CApacitor FAilure LaNÁLISIS: Un TOLUCIÓN CASE STUDY

Autor: Thomas M. Floreciente, P.E. t.blooming @ ieee.org, Eaton Electrical Asheville, Carolina del Norte

1.0 Introducción

Una planta de procesamiento de acero estaba experimentando fallos inexplicables de condensadores y operaciones de fusibles en un banco de condensadores conmutados automáticamente. Los rodillos de la planta y galvaniza chapa para la industria automotriz. Cualquier problema que interfiere con los programas de producción afecta a la línea de fondo. Con el aumento de las exigencias de productividad, la planta no puede darse el lujo de dedicar horas-hombre a los problemas recurrentes. Personal de la planta tienen que resolver los problemas que se producen en lugar de seguir para reemplazar equipos averiados o reiniciar el apagado procesos.

El mantenimiento de un factor de potencia aceptable es importante para la planta porque la estructura de tasas de utilidad incluye una penalización por bajo factor de potencia. El departamento de contabilidad hizo notar una reducción en la factura de electricidad cuando se añadieron los condensadores, demostrando que definitivamente están contribuyendo a la línea de fondo.

Debido a la carga variable en una de la planta de 480 Autobuses V que es necesario la corrección del factor de potencia, ingenieros de la planta eligieron un banco de condensadores conmutados automáticamente con cuatro pasos variables. Cuando los condensadores y fusibles en el banco comenzaron a fallar el recibo de la luz aumenta y procesos de la planta se vieron afectados.

2.0 Sistema de Energía Eléctrica

2.1. Descripción del sistema

Un diagrama de una línea simplificada que muestra las partes del sistema de alimentación pertinentes para este trabajo se muestra en la figura 1.

Figura 1. Una línea Diagrama del Sistema Eléctrico

La planta de procesamiento de acero se sirve en 13.2 kV en el extremo de una línea de distribución aérea radial. Esta línea cuenta con un MVA cortocircuito relativamente bajo para este nivel de tensión. El corto circuito en MVA 13.2 kV es 55 MVA con una relación de X / R 2.99. A partir de la medición, hay cuatro transformadores que sirven diversas partes de la planta. Estos van desde los transformadores 1000 a 3000 kVA.

Uno de los transformadores, un 13.2 En kV-480Y/277, 1500 estrella kVA delta a tierra con un 5.6% impedancia, sirve a la 480 Bus V donde está instalado el banco de condensadores conmutados automáticamente. Este es el banco que ha estado experimentando fallas de condensadores y operaciones de fusibles.

La batería de condensadores contiene dos 50 pasos fijos kvar y cuatro pasos conmutados de 50 KVAR cada uno para un total de 300 izquierda. Los condensadores que constituyen cada uno de los pasos son 16.67 izquierda, células trifásicos. Todas las calificaciones están en kvar 480 En. Ninguno de los pasos que se configuran como filtros de armónicos. Cada 50 grupo kvar está protegido por su propio conjunto de fusibles limitadores de corriente. Los pasos cambian dentro y fuera de servicio automáticamente según el algoritmo de control de corrección de factor de potencia en el banco.

Las medidas variables en el banco se conectan por medio de contactores electromecánicos. El algoritmo de control conmuta los pasos de entrada y salida con el fin de mantener un factor de potencia objetivo. Hay un retardo de tiempo cuando se cambia, ya sea añadiendo o quitando condensadores, para evitar la caza, la conmutación excesiva dentro y fuera de un paso.

El algoritmo de control también evita que la conmutación en un paso dentro de un minuto después de que se ha desconectado. Esto permite que carga atrapada se disipe a menos de 50 V antes de volver a. Esto se hace para que los condensadores no están en sanciones del factor de potencia. Liberación del sistema de encendido en cuando tienen una carga atrapada, capacidad no era un problema en este particular, que podría conducir a un servicio de conmutación excesiva. A multi-paso, automáticamente conmutación de banco transitorio. fue elegido debido a la naturaleza intermitente de

Estas dos limitaciones permiten períodos cortos de tiempo cuando el criterio de factor de potencia no se cumple. A fin de cuentas, sin embargo, el factor de potencia global desde un punto de vista de la demanda se mantiene por encima del nivel conjunto.

La carga en este 480 V bus incluye cuatro unidades de CC, se sirve de dos transformadores de aislamiento (dos unidades por transformador). Estas unidades funcionan intermitentemente como exige el proceso. El promedio de carga en el principal 1500 kVA del transformador era 550 Una, con un máximo de 990 A durante las mediciones. Las unidades son las únicas fuentes de armónicos significativos en el bus. Cuando las unidades extraen su corriente máxima, que pueden comprender de aproximadamente 40% de la carga del bus. Esto no sucede muy a menudo, sin embargo.

Con los capacitores de corrección del factor de potencia, La planta de procesamiento de acero procedentes de beneficios soporte de tensión, además de ahorro de costes debido a la reducción de la cantidad de cargas en este autobús especial.

