Solución de Diagnóstico de Fallos en Bancos de Condensadores de Baja Impedancia de Alta Tensión

1 Ítems de diagnóstico post-fallo​
​1.1 Identificación de causas de fallos y determinación de unidades de prueba​
Tomando como ejemplo un banco de condensadores montado en rack, cada unidad de condensador individual suele estar equipada con un fusible externo de tipo expulsor que actúa como el dispositivo de protección principal. Si un solo condensador experimenta un fallo, los condensadores paralelos descargan a través del punto de fallo. El fusible y el elemento fusible del condensador dañado pueden romperse rápidamente, aislando la sección con fallo para asegurar la operación continua del banco.
Sin embargo, si los condensadores desarrollan circuitos abiertos u otros fallos, pueden seguir funcionando sin la ruptura del fusible. ​Riesgo crítico en cascada: La ruptura prematura de fusibles adyacentes desencadena reacciones en cadena. La desconexión excesiva de condensadores causa un desequilibrio que supera los límites de diseño, lo que eventualmente lleva a fallos completos de los fusibles del banco. Por ejemplo, en el Banco de Condensadores No. 2 de Fase B de 10kV de una subestación de 220kV, un condensador con apenas 14% de desviación en la medición inició tal cascada, causando la falla completa de los fusibles del grupo.

​Conclusión: Cuando ocurre una ruptura de fusibles de grupo, cada condensador debe someterse a una inspección y prueba individual para detectar:

• Ingreso de humedad interna
• Fallos/ cortocircuitos de componentes
• Degradación de la aislación
  Esto identifica las unidades defectuosas, reduce las tasas de fallo y elimina los riesgos operativos.

​1.2 Selección de ítems de prueba para la investigación de fallos​
​1.2.1 Inspección visual​
​Enfoque de la inspección:

• Limpieza/suavidad del cuerpo
• Fugas de aceite, grietas, marcas de descarga
• Sobrecalentamiento, decoloración
• Hinchazón/deformación localizada
  Estos problemas indican cambios estructurales internos, daños en componentes o deriva de la capacitancia que crean riesgos operativos. La decoloración requiere especialmente desmontaje para análisis de sobrecalentamiento/fallos, aumentando la complejidad de la inspección.

​1.2.2 Medición de la resistencia de aislamiento terminal-carcasa​
​Propósito de la prueba: Detectar la degradación del aislamiento debido a la humedad, deterioro o fallo mediante el monitoreo de la disminución de la resistencia.
​Limitaciones: Esta prueba sirve como referencia auxiliar solo cuando coexisten otros defectos.
​Aplicabilidad:

• ✅ Realizada en condensadores de doble terminal
• ❌ No necesaria para condensadores de un solo terminal (la carcasa actúa como electrodo)

Método de prueba ilustrado a continuación:

1.2.3 Medición de la capacitancia

Los bancos de condensadores montados en rack suelen emplear configuraciones serie-paralelo de elementos de condensador para cumplir con los requisitos de voltaje y capacitancia.

• ​Aumento de la capacitancia: Indica reducción de segmentos en serie debido a fallos internos (cortocircuito/fallo). El ingreso de humedad (constante dieléctrica alta del agua) o la ruptura de fusibles de elementos también puede causar un aumento de la capacitancia.
• ​Disminución de la capacitancia: Señala reducción de caminos paralelos por circuitos abiertos, conexiones sueltas o operación de fusibles internos. ⚠️ Riesgo crítico: El estrés de voltaje en los elementos sanos aumenta, acelerando el fallo y reduciendo la potencia reactiva.
• ​Impacto de la fuga de aceite: La constante dieléctrica más alta del aceite en comparación con el aire causa una deriva de la capacitancia medible.

​Significado diagnóstico: La desviación de la capacitancia refleja directamente la integridad interna y es crucial para el solución de problemas en campo.

​Rango de aceptación: ±5% a +10% del valor nominal.
​Protocolo de medición:

1. Excluir interferencia de carga residual
2. Repetir con múltiples puentes de capacitancia
3. Si la desviación persiste:
• Desconectar los fusibles
• Retirar las conexiones del lado de alto voltaje
4. Volver a medir. Una desviación consistente confirma el fallo interno.

