Que son as características dos mecanismos de fallo e as medidas preventivas dos condensadores eléctricos

1 Mecanismos de fallo dos condensadores de potencia

Un condensador de potencia se compón principalmente dunha carcasa, núcleo do condensador, medio dieléctrico e estrutura de terminais. A carcasa adoita estar feita de acero fino ou inoxidable, con bornes soldados á cuberta. O núcleo do condensador está enrollado con película de polipropileno e folhas de aluminio (electrodos), e o interior da carcasa está cheo dun dieléctrico líquido para aisolamento e dissipación de calor.

Como un dispositivo totalmente selado, os tipos de fallo comúns nos condensadores de potencia inclúen:

• Fallo interno do elemento do condensador;

• Fusible fundido;

• Fallos de cortocircuito internos;

• Fallos de descarga externa.

Os fallos internos son máis destructivos para o corpo do condensador e, unha vez que ocorren, xeralmente non se poden reparar no local, afectando significativamente a eficiencia de utilización do equipo.

1.1 Fallo interno do elemento do condensador

O fallo do elemento do condensador debeuse principalmente a factores como o envellecemento do dieléctrico, a entrada de humidade, defectos de fabricación e condicións operativas adversas. Se o elemento carece de fusible interno, un único fallo do elemento provocará un cortocircuito nos elementos conectados en paralelo, eliminándolos da compartición de tensión. Isto aumenta a tensión de funcionamento nos elementos restantes conectados en serie. Sen unha isolación oportuna do fallo, isto supón riscos graves de seguridade e pode levar a fallos catastróficos.O uso de fusibles internos permite unha isolación efectiva e rápida dos elementos defectuosos, mellorando a seguridade operativa.

O fallo do condensador pode clasificarse en tres tipos: fallo eléctrico, fallo térmico e fallo por descarga parcial.

• Fallo Eléctrico: Causado por sobrexénese ou harmónicos, levando a un campo eléctrico excesivamente alto a través do dieléctrico, resultando en un fallo de aislamento nos puntos defectuosos. Caracterízase por unha duración curta e alta intensidade de campo. A resistencia ao fallo está estreitamente relacionada coa uniformidade do campo, pero é menos sensible á temperatura e á duración da tensión.

• Fallo Térmico: Ocorre cando a xeración de calor supera a dissipación, causando un aumento continuo da temperatura no dieléctrico, levando á degradación do material e, finalmente, ao fallo de aislamento. Isto xeralmente ocorre durante a operación en estado estable, con unha tensión de fallo relativamente menor e un tempo de aplicación de tensión máis longo comparado co fallo eléctrico.

• Fallo por Descarga Parcial: Resulta de campos eléctricos localizados dentro do dieléctrico, que superan a resistencia ao fallo de rexións de baixa permisividade, como líquidos, gases ou impurezas. Isto inicia descargas parciais que degradan gradualmente o desempeño do aislante, evolucionando eventualmente a un fallo completo de polo polo. O proceso é progresivo, desenvolvéndose desde descargas non penetrantes a un fallo completo de aislamento.

1.2 Fusible fundido

A protección por fusible é unha das medidas protectoras máis comúns para condensadores de potencia e xoga un papel vital na operación segura e estable dos sistemas de compensación. Está categorizada en protección por fusible externo e interno.

• Protección por fusible externo: Cando falla un elemento interno do condensador, a corrente de fallo a través do condensador e o fusible externo aumenta. Unha vez que a corrente alcanza o limiar de fusão nominal do fusible, este se calienta, rompe o equilibrio térmico e se funde, desconectando o condensador defectuoso para evitar a escalada do fallo.

• Protección por fusible interno: Ao fallar un elemento, os elementos en paralelo descargan no elemento defectuoso, xerando unha corrente transitoria de gran amplitud e rápida decréscimo. A enerxía desta corrente fonde o fusible interno en serie, isolando o elemento defectuoso e permitindo que o resto do condensador continue funcionando.