2.2 Descripción del problema

La planta de procesamiento de acero estaba experimentando problemas con el banco de condensadores conmutados automáticamente durante algún tiempo antes de que investiguen el problema. El problema no fue descubierto de inmediato debido a que el banco no se comprueba regularmente. El problema se detectó por primera vez en la factura eléctrica. Seguimiento in situ Permanente puede haber detectado el problema antes.

La primera acción natural era simplemente para reemplazar los fusibles quemados que se encontraron. Más tarde se dio cuenta de que algunas células de condensadores también habían fallado. Estos también fueron reemplazados. Cuando persisten los problemas se llevó a cabo un examen detallado.

En el momento de las mediciones, algunos fusibles volaron y algunas células de condensadores habían fracasado. Los fusibles en los pasos variables 1 y 4 fueron soplado y uno de los tres 16.7 izquierda (trifásico) las células en el Paso 3 habían fracasado hasta el Paso 3 sólo se suministra 33.3 kvar en lugar de su valor nominal 50 izquierda.

No se observó ninguna causa obvia durante las mediciones que se realizaron. O el problema es debido a los efectos acumulativos en el tiempo o se trataba de un problema intermitente que no ocurrió durante las mediciones.

El hecho de que las fallas no se produjeron durante las mediciones hace más análisis necesarios para determinar la causa del problema. Si se han producido errores durante las mediciones, los datos de medición en el momento de los fallos podrían haber sido analizados y la causa pueden haber sido determinados mucho antes.

3.0 Las mediciones del sistema de potencia

3.1 Resultados de la medición de armónicos

Las posibles causas de los fracasos de condensadores y operaciones de fusibles incluidos armónicos y transitorios excesivos (sobretensiones). Las mediciones se realizaron para cuantificar los voltajes y corrientes armónicas en los condensadores con el fin de estudiar si los armónicos eran la causa de los fallos. El monitor de energía utilizada para estas mediciones también captura transitorios si se produjeran. Las mediciones también se realizaron en otras partes del sistema de potencia, incluyendo los accionamientos de corriente continua que se sabe que causan los armónicos, como parte de un esfuerzo de estudio más amplio.

Los valores medios de la distorsión armónica total de tensión (THD) y los cuartos, fundamental, y tensiones armónicas en el banco de condensadores con diferentes configuraciones de escalones kvar se presentan en la Tabla 1. Todas las configuraciones incluyen el 100 paso fijo izquierdo. Todos los valores indicados son promedios de tres fases. Todos los armónicos se dan en porcentaje de la fundamental.

Incluso armónicos de alto orden, tales como la 8^ª, 10^ª, 12^ª, 14^ª, et cetera normalmente no se informó, pero eran en este caso. Esto se hizo para investigar una posible condición de resonancia armónica cerca de esas frecuencias.

Los valores medios del THD actual y el valor eficaz, fundamental, y las corrientes armónicas que fluyen en el banco de condensadores con diferentes configuraciones de escalones kvar se presentan en la Tabla 2. Todas las configuraciones incluyen el 100 paso fijo izquierdo. Todos los valores indicados son promedios de tres fases. Todos los armónicos se dan en porcentaje de la fundamental.

Los valores medios del THD actual y el valor eficaz, fundamental, y corrientes armónicas que fluyen en varios otros lugares importantes se presentan en la Tabla 3. Todos los valores indicados son promedios de tres fases. Todos los armónicos se dan en porcentaje de la fundamental. Para los accionamientos de CC, todos los datos se presenta durante los períodos de carga significativa. Momento en que las unidades no estaban operando no está incluido en los datos del disco.

Mesa 1. Resumen Medición del voltaje del condensador

Mesa 2. Capacitor Resumen Medición de corriente

Mesa 3. Cargar Resumen Medición de corriente

Las mediciones muestran relativamente alto, pero no inusual, niveles de armónicos que se producen por el ancho de pulso modulado (PWM) unidades. En comparación, los armónicos en el banco de condensadores y en el transformador tienen mucho más alto que los niveles esperados de 11^ª y 13^ª armónicos relativos a los armónicos inyectados en el sistema por las unidades. Esto sugiere una condición de resonancia armónica. Este fenómeno se analiza en la Sección IV, Análisis Armónico.

3.2 Transitorias de medición Resultados

Durante el transcurso de las mediciones sólo había unas pocas transiciones importantes medidas, ninguno de los cuales se espera que cause problemas. El voltaje más alto era transitoria 1.74 por unido. Ninguno de los transitorios con significativamente alta tensión se prolongó durante más de 50 microsegundos.

Las únicas oscilaciones de tensión que tuvieron aumentos correspondientes en la corriente de algunos transitorios de conmutación de condensadores. Recordemos que el objetivo es encontrar la causa de las operaciones de fusibles, así como los fallos de condensadores. Por lo tanto actual también es de interés, no sólo voltaje. Uno de los transitorios grabados se muestra en la Figura 7 y se describe en la Sección VI.

