Explosión de un condensador en una fábrica de papel

Question

Hace dos años estuve de prácticas en una fábrica de papel en la Superintendencia de Electrocontrol, en el área de mantenimiento de equipos eléctricos. Pues bien, tenían un problema relacionado con unas baterías de condensadores que estaban instaladas para mantener el factor de potencia en un determinado nivel. El sistema era simple, tenía múltiples bancos de condensadores que se conmutaban para cambiar la potencia reactiva y controlar el factor de potencia, y tenían muchas conmutaciones a lo largo de un día. El problema que tenían es que los condensadores no duraban mucho tiempo, se estropeaban cada mes, y esto era caro debido al mantenimiento y a la necesidad de más condensadores para reemplazar los inútiles. Estoy un poco desconcertado, porque era un sistema trifásico, y la tensión nominal de los condensadores era superior a la tensión de la fuente a la que estaban conectados (380 de tensión de línea, y los condensadores eran de aproximadamente 600 V)

Mi pregunta es, ¿por qué los condensadores "explotaron" tan rápidamente? Deberían haber durado al menos entre 3 y 6 meses (1 año esperado). Estaba pensando en un exceso de tensión debido a los transitorios al conmutar y producir como una "reacción en cadena", menos condensadores => mayor tensión transitoria. Sin embargo hay mucho tiempo desde que no he resuelto un problema de circuito, ¿podría alguien explicar en términos más matemáticos? ¿Estoy en lo cierto en mi declaración?

Answer 1

Yo sospecharía de una distorsión armónica de la tensión del sistema debido a las cargas no lineales. Los condensadores están dimensionados para transportar corriente debido a la impedancia compleja de los condensadores a la frecuencia de la línea. Si la forma de onda de la tensión real tiene un contenido significativo de tensiones en frecuencias armónicas, eso aumenta la corriente del condensador porque la impedancia es menor en esas frecuencias. Además, la distorsión armónica puede precipitar una situación de resonancia armónica aumentando aún más la corriente del condensador.

Las cargas no lineales pueden ser controles de velocidad de motores electrónicos u otros equipos electrónicos de potencia en el sistema de distribución trifásico o incluso equipos electrónicos en sistemas de distribución monofásicos que se alimentan de los sistemas trifásicos.

Muchos de los grandes motores de las fábricas de papel se alimentan mediante controles de velocidad de conversión electrónica de potencia.

Answer 2

La causa más probable del fallo en este caso es que el condensador se calentó demasiado. Como todo, los condensadores se calientan cuando fluye la corriente a través de ellos. La cantidad de flujo de corriente depende de la tensión y de la impedancia compleja del condensador a la frecuencia de la línea. En el análisis más simple posible, la corriente RMS será \$V_{line} \times 2 \pi f C\$ . Normalmente, los condensadores utilizados para este tipo de aplicaciones tienen una especificación de tensión de CA que tiene en cuenta todo esto.

Por supuesto, puede tener varios condensadores en paralelo que no comparten la corriente correctamente. En ese caso domina el de menor impedancia (mayor capacitancia).

O puede haber otros efectos que contribuyan a las corrientes de los condensadores además de la tensión de línea. He oído hablar de casos en los que los efectos de resonancia entre diferentes condensadores de una planta los exponen a corrientes más altas de las que cabría esperar. Incluso he oído casos en los que el fallo de un condensador cambió la resonancia, haciendo que el problema desapareciera.

Hasta que alguien sustituyó el condensador fundido, por supuesto...

Answer 3

Los condensadores pueden fallar antes de tiempo si se violan sus valores nominales de corriente de ondulación y de temperatura ambiente de funcionamiento.

Si el valor nominal de la corriente de ondulación para estos condensadores de 600 V era de 20 A, pero estaban viendo picos de corriente alterna de 30-40 A (las magnitudes de las unidades son sólo ejemplos), entonces los condensadores se desgastarán mucho más rápido de lo que están clasificados debido al aumento de la temperatura interna gracias a la ESR (resistencia en serie equivalente).

Si las temperaturas ambientales son altas, esto será aún peor.

La realidad de la resistencia de contacto y la inductancia parásita significa que ningún condensador compartirá la corriente exactamente igual. Algunos pueden soportar justo por encima de su valor nominal de corriente de ondulación, mientras que otros en la cadena (si se modelan los condensadores en paralelo como una cadena conectada por resistencias parásitas en los contactos y cables entre ellos) tienen mucho menos. Los que están más cerca de la fuente de entrada cargarán y descargarán la corriente más que los otros, y fallarán más rápido debido a las razones anteriores.

También he encontrado un documento útil sobre las baterías de condensadores de corrección de FP y sus modos de fallo aquí .