Estudio sobre la Selección Óptima de Resistencias para Limitadores de Corriente de Falla Superconductores Resistentes en Sistemas de Transmisión DC Flexible

1 Limitador de Corriente de Falla Superconductor Resistivo

1.1 Principio de Funcionamiento

A medida que las redes eléctricas continúan expandiéndose, la capacidad de cortocircuito de los sistemas de energía domésticos está aumentando rápidamente, lo que plantea desafíos significativos para la construcción y operación de la red. Para abordar el problema de corrientes de falla excesivas, los limitadores de corriente de falla superconductores (SFCLs) basados en principios de superconductividad están recibiendo cada vez más atención. Dependiendo de sus características de amortiguación al pasar al estado de alta resistencia, los SFCLs se pueden clasificar en tipos resistivos e inductivos.

Entre estos, el limitador de corriente de falla superconductor resistivo destaca por su estructura simple, tamaño compacto y peso ligero, con un principio de funcionamiento claro. Una vez que entra en el estado de alta resistencia, su impedancia limitadora de corriente aumenta bruscamente, proporcionando una fuerte capacidad de supresión de la corriente de falla. Además, la capacidad del dispositivo puede ajustarse flexiblemente mediante configuraciones en serie o paralelo de superconductores. En los últimos años, se han producido avances en materiales superconductores a temperatura ambiente, lo que ha llevado a que tanto la academia como la industria consideren a los SFCLs resistivos como la dirección principal para el desarrollo futuro.

La corriente crítica, el campo magnético crítico y la temperatura crítica son parámetros físicos clave para determinar si un superconductor está en el estado superconductor. Cuando cualquiera de estos parámetros supera su valor crítico, el superconductor pasa del estado superconductor al estado de quench. El proceso de quench consta de dos etapas: primero, el estado de flujo de flujo, seguido del estado resistivo normal. Cuando la densidad de corriente a través del superconductor supera su densidad de corriente crítica, el superconductor entra en el estado de flujo de flujo.

Donde: E es la intensidad del campo eléctrico; EC es la intensidad del campo eléctrico crítico; J es la densidad de corriente; JCT es la densidad de corriente crítica; α es una constante; Tt1 y Tt2 son las temperaturas del superconductor en los tiempos t1 y t2, respectivamente; QRS es el calor generado por la resistencia Rs desde t1 hasta t2; QC es el calor intercambiado entre el superconductor y su entorno durante el intervalo de tiempo t1–t2; Cm es la capacidad calorífica específica del superconductor; JCT(77) es la densidad de corriente crítica a 77 K (77 K siendo la temperatura de un ambiente de nitrógeno líquido); TC es la temperatura crítica; T es la temperatura del superconductor.

Según la Ecuación (1), cuando la densidad de corriente J aumenta, la intensidad del campo eléctrico E del superconductor aumenta rápidamente, lo que lleva a un aumento en su resistencia. El aumento de la resistencia refuerza el efecto térmico, y como se muestra en la Ecuación (2), la temperatura del superconductor aumenta en consecuencia.

De la Ecuación (3), se sabe que el aumento de la temperatura reduce la densidad de corriente crítica, lo que a su vez aumenta aún más la intensidad del campo eléctrico E, causando que la resistencia del superconductor siga creciendo. A medida que la resistencia aumenta, el calor generado por el superconductor gradualmente se equilibra con el calor disipado al entorno, y la temperatura se estabiliza, llegando finalmente a un estado normal de resistencia constante.

1.2 Aplicación de R-SFCL en Sistemas DC Flexibles

En los sistemas de transmisión DC flexible, la corriente DC carece de cruces cero naturales. Una vez que ocurre un fallo de cortocircuito, la corriente de falla aumenta rápidamente, representando una amenaza severa para el equipo eléctrico en el sistema. Para garantizar la confiabilidad del sistema, los interruptores deben aislar rápidamente la línea afectada. Actualmente, los interruptores DC aún no han cumplido completamente con los requisitos de aplicación práctica.

Cuando ocurre un fallo en el lado DC, generalmente se activan los interruptores del lado AC, pero esto inevitablemente causa el apagado de la estación de conversión, y los dispositivos electrónicos de potencia pueden dañarse debido a la sobrecorriente durante este período. La protección DC debe completar toda la secuencia de protección en pocos milisegundos, mientras que el tiempo de operación más rápido de los interruptores AC suele ser de 50 ms, lo que los hace incapaces de proteger eficazmente los dispositivos electrónicos de potencia en el sistema.

La tecnología actual permite que los R-SFCLs alcancen el estado resistivo normal en aproximadamente 3 ms. El limitador de corriente de falla superconductor resistivo transiciona al estado limitador de corriente mucho más rápido que la protección por relés, y logra el estado de alta impedancia antes de la eliminación del fallo, reduciendo así efectivamente la corriente de cortocircuito.