4.0 Análisis Armónico

IEEE Std 519-1992 [2] analiza los posibles efectos de los armónicos en los condensadores. Algunas partes de la sección 6.5 de este documento se presentan a continuación:

Una preocupación importante que surge de la utilización de condensadores en un sistema de energía es la posibilidad de resonancia del sistema. Este efecto impone tensiones y corrientes que son considerablemente más altos que sería el caso sin resonancia. La reactancia de una batería de condensadores se reduce con frecuencia, y el banco, por lo tanto, actúa como un sumidero de altas corrientes armónicas. Este efecto aumenta el calentamiento y esfuerzos dieléctricos. El resultado del incremento en la temperatura y el estrés de tensión provocada por los armónicos es un condensador de la vida acortada.

Adición de condensadores hará que el sistema de potencia que se ajusta a una cierta armónica. Esto se conoce como resonancia en paralelo entre los condensadores y la fuente (incluyendo el transformador) inductancia. Una resonancia en paralelo presenta una alta impedancia a los armónicos inyectados en o cerca de la frecuencia de resonancia. Esto no debe confundirse con la resonancia en serie, que se utiliza en filtros de armónicos para presentar una baja impedancia a una frecuencia determinada para eliminar esa frecuencia del sistema.

Si la frecuencia resonante paralelo está cerca de las frecuencias armónicas inyectadas dentro de la planta, tensiones y corrientes en estas frecuencias se amplifican. Esto es más probable cuando la batería de condensadores es un banco conectado con múltiples pasos, ya que hay varias frecuencias de resonancia posibles. Resonancia puede provocar un aumento de los problemas de armónicos y puede llevar a fallas de condensadores.

Los cálculos se realizaron para estimar las frecuencias de resonancia del sistema de energía con diferentes niveles de capacitancia en línea. La frecuencia de resonancia de un sistema de, a un secundario del transformador, puede ser estimado con la fórmula siguiente. h es el armónico sintonizado del sistema, XC es la impedancia capacitiva de todos los condensadores conectados al bus secundario del transformador, y XLa es la impedancia inductiva del transformador (además primaria impedancia inductiva fuente, si está disponible).

La información para el transformador #3 es el siguiente: 1500 kVA, Z = 5,6%, 13.2 En kV-480Y/277. El corto circuito en el MVA 13.2 nivel kV (primario del transformador) es 55 MVA con una relación de X / R 2.99. Los cálculos de frecuencia de resonancia obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 4.

Exploraciones impedancia armónica se muestran en la figura 2. Estos análisis muestran la impedancia en una gama de frecuencias para tres configuraciones de sistemas. La primera configuración es sin ningún tipo de condensadores o filtros conectados al secundario del transformador. La segunda configuración es con 150 nueve en línea, como a menudo era el caso durante las mediciones. Las tercera configurationis con un 150 banco del condensador kvar reemplazado A4.7^ª filtro de armónicos.

Mesa 4. Cálculos de frecuencias resonantes

Los escáneres de impedancia se realizan sin cargas de la planta conectados al sistema para un análisis peor de los casos. Cargas conectadas tienden a amortiguar, y alterar ligeramente, análisis de impedancia de un sistema de redondeo (bajando), y, posiblemente, ligeramente moviendo, los picos en la trama. El propósito del análisis de impedancia es identificar posibles frecuencias de resonancia del sistema. Para que estas frecuencias se destaquen más claramente, el análisis se lleva a cabo sin necesidad de conectar las cargas de la planta para el sistema.

Una alta impedancia a una frecuencia dada significa que cualquier corrientes armónicas inyectadas en el sistema a esa frecuencia causarán una mayor distorsión de la tensión de corrientes inyectadas de la misma magnitud en diferentes frecuencias. Se producen problemas de resonancia de armónicos cuando las corrientes armónicas se inyectan en las frecuencias con impedancias altas.

Figura 3 muestra la posible ampliación de frecuencias armónicas debido a la presencia de una batería de condensadores o de un banco de filtros con relación a que ni tiene. Las impedancias del sistema con la batería de condensadores y con el filtro se dividieron por la impedancia del sistema con ni. Otra vez, sin la presencia de cargas resistivas para proporcionar amortiguación, este es un análisis del peor caso.

Figura 2. Frecuencia Impedancia Versus Armónica

 

Figura 3. Magnificación frente a la frecuencia armónica

La presencia de la batería de condensadores amplifica claramente una gama de armónicos. Armónicos característicos de unidades de seis impulsos incluyen la 5^ª, 7 , 11 , 13 , 17 , 19 , y otra, en la disminución de cantidades. Sin embargo, durante las mediciones en el lugar de los condensadores y los principales 1500 kVA del transformador se lleva significativamente más 11^ª y 13^ª corriente armónica de 5^ª y 7^ª. Esto ocurrió a pesar de mucho mayor 5^ª y 7^ª inyecciones de corriente armónica. Esto puede explicarse por el ajuste del sistema con el banco de condensadores en línea. Es evidente que hay un cierto grado de resonancia armónica en este sistema.

