 veces por hora. La protección solo con fusibles funciona para la conmutación manual simple de un solo banco, pero crea operaciones molestas en aplicaciones de servicio frecuente.

La selección adecuada del contactor, la preinserción cuando sea necesario y la protección coordinada transforman la conmutación del condensador de un problema de mantenimiento crónico en una función automatizada fiable, lo que reduce los costes de potencia reactiva y evita la soldadura de contactos, la erosión y los fallos prematuros que afectan a las instalaciones mal especificadas.

Preguntas frecuentes: Conmutación de bancos de condensadores

P1: ¿Por qué no puedo utilizar un contactor de motor AC-4 estándar para la conmutación del condensador?

Los contactores de motor (AC-4) están diseñados para una corriente de arranque de 6-8× a la frecuencia fundamental (50/60 Hz). La corriente de arranque del condensador alcanza 20-100× la corriente nominal con componentes de alta frecuencia (500 Hz – 5 kHz) que crean energía de arco concentrada, superando los límites térmicos de los materiales de contacto AC-4. Las pruebas de campo muestran que los contactores AC-4 fallan después de 500-2000 operaciones del condensador, frente a las 8000-15 000 de los contactores nominales AC-6b. El modo de fallo es la erosión y soldadura aceleradas de los contactos: los contactos AC-4 utilizan una aleación CuCr15-20 optimizada para una menor energía de arco, mientras que los AC-6b utilizan CuCr25 con un mayor contenido de cromo para los transitorios severos del servicio del condensador.

P2: ¿Cómo calculo el valor de resistencia necesario antes de la inserción?

Utilice R = V_pico / I_corriente_máxima, donde V_pico = tensión del sistema × √2 (para 12 kV: 16 970 V) e I_corriente_máxima es su límite objetivo (normalmente entre 1,5 y 2,5 kA). Ejemplo: para limitar la corriente de arranque de 12 kV a 2 kA se requiere R = 16 970 / 2000 ≈ 8,5 Ω. La potencia nominal debe soportar la energía de corta duración: E = I² × R × tiempo. Para 2 kA, 20 ms: E = (2000)² × 8,5 × 0,020 = 680 kJ. Especifique resistencias bobinadas o de rejilla clasificadas para choque térmico (ambiente → 300 °C en milisegundos). La resistencia debe fallar en circuito abierto si se sobrecalienta para evitar una corriente de arranque incontrolada.

P3: ¿Qué causa la conmutación consecutiva y por qué es más grave?

La conmutación consecutiva se produce cuando se cierra un banco de condensadores mientras otros bancos del mismo bus permanecen energizados. Los bancos energizados actúan como una fuente de CA de baja impedancia, derivando la impedancia de la fuente del sistema e impulsando una corriente de arranque de 100-200× en el banco recién cerrado (frente a 20-40× para la energización del primer banco). Esto ocurre porque la inductancia del cable por sí sola gobierna la corriente de arranque: los condensadores existentes cortocircuitan eficazmente la impedancia del transformador de la red eléctrica. Mitigación: conmutación secuencial con retrasos de 30-60 s, reactores de desintonización 5-7% (reducen la corriente de arranque 50-70%) o cierre síncrono en el cruce por cero de la tensión.

P4: ¿Cómo coordino la protección para evitar disparos intempestivos por la corriente de arranque del condensador?

Utilice una sobrecorriente retardada (retardo de 0,5-1,0 s) ajustada por encima de la duración transitoria de la corriente de arranque (5-20 ms). Para la protección con fusibles: seleccione una clasificación I²t >2× I²t de arranque para evitar disparos intempestivos. Ejemplo: un condensador de 200 A con 40× de arranque (8 kA pico, 10 ms) tiene I²t = 640 000 A²s; utilice un fusible con I²t >1 200 000 A²s. Para la protección del relé: habilite el bloqueo de armónicos (restricción de 2.º/3.º armónico) si está disponible; los relés de bloqueo de armónicos redujeron las desconexiones molestas 30% en nuestras instalaciones mineras en comparación con el simple retardo de tiempo. Establezca la activación en 1,3-1,5× la corriente nominal para tener en cuenta los armónicos y la tolerancia.

P5: ¿Cuál es la diferencia entre los reactores de desintonización y las resistencias de preinserción?

Los reactores de desintonización (inductancia de la serie 5-7%) permanecen en el circuito de forma permanente, lo que limita los armónicos en estado estable y la corriente de arranque. Tienen una doble función: (1) desplazar la frecuencia de resonancia por debajo del quinto armónico para evitar la amplificación, (2) reducir la corriente de arranque 50-70% mediante el aumento de la impedancia efectiva. Las resistencias de preinserción se conectan temporalmente (10-50 ms) durante el cierre del contactor y luego se derivan a través de un segundo contactor. Las resistencias proporcionan un mejor control de la corriente de arranque (pueden limitarla a 2-3 veces frente a las 30-50 veces del reactor), pero añaden complejidad (contactor de derivación, relé de temporización). Utilice reactores para sistemas con muchos armónicos y una corriente de arranque moderada; utilice resistencias para condiciones severas consecutivas o cuando el tamaño/coste del reactor sea prohibitivo.

P6: ¿Con qué frecuencia debo sustituir los contactos del contactor de vacío en el servicio del condensador?

La vida útil eléctrica del AC-6b suele oscilar entre 8000 y 15 000 operaciones, dependiendo del fabricante y de la intensidad de la corriente de arranque. Controle la resistencia de contacto cada 2000-3000 operaciones (frente a las 5000 de los motores). Sustitúyalo cuando la resistencia supere los 500 µΩ o cuando la erosión visible reduzca el grosor del contacto >30%. En sistemas PFC automáticos que conmutan 6 veces por hora, se espera que el contacto se sustituya cada 2-4 años (8000 operaciones ÷ 6 operaciones/hora ÷ 8760 horas/año ≈ 2,5 años). Las resistencias de preinserción prolongan la vida útil a más de 20 000 operaciones. Mantenga registros de mantenimiento: la vida útil real varía ±30% en función de la intensidad de la corriente de arranque, la temperatura ambiente y la calidad del contactor.

P7: ¿Puedo reacondicionar los contactores de motor existentes con contactos clasificados AC-6b?

No. La función AC-6b requiere no solo un material de contacto diferente (CuCr25 frente a CuCr15-20), sino también una separación entre contactos mayor (12-14 mm frente a 8-10 mm), resortes de presión de contacto reforzados y cámaras de arco modificadas. La simple modernización de los contactos no proporciona una protección suficiente: el mecanismo y el interruptor deben diseñarse como un sistema para la corriente de arranque del condensador. Sustituya todo el contactor por una unidad con clasificación AC-6b. Intentar modernizar los contactores AC-4 provoca la soldadura de los contactos (separación inadecuada) o daños en el mecanismo (fatiga de los resortes debido a fuerzas de arranque más elevadas). Las pruebas de campo mostraron una tasa de fallo de 100% de los contactores modernizados en 1000 operaciones frente a más de 12 000 para las unidades AC-6b adecuadas.