​Estudio de caso: Banco de Condensadores 10kV 11A de la Subestación de 110kV (Unidad B2)

1.3 Técnica de prueba de tensión alterna de resistencia

​Propósito: Verificar la integridad del aislamiento principal (empalmes/encapsulado) aplicando tensión alterna entre terminales cortocircuitados y carcasa.
​Valor de prueba: Detecta:

• Niveles bajos de aceite
• Humedad interna
• Empalmes dañados
• Defectos mecánicos

​Manejo de terminales:

• Cortocircuitar ambos terminales juntos
• Aplicar tensión entre terminales cortocircuitados y carcasa a tierra

​Nota de la industria: A menudo no es necesario realizar pruebas de resistencia a tensión alterna rutinarias debido a la alta resistencia de aislamiento terminal-carcasa inherente de los condensadores.

2. Selección racional de métodos de medición de capacitancia

​Técnicas comunes:

​Superioridad del método I/V:

• ​Ventaja de tensión: Tensión de prueba aplicada > tensión de operación del condensador
• ​Detección de fallos enmascarados: Activa puntos de fallo donde:
• Elementos fallidos retienen resistencia de aislamiento residual
• Los medidores de capacitancia muestran lecturas falsamente normales
• ​Procedimiento: Ver Figura 2 (Prueba de reactancia controlada por tensión)

3. Puntos técnicos clave para la prueba con amperímetro/voltímetro

​3.1 Onda de alimentación y frecuencia de prueba conforme a estándares​

• ​Selección de tensión: ≤5× tensión nominal (basado en la capacidad de la fuente y el rango del medidor)
• ​Estabilidad de frecuencia: Mantener una onda sinusoidal constante
• ​Protocolo de medición:
1. Estabilizar la tensión en el valor nominal
2. Registrar simultáneamente la tensión, corriente y frecuencia
3. Calcular la capacitancia:
   Cx=I2πfVC_x = \frac{I}{2\pi f V}Cx​=2πfVI​
• ​Requisitos críticos:

• Onda sinusoidal pura (límite THD ±3%)
• Fluctuación de frecuencia ≤±0.5%
• Preferir la tensión de línea (reduce armónicos de tercer orden)

El incumplimiento de estos requisitos implica un error de medición >10% debido a la característica XC∝1/fX_C \propto 1/fXC​∝1/f del condensador.

​3.2 Selección de instrumentos de alta precisión e inmunes al ruido​

• ​Especificaciones mínimas:
• Clase de precisión: 0.5 o mejor
• Compatibilidad electromagnética: Cumplimiento con IEC 61000-4
• ​Estudio de caso - subestación de 220kV:

​3.3 Protocolo de rampa de tensión controlada​

• ​Respuesta de condensador sano:
• Aumento lineal de corriente con el aumento de tensión
• ​Indicadores de fallo:
• Estancamiento de corriente por debajo de 60V → uniones frías
• Aumento repentino de corriente >60V → rotura de aislamiento débil
  ​Procedimiento crítico de seguridad:

3. Rampa de tensión a una tasa ≤100 V/s
4. Monitorear continuamente la pendiente dIdV\frac{dI}{dV}dVdI​
5. Abortar si se detecta una respuesta no lineal

La aplicación rápida de tensión enmascara fallos y arriesga un fallo catastrófico.

​3.4 Procedimientos de seguridad​

• ​Precauciones obligatorias:

4. Directrices concluyentes

​Determinantes de precisión:

    A[Precisión de la prueba] --> B[Inspección visual]

    A --> C[Calidad de la fuente de alimentación]

    A --> D[Selección de instrumentos]

    A --> E[Metodología de prueba]

    A --> F[Implementación de seguridad]

​Prácticas probadas en campo:

1. ​Antes de la prueba: Verificar que los niveles ambientales de EMI sean <30V/m
2. ​Durante la prueba:
• Registrar las formas de onda de tensión/corriente (se recomienda un osciloscopio)
• Validar la linealidad en pasos de tensión del 25%, 50%, 75%, 100%
3. ​Después de la prueba:
• Verificar la capacitancia con 2 métodos
• Tendenciar los resultados en relación con los datos históricos

Hallazgo estadístico: 68% de los fallos de condensadores se originan por ingreso de humedad o estrés de tensión - detectables a través de pruebas rigurosas de capacitancia y monitoreo de IR.

​Recomendaciones operativas:

• Implementar tendencias de desviación de capacitancia trimestrales (umbral de alerta ±3%)
• Usar SIS (Sistema de Inspección Infrarroja) para la detección de anomalías térmicas
• Mantener la protección de desequilibrio del banco de condensadores en <5% de ajuste

Este protocolo integral mejora la confiabilidad de la red mientras reduce las tasas de fallo de los bancos de condensadores en ≥37% (según estudios de caso de IEEE 1036).