Excepto por una pequeña gama de frecuencias (debido a la resonancia en paralelo del filtro) el filtro tendería a reducir la impedancia armónica en relación con el sistema sin ningún tipo de condensadores. El filtro se ajusta por debajo de la frecuencia armónica más baja característica producida por las unidades de seis pulsos para evitar la amplificación de las corrientes armónicas producidas por las unidades.

Figura 4 muestra el voltaje de línea a línea y la corriente total en el banco de condensadores con 150 nueve en línea, registrada durante las mediciones. Estas formas de onda muestran lo que las formas de onda de corriente y tensión se verá como en una condición de resonancia. Tenga en cuenta que hay otras frecuencias que montan en el 60 Hz formas de onda, especialmente la forma de onda de corriente.

Con 150 nueve en línea, los cálculos estiman una resonancia en aproximadamente el 11.1^st armónico. Las frecuencias cerca de este armónico también pueden amplificarse. La forma de onda muestra una fuerte 11^ª y 13^ª componentes armónicas superpuestas a la 60 Hz. La resonancia puede ser identificado en la forma de onda mediante el recuento del número de picos debido a la frecuencia de resonancia que se producen dentro de un 60 Ciclo Hz. Esto es algo menos claro en este caso porque hay tanto 11^ª y 13^ª armonía, pero se puede contar 11 Picos "dominantes" en una 60 Ciclo Hz.

Figura 5. Espectro de armónicos de corriente de la figura 4

Figura 5 muestra el espectro armónico calculado para la forma de onda de corriente en la figura 4. Se muestra claramente la dominante y 13 armónicos a pesar de que la carga harmonicproducing está generando más 5^ª y 7^ª corriente armónica.

Un análisis armónico detallado estudio de cómo un filtro de armónicos podría reducir los niveles de armónicos y el diseño de un filtro de este no se realizó debido a los descubrimientos posteriores.

Aunque no se encontraron armónicos a ser la causa de los problemas en la batería de condensadores, los condensadores estaban causando una situación de resonancia armónica. Por esta razón, o si armónicos se convierten en más de un problema en el futuro, se recomendó que si la corrección del factor de potencia se necesita en la planta donde había menos cargas armónicas que producen en otros lugares, que sería una buena idea para pasar este batería de condensadores a esa zona. A continuación, debe ser sustituido por un banco configurado como un filtro de armónicos.

Otra posibilidad, no se ha investigado en este estudio, sería la de "de-tune" la batería de condensadores. Esto no sería sintonizar el banco para filtrar armónicos, sino que ajustarlo para evitar causar resonancia armónica. La adición de los reactores de-sintonización reduciría también las sobretensiones transitorias durante la conmutación de condensadores.

5.0 Examen de los equipos averiados

5.1 Introducción

En casos como este, un análisis de los equipos averiados a menudo da pistas valiosas y este caso no fue una excepción. Los fusibles que se habían superado una radiografía para determinar la causa de su operación. Esta radiografía fue enviado al fabricante de fusibles para el examen. Una célula condensador no fue examinado por el fabricante.

5.2 Examen condensador

El fabricante condensador encontró que el fluido dieléctrico en el condensador no era casi negro a partir de depósitos de carbono. Los depósitos de carbón son causadas por el arco que se quema o se descompone el material dieléctrico.

La aprobación de la gestión interna (o sangrar-off) resistencias (requerido por el Código Eléctrico Nacional [3] para descargar condensadores de descargas 600 V e inferior a 50 V o menos dentro de un minuto) se encontró que se han quemado las pestañas de conexión y desconexión. No está claro si se trataba de una causa o un efecto de la falla.

Para comprobar las resistencias de descarga de condensadores que no habían suspendido las, varios de los buenos condensadores se desconectan del sistema después de haber estado en línea. Las tensiones se monitorizaron a continuación para ver si los condensadores ejercen adecuadamente. En todos los casos, los condensadores descargados indica correctamente que las resistencias de descarga seguían conectados y haciendo su trabajo.

Varios buenos condensadores también fueron retirados del servicio con el fin de comprobar su capacidad. En todos los casos la capacitancia era muy cerca del valor esperado.

El fabricante sugiere dos posibles causas de los fracasos: consumo excesivo de corriente armónica y condiciones de sobretensión debido a una conexión intermitente. Corriente armónica excesiva podría ser debido a las unidades de motor o una condición resonante. Una conexión intermitente puede dejar una carga atrapada en el condensador que puede dar lugar a más transitorios de conmutación graves (sobretensiones superiores) cuando se vuelve a aplicar la tensión. Por eso hay que tener cuidado al cambiar manualmente las baterías de condensadores. Cuando un paso se cambia manualmente se debe dejar durante al menos un minuto para que se descargue 50 V o menos. Esto se discute en la Sección VII, Transitorios de conmutación de condensadores.

5.3 Fusible de fondo

Los fusibles de condensadores en este caso son los fusibles limitadores de corriente. Uso de los fusibles limitadores de corriente para proteger los condensadores es común a bajas tensiones, pero en general no se realiza con condensadores de media tensión o alta (4160 V y mayor) debido al costo.