Na práctica, unha selección incorrecta do fusible ou un mal contacto terminal pode causar un fondeo anormal do fusible durante a operación normal, removendo erroneamente condensadores sanos e reducindo a potencia reactiva.

Se os fusibles internos están mal dimensionados e non aísolan os fallos de forma oportuna, o fallo pode empeorar, podendo levar a explosións ou incendios do condensador.

1.3 Fallos de cortocircuito internos

Os fallos de cortocircuito internos nos condensadores de potencia inclúen principalmente cortocircuitos entre electrodos vivos e carcasas e cortocircuitos entre electrodos. Estes son principalmente causados polo envellecemento do dieléctrico a longo prazo, a entrada de humidade interna, a tensión de sobretensión ou defectos intrínsecos de aislamento debido a procesos de deseño ou fabricación, todos os cales poden levar a un fallo de aislamento tipo punção e cortocircuitos internos.

1.4 Fallos de descarga externa

Os fallos de descarga externa refírense a fallos que ocorren fóra do corpo do condensador, causados por factores externos como descargas de superficie nos bornes, punções nos bornes, cortocircuitos entre fases ou entre fase y terra, ou fisuras nos bornes de porcelana debido a esforzos mecánicos. Estes fallos teñen orixes diversas pero ocorren na circuitaría externa. Xeralmente poden detectarse e mitigarse a tempo mediante accións de protección por relés, inspeccións rutinarias ou probas offline. A súa probabilidade e gravidade son menores que os fallos internos, pero aínda así merecen suficiente atención.

2 Características e causas comúns de fallos nos condensadores de potencia
2.1 Fuga de óleo do corpo do condensador

Como un dispositivo totalmente selado, de alta intensidade de campo e corrente elevada, a fuga de óleo nun condensador de potencia non só reduce o nivel de aislamento debido á diminución do nivel de óleo, senón que tamén permite a entrada de humidade debido á diminución da presión interna. Isto leva a un aislamento húmido, unha resistencia de aislamento reducida e, finalmente, ao fallo interno do elemento ou incluso á explosión.

As causas principais da fuga de óleo inclúen: soldadura deficiente que provoca un sellado inadequado; juntas envejecidas ou sometidas a esforzos desiguais; danos mecánicos durante o transporte ou instalación; manutención insuficiente que causa corrosión da carcasa; e esforzo mecánico que danifica os selos dos bornes.

2.2 Deformación da carcasa do condensador

En condicións normais de funcionamento, unha expansión ou contracción leve da carcasa do condensador debido ás variacións de temperatura e tensión é aceptable. No entanto, cando a intensidade do campo eléctrico interno é excesiva, provocando descargas parciais ou cortocircuitos, o dieléctrico se descompón e xera grandes cantidades de gas. Isto aumenta a presión interna na cámara selada, levando a abombamentos ou deformacións da carcasa.

Unha vez que ocorre unha deformación grave, xeralmente non se pode reparar no local e é necesario substituílo. A deformación da carcasa non só agrava a deterioración do aislamento interno, senón que tamén pode danificar a estrutura eléctrica, alterando as distancias de aislamento orixinais. En casos graves, pode levar a fracturas nos bornes (ver Fig. 1), podendo provocar explosións ou incendios.

A deformación da carcasa debeuse principalmente a problemas de calidade do produto, como: mala calidade do material do electrodo ou do dieléctrico; uso de óleo aislante non absorbente de gas; ambiente de fabricación subestándar ou procesos; impurezas residuais durante a produción; busca excesiva de métricas de rendemento específicas; ou material da carcasa demasiado delgado.

