¿Cómo aceleran los armónicos de la red el daño en los condensadores? Mecanismos y contramedidas

1. La impedancia disminuye con la frecuencia, lo que lleva a la amplificación de la corriente armónica

Esta es la causa más fundamental. La fórmula de la reactancia capacitiva es:

Xc = 1 / (2πfC)

La reactancia capacitiva Xc es inversamente proporcional a la frecuencia f. Cuando existen armónicos de alto orden en la red (como el 5º, 7º, 11º, etc.), la impedancia del condensador a estos armónicos de alto orden disminuye significativamente porque las frecuencias armónicas son múltiplos enteros de la frecuencia fundamental.

Según la ley de Ohm I = U / Xc, incluso cuando la amplitud del voltaje armónico es pequeña, la impedancia drásticamente reducida hace que la corriente armónica que fluye a través del condensador se multiplique. Estas corrientes armónicas superpuestas empujan la corriente total del condensador muy por encima de su límite nominal.

2. Aumento de la pérdida dieléctrica que conduce a la ruptura térmica

La pérdida activa (calentamiento) de un condensador está determinada principalmente por la pérdida dieléctrica, dada aproximadamente por:

P ≈ U² · ω · C · tanδ

Los armónicos no solo aportan corriente adicional, sino que también aumentan directamente la frecuencia angular ω. La potencia de pérdida es proporcional a la frecuencia: cuanto mayor es la frecuencia, más intensa es la fricción de polarización interna del dieléctrico y más calor se genera.

Dado que la capacidad de disipación de calor del condensador es limitada, el sobrecalentamiento prolongado acelera el envejecimiento del dieléctrico aislante (como la película de polipropileno), degrada el rendimiento del aislamiento y, en última instancia, conduce a la ruptura térmica o a la deformación por hinchazón.

3. Sobretensión y sobrecorriente causadas por la resonancia armónica

Las redes eléctricas suelen contener inductancia del sistema (como la inductancia de dispersión del transformador y la inductancia de la línea). Cuando la reactancia capacitiva del condensador es igual a la reactancia inductiva del sistema en una determinada frecuencia armónica, se produce una resonancia paralela o una resonancia en serie:

• Resonancia paralela: Amplía extremadamente el voltaje armónico en esa frecuencia, sometiendo al condensador a una sobretensión que excede con creces su valor nominal, acelerando el envejecimiento del aislamiento o incluso causando una ruptura directa.
• Resonancia en serie : Amplifica drásticamente la corriente armónica en la rama del condensador, provocando que el condensador se queme por sobrecorriente.

Incluso sin una resonancia completa, el efecto de "amplificación armónica" cerca del punto de resonancia es suficiente para dañar el condensador en poco tiempo.

4. Descarga parcial y envejecimiento del aislamiento

Los voltajes armónicos de alta frecuencia suelen presentar frentes de onda pronunciados (alta du/dt). Este voltaje que cambia rápidamente desencadena una intensa descarga parcial en los puntos débiles del aislamiento interno del condensador, en los espacios de aire o en los bordes de los electrodos.

La descarga parcial erosiona continuamente el dieléctrico aislante, causando corrosión química y daños físicos que acortan significativamente la vida útil del condensador.

5. Efectos superpuestos

En la operación real, un condensador rara vez soporta una sola tensión por sí solo. En su lugar, la corriente fundamental se superpone con múltiples corrientes armónicas, acompañada por la superposición del voltaje fundamental y los voltajes armónicos. La acción combinada de estas múltiples tensiones hace que las condiciones reales de operación del condensador sean mucho más duras de lo que sugieren sus valores nominales de placa.

Unidades de condensadores de metal gris de múltiples tamaños equipadas con bujes aislantes sobre fondo blanco

Resumen

• El daño por armónicos en los condensadores es un círculo vicioso: "absorción de corriente de baja impedancia → calentamiento de alta frecuencia → amplificación por resonancia → envejecimiento del aislamiento."
• Para evitar esto, en redes con alto contenido de armónicos, los condensadores puros generalmente no se pueden conectar directamente. En su lugar, se deben conectar reactancias en serie para formar una rama de filtro sintonizado o una rama de filtro desintonizado:
• Rama Sintonizada: El circuito L-C se sintoniza a una frecuencia armónica principal para que presente una baja impedancia a ese armónico, absorbiendo la corriente armónica mientras proporciona compensación de potencia reactiva a la frecuencia fundamental.
• Rama Desintonizada: Se conecta una pequeña reactancia en serie para que el circuito siga siendo capacitivo a la frecuencia fundamental (compensando la potencia reactiva) pero se vuelva inductivo a las frecuencias armónicas principales, evitando así la resonancia paralela con el sistema y limitando la amplificación de la corriente armónica.

Editado desde: Garca