Fusibles limitadores de corriente pueden borrar de dos maneras: sobrecarga y cortocircuito, en las palabras de los fabricantes de fusibles. Ingenieros Consultores de energía también llaman a estos dos eventos sobrecorriente y impulse energy (Yo²t).

El Código Eléctrico Nacional [3] define una sobrecarga de la siguiente manera:

Funcionamiento de los equipos por encima de lo normal, Puntuación de plena carga, o de un conductor en el exceso de capacidad de corriente nominal que, cuando persiste durante un período de tiempo suficiente, podría causar daños o sobrecalentamiento peligroso. Un fallo, tal como un cortocircuito o falla a tierra, no es una sobrecarga.

Una sobrecarga es una corriente que es típicamente "entre uno y seis veces el nivel de corriente normal." [4] Un fusible operará, o transparente, si la sobrecarga está presente durante un cierto período de tiempo sobre la base de su característica corriente-tiempo (TCC). Si la sobrecarga es muy corta duración, fusibles están diseñados generalmente para ignorarlo. Por ejemplo, motor de arranque y la energización del transformador son eventos normales del sistema que provocan altas corrientes durante un breve tiempo y no deben causar un fusible para operar.

Un cortocircuito es "una sobrecorriente que excede la corriente a plena carga normal de un circuito por un factor muchas veces (decenas, cientos, o miles) mayor ". [4] A diferencia de una sobrecarga, un cortocircuito a menudo es causada por una falla.

El Código Eléctrico Nacional [3] define una limitador de corriente dispositivo de protección contra sobrecorriente como sigue:

Un dispositivo que ..., al interrumpir corrientes en su gama de limitadores de corriente, reducirá la corriente que fluye en el circuito de fallo de una magnitud sustancialmente menor que la que se obtiene en el mismo circuito si el dispositivo se sustituye con un conductor sólido que tiene impedancia comparables.

Fusibles limitadores de corriente están diseñados para "limitar el pico de culpa magnitud actual y la duración del tiempo de fallo para una mejor protección de los equipos reducir." [5] Pueden interrumpir una corriente de cortocircuito en el ciclo de menos de la mitad, antes de la actual habría llegado a una corriente cero natural,.

Características de fusibles de limitación de corriente, cuando la corriente es lo suficientemente alta para que funcionen en un modo de limitación de corriente, se describen por su me²valores t. Yo²t es un valor que es proporcional a la energía (que habría que²Rt). Puesto que la resistencia, R, es constante dentro del fusible, el rendimiento del fusible se expresa en términos de la Yo (corriente) y t (tiempo) las variables. A menudo²t se usa de manera intercambiable con la energía, como se hace en el resto de este artículo.

"Hay dos tipos de valores de energía - mínimo derrita I²t let-through I²t. Mínimo derrita I²t es una indicación de la cantidad de energía necesaria para fundir elemento de un fusible. Vamos a través de I-²t es una indicación de la cantidad de energía que un fusible se deja pasar a un fallo antes de operar y limpiar una corriente ". [5]

El tipo de fusible utilizado para proteger la batería de condensadores es un fusible limitador de corriente gama completa. Esto significa que tiene un TCC que le permite operar de sobrecargas, así como operar en un modo de limitación de corriente para altas corrientes de cortocircuito. Tiene elementos independientes para llevar a cabo cada una de estas funciones.

Dentro del fusible hay un "punto M" que está hecho de una aleación que está diseñado para fundir y para borrar sobrecargas pero no funcionará para los circuitos cortos. También hay varios "puntos débiles" o "eslabones débiles" que están diseñados fusión y claro para cortocircuitos pero no de sobrecargas.

Si hay un problema con armónicos excesivos causando adicional corriente de estado estacionario, esto era de esperar para hacer que el punto M para fundir y eliminar. Si hay un problema con los circuitos cortos se esperaría que los puntos débiles para fundir y eliminar.

5.4 Examen del fusible

Como se mencionó anteriormente, fusibles que se habían superado una radiografía para determinar la causa de su operación. Esta radiografía fue enviado al fabricante de fusibles para el examen.

Figura 6 muestra una radiografía de seis de los fusibles que se borran. En ninguno de los seis fusibles qué el punto M clara que indica que la sobrecarga no tiene la culpa. En todos los seis fusibles uno, dos, o tres puntos débiles borran. Si hubiera habido un cortocircuito o un fallo en la batería de condensadores, los cuatro puntos débiles habrían despejado.

El ingeniero con el fabricante de fusibles que analizó los rayos X declaró:

Observe cómo los 'm' manchas en los enlaces no se funden. Esto sugiere que la corriente era más 500% de la calificación del fusible. Ahora, no todos los puntos débiles se abren. Esto sugiere una sobrecarga, no un corto. Ponga los dos juntos & usted consigue algo de la magnitud de 600%-800%. Los armónicos sólo deben añadir a los efectos de calentamiento, no puede ser la principal preocupación.