2.3 Aumento anormal de temperatura nos condensadores

Un aumento anormal de temperatura nos condensadores de potencia leva a unha temperatura corporal excesiva, que acelera o envellecemento térmico do dieléctrico interno, reduce a súa resistencia de aislamento e pode incluso desencadear descargas parciais. A vida útil dos condensadores de potencia xeralmente segue a "regra dos 8°C": por cada aumento de 8°C por riba da temperatura de funcionamento permitida no deseño, a vida útil esperada se reduce aproximadamente a metade.

O aumento anormal de temperatura debeuse principalmente a una ventilación deficiente ou a condicións de sobrexénese prolongadas. Exemplos inclúen: unha disposición espacial irrazoada da sala do condensador ou unha colocación incorrecta do equipamento de ventilación que lleva a unha dissipación de calor insuficiente; un aumento do calentamento debido á operación con sobrexénese que causa sobrexénese; e correntes harmónicas xeradas por unidades rectificadoras que tamén contribúen ao sobrecalentamento do condensador. Ademais, o envellecemento do dieléctrico, a entrada de humidade ou fallos nos componentes internos poden aumentar as perdas de potencia, exacerbando o aumento de temperatura.

2.4 Descarga de flash na superficie dos bornes do condensador

Os componentes nas instalacións de condensadores de potencia adoitan dispoñerse compactamente. Durante a operación, o entorno circundante caracterízase por altas temperaturas e intensidades de campo eléctrico, facendo que partículas cargadas no aire sexan adsorbidas facilmente. Isto leva á acumulación de contaminación na superficie dos bornes, aumentando a corrente de fuga. Ba influencia combinada dos harmónicos do sistema e a tensión, pode ocorrer arco localizado na porcelana do born. Cando a contaminación se acumula a un nivel crítico, pode resultar en un fallo de flash na superficie, acompañado de ruido anormal. En casos graves, isto pode levar a cortocircuitos externos entre fase e terra.

2.5 Ruido anormal nos condensadores

Os condensadores de potencia son dispositivos de compensación reactiva estática sen partes móbeis ou componentes de excitación electromagnética. En condicións normais de funcionamento, non deben producir ningún sonido audible. Se ocorre ruido anormal durante a operación, pode indicar unha descarga parcial de alta enerxía dentro do condensador, e o equipo debe ser desenerxizado inmediatamente para inspección.

2.6 Ruptura do condensador

A ruptura do condensador é un fallo grave con consecuencias significativas. Xeralmente ocorre cando un elemento interno do condensador sufre un fallo de aislamento entre electrodos ou entre electrodo e carcasa, resultando nun cortocircuito total. Os outros condensadores que operan en paralelo entón recargan e descargan rapidamente no elemento defectuoso. Se a enerxía inxectada supera a resistencia mecánica da carcasa, o condensador pode romperse e expulsar óleo, podendo provocar un incendio, comprometer a seguridade de toda a subestación e incluso levar a lesións ou mortes de persoal.

Un incidente de ruptura en cascada que afecta a todo un banco de condensadores, mostrado na Figura 2, foi desencadeado por un fallo interno do elemento do condensador; a condición detallada do elemento defectuoso está ilustrada na Figura 3.

2.7 Sobrecalentamiento dos terminais de conexión do banco de condensadores

Unha vez energizados, os bancos de condensadores de potencia operan a plena carga con correntes de circuito elevadas. Se as conexións internas presentan un mal contacto, prácticas de deseño ou instalación inadecuadas, ou manutención insuficiente, pode ocorrer un sobrecalentamento local nos puntos de conexión. Un sobrecalentamento prolongado pode levar a unha acumulación excesiva de enerxía térmica, podendo causar a fusión dos conductores de conexión. Os fallos de sobrecalentamiento nos terminais do banco de condensadores son relativamente comúns; a condición dunha conexión fundida está mostrada na Figura 4.