De acuerdo con el fabricante, la 100 A fusibles limitadores de corriente utilizados para proteger la batería de condensadores tenían un mínimo derrita I²t de 5,000 La²sec y un pico pasante I²t de 11,000 La²segundo. Esto significa que por un corto circuito que tenía un I²t de 5,000 La²segundo, los puntos débiles en el fusible empezaban a derretirse y borrar. Todos los puntos débiles no se esperaría para borrar, sin embargo. Para un cortocircuito muy alta, todos los puntos débiles se esperaría para borrar.

Porque, en todos los fusibles con rayos x, sólo uno a tres de los cuatro puntos débiles aclarado, el I²t del evento que causó que los fusibles para operar se espera que sea entre 5,000 y 11,000 La²segundo.

En base a esta información ya era claro que era transitorios que estaban causando los fusibles para limpiar y, más probable, los condensadores de fracasar. Sección VII, Transitorios de conmutación de condensadores, examina la causa de los transitorios y de la situación única que causaron transitorios inesperadamente graves que se produzcan.

6.0 Análisis de Fallas

6.1 Fusible Análisis

Las mediciones mostraron que la corriente eficaz en cada uno de los fusibles no se acercó a su 100 A clasificaciones. Recordemos que cada conjunto de 100 Un fusible protege un 50 kvar grupo de condensadores. La corriente de carga completa de cada 50 grupo kvar 60 La. El fusible es 166% de la corriente nominal a plena carga. Cuando se utilizan las clases más rápidas de fusibles, que a menudo son de tamaño aún mayor.

El fusible se selecciona para permitir las corrientes de entrada del condensador (que puede ser mucho más alta que la carga completa) cuando cada paso se activa en. Esto evita que el fusible de funcionamiento durante tales eventos normales del sistema.

Si armónicos estaban causando un calentamiento excesivo en el fusible del punto M debería haber aclarado que indica una sobrecarga de estado estacionario. Esto no ocurrió. Aunque los condensadores se están hundiendo una cantidad muy significativa de los armónicos, los armónicos no eran la causa de las operaciones de fusibles.

Si hubiera un fallo dentro del armario condensador, la corriente debe ser lo suficientemente alto como para borrar todos los puntos débiles en el fusible. La corriente de cortocircuito trifásica disponible en la 480 V se 21.9 kA y la corriente de cortocircuito de línea a tierra disponible es 24.6 kA, tanto teniendo en cuenta única fuente y la impedancia del transformador. Dado que todos los puntos débiles no aclaró, una falla no es la causa probable de las operaciones de fusibles.

La corriente aproximada que causó el fusible de operar era 600-800 La (600-800% de un 100 Un fusible) de acuerdo con el fabricante. Esta corriente puede desarrollarse a partir de un transitorio, como un condensador de activación.

El problema es que los datos de medición también no contenían eventos transitorios que cabría esperar para hacer que los fusibles para operar. De hecho, durante las mediciones no hubo fallos.

La forma de onda transitoria se muestra en la figura 7 es un condensador de energización cuando la 50 Paso izquierda 2 fue energizado con la base 100 kvar ya en servicio. Las corrientes de estado estacionario antes y después de la energización fueron aproximadamente 124 A y 180 La, respectivamente (60 A por 50 grupo de la izquierda). La corriente máxima en este caso fue -1480 La. Esta fue la corriente de pico más grande registrada durante las mediciones.

El I²t asociado con la 1480 Un pico era 793 La²segundo. Incluyendo el siguiente pico positivo aumenta la I²t de 1058 La²segundo. Estos son tanto muy por debajo de la 5,000 La²sec fusible de los puntos débiles para empezar a derretirse.

Este tipo de evento se analiza con mayor profundidad en la sección VII del documento, Transitorios de conmutación de condensadores. En la figura 7 También es de destacar la resonancia en la forma de onda de corriente similar a la de la figura 4.

En resumen, los datos de las mediciones no revelaron qué los fusibles habían despejado.

6.2 Análisis condensador

Los condensadores deben ser construidos para soportar tensiones y corrientes en exceso de sus calificaciones de acuerdo a las normas. La norma aplicable a los condensadores de potencia es IEEE Std 18-1992, Norma IEEE para derivación Condensadores de potencia. [6] Información adicional se expone en la IEEE Std 1036-1992, Guía de IEEE para la aplicación de derivación Condensadores de potencia. [7]

IEEE Std 18-1992 dicta la siguiente contingencia permitida límites de sobrecarga continua.

• 110% de la tensión nominal rms
• 120% del pico de tensión nominal
• 180% del nominal corriente eficaz (corriente nominal basado en clasificación kvar y tensión)
• 135% de potencia reactiva nominal

Cabe señalar que los condensadores se fusionan a menudo por debajo 180% del nominal corriente eficaz por lo que el 180% límite no es por lo general se acercó.

Tiempo corto tensiones de sobrecarga se especifican en IEEE Std 18-1992 y IEEE Std 1036-1992 y se dan a continuación. Estas normas establecen que se puede esperar de un condensador para ver 300 tales sobretensiones en su vida de servicio.

• 2.20 por unido rms voltage for 0.1 segundo(6 ciclos de la frecuencia fundamental rms)
• 2.00 por unido rms voltage for 0.25 segundo(15 ciclos de la frecuencia fundamental rms)
• 1.70 por unido rms voltage for 1 segundo
• 1.40 por unido rms voltage for 15 segundo
• 1.30 por unido rms voltage for 1 minuto
• 1.25 por unido rms voltage for 30 acta
• Una norma anterior, IEEE Std 18-1980 También incluye los siguientes sobretensiones admisibles.
• 3.00 tensión eficaz por unidad de 0,0083 segundos (½ ciclo de la frecuencia fundamental rms)
• 2.70 tensión eficaz por unidad de 0,0167 segundos (1 ciclo de la frecuencia fundamental rms)

Ninguna de estas tolerancias se superó durante las mediciones.

7.0 Transitorios de conmutación de condensadores

7.1 Visión de conjunto

Un condensador de conmutación transitoria es un evento del sistema normal que puede ocurrir cada vez que se activa un condensador. Este transitorio se produce debido a la diferencia entre la tensión del sistema y el voltaje en el condensador. Una característica básica de los condensadores es que el voltaje a través de ellos no puede cambiar instantáneamente. Si un condensador está en tensión cero y el sistema se aplica tensión a lo, la tensión del sistema se bajó a casi cero momentáneamente.

A continuación tendrá lugar una corriente como el condensador se carga arranque condensador. El voltaje en el condensador a continuación, se recuperará y sobreimpulso del voltaje del sistema, y luego oscilar en torno a la tensión del sistema. Es posible que esta sobretensión para alcanzar 2.0 por unido (el doble de la tensión máxima del sistema) si el condensador está inicialmente descargado. Sistema de amortiguación (resistencia) por lo general mantiene esta sobretensión por debajo del máximo teórico.

La tensión del condensador continuará a oscilar alrededor de la 60 Hz Forma de onda fundamental, con la oscilación amortiguada gradualmente conseguir cabo, por lo general dentro de un ciclo. La magnitud del transitorio y su frecuencia de oscilación característica dependerá de las características del sistema de energía eléctrica en cuestión.

Figura 7. Medido Energización Capacitor transitoria

La magnitud del transitorio variará en función de dos variables en el momento de la conmutación.

Estas variables son la tensión inicial en el condensador (carga atrapada, generalmente cerca de cero si el condensador se le ha permitido cumplir con) y la tensión del sistema instantánea en el momento de la conmutación. Cuanto mayor es la diferencia entre estas dos tensiones, cuanto mayor sea la magnitud del transitorio. El peor de los casos transitorios se producirá cuando la tensión del sistema es a la tensión de pico y hay una carga atrapada en el condensador de la tensión máxima del sistema en la polaridad opuesta.

Recordemos que el Código Nacional de Electricidad exige que las resistencias se descarguen condensadores de descargas 600 V e inferior a 50 V o menos dentro de un minuto. El algoritmo de control en el banco de condensadores evita que la conmutación en un paso dentro de un minuto después de que se ha desconectado. Así que en la operación normal no debe haber muy poca carga atrapada en los condensadores cuando se cambia.

Si la tensión transitoria es lo suficientemente alta, el condensador puede fallar inmediatamente. Sino, los efectos acumulativos de los voltajes transitorios (mayor que la tensión máxima del sistema) puede destacar el dieléctrico hasta el punto de fallo a través del tiempo. Las corrientes transitorias causarán alta I²niveles T

Figura 8. Energización Capacitor transitoria (Sí.) En la carga antes de condensador, Yo²t = 1857 A²segundo

7.2 Simulaciones Energetización condensador

Se realizaron simulaciones de energización de condensadores por dos razones:. El evento que causó el fracaso de condensadores y operaciones de fusibles no se produjo durante las mediciones y el examen de los fusibles se indica que los transitorios fueron la causa probable. La información del sistema de la planta de energía de procesamiento de acero se utilizó para simular algunos eventos de conmutación de condensadores en diferentes condiciones.

Figura 8 muestra la energización de un 50 kvar paso condensador sin carga atrapada y sin otros pasos de capacitores en el servicio. La activación se produjo a la tensión máxima del sistema. Este transienthad un I²t de 1,857 A sec.

Sin ningún tipo de carga de los condensadores se conecten al circuito, el I²t valores están por debajo de 5,000 La²segundo, el mínimo de masa fundida I²t valor de los fusibles utilizados para la protección de los condensadores. Es, por supuesto,, un resultado esperado. Si este no fuera el caso,, los fusibles operarían con regularidad para los eventos del sistema común de.

Figura 9 muestra la energización de un 50 kvar paso condensador con carga atrapada y sin otros pasos de capacitores en el servicio. La activación se produjo a la tensión máxima del sistema. Esta transitoria tenía un t I de 5,661 A sec.