3 Medidas preventivas contra accidentes

3.1 Asegurar a calidade na fabricación e puesta en marcha do equipo

A operación segura dos condensadores de potencia depende da calidade da fabricación e puesta en marcha do equipo. Durante a produción, é esencial seguir estritamente os fluxos de proceso, usar materias primas e equipos de produción cualificados, e aumentar a supervisión da calidade ao longo do proceso. Inspeccións rigorosas en fábrica aseguran a calidade do produto. As instalacións no local deben ser razoablemente "faseadas e agrupadas" para asegurar un emparellamento de capacitancia equilibrado entre fases e seccións. Ademais, debe prestarse atención á entrega e aceptación no sitio após a instalación para garantir a calidade da instalación e minimizar os fallos durante a operación.

3.2 Melhorar os métodos de operación e funcionamento

• Ao realizar operacións de encendido e apagado para cargas de liña, os bancos de condensadores deben aderirse ao principio de "desconectar primeiro, conectar despois", mentres que as liñas de carga deben seguir a secuencia de "conectar primeiro, desconectar despois". Esta orde non pode ser cambiada arbitrariamente.

• Antes de restaurar a operación dos bancos de condensadores, debe asegurarse un tempo de descarga suficiente. Debe minimizarse a conmutación frecuente dos bancos de condensadores; só despois dunha descarga completa pode ocorrer un novo cierre. Se un fallo causa que os dispositivos de protección disparen o banco de condensadores, non se pode reconectar antes de identificar a causa para evitar que o accidente se agrave.

• Para evitar que os harmónicos de orde superior afecten aos bancos de condensadores, seleccione taxas de reactores adecuadas según os escenarios de aplicación específicos. Isto suprime eficazmente os harmónicos de orde superior, reduce as correntes de inrush e as sobretensiones ao cerrar, asegurando a operación segura de todo o sistema.

3.3 Controlar a temperatura do entorno de operación

A temperatura de funcionamento dos condensadores afecta directamente o seu rendemento e a súa vida útil. As altas temperaturas aceleran o envellecemento do aislante, reducindo a vida útil. Polo tanto, controlar a temperatura do entorno de operación é crucial. Os bancos de condensadores instalados en interiores deben manter unha boa ventilación e, se é necesario, instalar sistemas de control de temperatura automáticos. As unidades exteriores deben evitar a exposición directa ao sol e asegurar unha correcta ventilación e dissipación de calor. Realice termografía infravermella en vivo regularmente nos bancos de condensadores e no equipo asociado para tomar medidas oportunas, asegurando que as temperaturas do medio interno e do entorno cumpran as regulacións.

3.4 Implementar a monitorización en liña do estado operativo do equipo

Instalar dispositivos de monitorización en liña nos bancos de condensadores facilita a monitorización en tempo real do estado de funcionamento, axudando na detección e manejo oportunos de posibles fallos. Isto inclúe a monitorización da tensión de funcionamento real, descargas parciais, perdas dieléctricas, capacitancia, corrente de fuga e outras señales características. Non só axuda no diagnóstico e aislamento de fallos, senón que tamén permite analizar posibles defectos, logrando advertencias predictivas de fallos.

3.5 Mejorar a inspección rutinaria do equipo

Fortalecer a inspección rutinaria é vital para asegurar a operación normal dos bancos de condensadores. O foco debe ser a verificación de deformacións na carcasa, fugas de óleo, niveis de contaminación dos aislantes de porcelana, signos de descarga, distancias eléctricas e temperaturas ambientais. Métodos auxiliares como a termografía infravermella poden detectar sobrecalentamientos nas conexións, permitindo un mantemento oportuno e asegurando a operación segura dos ensamblaxes de condensadores de potencia.

Conclusión

Ao analizar os mecanismos de fallo, as características e as causas dos condensadores de potencia, este artigo propón medidas preventivas desde cinco aspectos: calidade da fabricación e puesta en marcha do equipo, métodos de operación, control da temperatura do entorno de operación, monitorización en liña do estado de funcionamento e inspeccións rutinarias. Estas recomendacións proporcionan orientación práctica para a aplicación eficaz dos condensadores de potencia.