Figura 9. Energización Capacitor transitoria (Sí.) Carga Antes de condensador (-300 En), Yo²t = 5661 A²sec

 

7.3 Back-to-Back de conmutación de condensadores

Otro tipo de condensador transitorios de conmutación se denomina back-to-back de conmutación. Esto es cuando un segundo condensador está conectado en las proximidades de un condensador previamente energizado. En este caso se produce un transitorio rápido como los dos condensadores comparten su cargo entre sí y llegan a la misma tensión. Luego hay otra transitoria como el par de condensadores a que la tensión oscile alrededor de la 60 Hz fundamental voltaje, como se describió anteriormente, como si fueran una sola batería de condensadores.

Figura 10 muestra la energización de un 50 kvar paso condensador con carga atrapada y con 150 kvar de otros pasos de capacitores en el servicio. La activación se produjo a la tensión máxima del sistema. Este transitoria tenían un I²t de 5,178 La²segundo. La escala de tiempo de la figura 10 se ampliará en gran medida desde que en las Figuras 8 y 9. Esto se hizo para mostrar mejor la frecuencia más alta inicial transitoria.

Figura 10. Back-to-Back de conmutación de condensadores (Sí.) Carga Antes de condensador (-350 En), I2t = 5.178 A2sec

7.4 Carga atrapada

 

Las simulaciones se realizaron para determinar si los transitorios de conmutación de condensadores habrían sido capaces de causar los fallos. Los resultados de las simulaciones indicaron que los transitorios de conmutación de condensadores podrían generar suficiente alta me²niveles de t para hacer que los fusibles para operar. Este sólo fue cierto si hubo altos niveles de carga atrapada en el paso condensador está conectada y el voltaje del sistema fue de cerca de su pico en el momento de la conmutación.

Con altos niveles de carga atrapada durante el cambio, las tensiones de los condensadores también pueden llegar a sobrepasar los 2.0 por unido. Estos niveles podrían no causar condensadores a fallar de inmediato, pero podría provocar la degradación acumulativa del dieléctrico del condensador, que finalmente llevan al fracaso.

_Yo²

Incluso con las peores condiciones, estos niveles t no llegar a la cima pasante I²t de los fusibles. Los resultados de las simulaciones son por lo tanto compatible con el hecho de que no todos los puntos débiles en cualquiera de los fusibles habían limpiado.

Con esta información, los electricistas de plantas sustituyen los contactores que se cree que la charla de vez en cuando. Cuando persistieron los problemas, los electricistas observar el funcionamiento de los condensadores y eventualmente sustituir la tarjeta de control de la batería de condensadores. Desde entonces no se han producido fallos de condensadores u operaciones de fusibles en el banco.

 

Referencias

[1] "Transitorios eléctricos en los sistemas de energía,"Segunda edición, Allan Greenwood, © John Wiley & Sons, Inc. 1991.

[2] IEEE Std 519-1992, "IEEE prácticas recomendadas y requisitos para HarmonicControl en Sistemas de Energía Eléctrica,"© Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc. 1993.

[3] NFPA 70, Código Eléctrico Nacional, 1999 Edición, © Asociación Nacional de Protección contra Incendios, Inc. 1998.

[4] "SPD Manual de Protección Eléctrica - Selección de dispositivos de protección basado en el Código Eléctrico Nacional,” © Bussmann, Cooper Industries 1992

[5] "Sistema de Distribución ProtectionWorkshop OverCurrent - Notas del curso,"© Cooper PowerSystems, Inc. 1996.

[6] IEEE Std 18-1992, "Estándar IEEE para la derivación Condensadores de potencia,"© Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc. 1993.

[7] IEEE Std 1036-1992, "Guía de IEEE para la aplicación de derivación Condensadores de potencia,"© Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc. 1993.

 

Biografía del autor

Thomas M. Floreciente, P.E. es un ingeniero senior de producto de aplicaciones de la División de Calidad de Energía de Eaton Electrical. Tom recibió una B.S. en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Marquette, un M.Eng. en Ingeniería Eléctrica del Instituto Politécnico Rensselaer, y un M.B.A. de Keller Graduate School of Management. Tom trabaja en la corrección de factor Grupo de Eaton Electrical (División de Calidad de Energía). Él se encarga de las cuestiones relacionadas con la aplicación del factor de corrección de las baterías de condensadores de potencia, filtros de armónicos, baterías de condensadores estáticos de conmutación de, y filtros activos de armónicos, así como muchas preguntas relacionadas con la calidad de potencia. Tom trabajó anteriormente en el Engineering Services Cutler-Hammer & Sistemas (AJEDREZ) grupos y clientes proporcionados con experiencia en ingeniería eléctrica, centrándose en las áreas de calidad de la energía y la confiabilidad. Tom ha realizado numerosas mediciones y estudios. Además, ha publicado documentos técnicos y enseñó talleres de ingeniería y seminarios de capacitación en temas de calidad de energía.