2 Características de Fallos DC en Sistemas DC Flexibles

La ubicación del punto de fallo afecta solo la impedancia del sistema, no la ruta de la corriente ni las características fundamentales del fallo de cortocircuito. Por conveniencia en la modelización, el fallo se coloca en el punto medio de la línea DC y se asume que es un cortocircuito metálico. Se construyen un modelo de simulación de un sistema DC flexible de dos terminales y un modelo de R-SFCL utilizando PSCAD/EMTDC, con un voltaje nominal del sistema de ±110 kV y una potencia nominal de 75 MW. La ubicación de instalación del R-SFCL se muestra en la Fig. 1.

Cuando ocurre un fallo de cortocircuito DC, el IGBT se detecta y se bloquea inmediatamente a través de su función de bloqueo al detectar la corriente de falla. Sin embargo, los diodos conectados en paralelo con el IGBT y las líneas de transmisión forman un circuito rectificador puente no controlable, permitiendo que la conmutación continúe incluso después de que el IGBT se bloquee. Un cortocircuito polopolo DC se puede dividir principalmente en tres etapas: La primera etapa ocurre inmediatamente después del fallo, durante la cual el capacitor del lado DC descarga rápidamente y la corriente DC alcanza su valor pico en pocos milisegundos.

En la segunda etapa, después de que la tensión del capacitor cae a cero, la corriente que fluye a través de los diodos puede alcanzar más de diez veces su corriente nominal, haciendo que los dispositivos electrónicos de potencia sean altamente susceptibles a daños. En la tercera etapa, cuando la corriente de cortocircuito DC decae por debajo de la corriente de la red AC, la red AC comienza a alimentar la corriente de cortocircuito al punto de fallo DC. Un fallo a tierra DC no tiene una segunda etapa; de lo contrario, sus características son similares a las de un fallo polopolo.

Durante la alimentación de corriente AC, la corriente de fallo a través de los diodos es aproximadamente diez veces su corriente nominal. Las rutas de corriente para estos dos tipos de fallos de cortocircuito DC en el sistema DC flexible se ilustran en la Fig. 2 y Fig. 3, respectivamente. Instalar un R-SFCL a lo largo de la ruta de la corriente de fallo puede aumentar rápidamente la resistencia del bucle de cortocircuito, proporcionando más tiempo para la eliminación del fallo y reduciendo los requisitos de tiempo de apertura y capacidad de interrupción inherentes de los interruptores DC.

3 Análisis de Simulación

Utilizando el software de simulación PSCAD/EMTDC, el modelo de R-SFCL desarrollado se integra en el modelo de simulación de un sistema DC flexible de dos terminales con una capacidad de 75 MW para su verificación. El rendimiento limitador de corriente bajo un fallo polopolo DC se muestra en la Fig. 4, y bajo un fallo de línea a tierra DC se muestra en la Fig. 5. Como se puede observar en la Fig. 4 y Fig. 5, la corriente de fallo pico disminuye a medida que aumenta la resistencia en estado normal. Es evidente que la resistencia del R-SFCL y la corriente de fallo pico después de su instalación exhiben una cierta relación funcional de decaimiento.

Para ampliar el ámbito de aplicación, el modelo original se escaló gradualmente basándose en tres capacidades de sistema: 75 MW, 150 MW y 300 MW. Bajo condiciones de cortocircuito polopolo DC y cortocircuito de línea a tierra DC, se estudió la relación entre el valor de resistencia en estado normal del R-SFCL y la corriente de cortocircuito pico obteniendo los valores pico de las corrientes de cortocircuito. Los resultados se muestran en la Fig. 6 y Fig. 7.

Utilizando la función de ajuste de curvas en MATLAB, las curvas de la Fig. 6 y Fig. 7 se ajustaron respectivamente, resultando en expresiones funcionales de la forma f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, con parámetros específicos listados en la Tabla 1. Diferenciando la función ajustada se obtiene f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. De la Tabla 1, se puede observar que para el mismo tipo de fallo, el parámetro b permanece casi constante, mientras que el parámetro a aumenta con la capacidad del sistema. Dado que b es relativamente pequeño, las expresiones de pendiente de las curvas para el mismo tipo de fallo son prácticamente idénticas.Por lo tanto, los R-SFCLs con la misma resistencia en estado normal exhiben la misma tasa de cambio en la corriente de fallo pico a través de diferentes capacidades del sistema para el mismo tipo de fallo, indicando un rendimiento limitador de corriente consistente.

Además, a medida que la resistencia en estado normal del R-SFCL aumenta linealmente, su efectividad limitadora de corriente disminuye gradualmente. Basándose en las pendientes de las curvas de la Fig. 6 y Fig. 7, el rango óptimo de la resistencia en estado normal del R-SFCL para maximizar la tasa de reducción de la corriente de fallo pico es de 0–10 Ω.

4 Conclusión

Instalar un R-SFCL en el lado de salida DC de una estación de conversión en un sistema de transmisión DC flexible puede reducir eficazmente las corrientes de fallo de cortocircuito DC. A medida que el valor de resistencia del R-SFCL aumenta linealmente, su efecto limitador de corriente disminuye gradualmente. Considerando el estado actual de la investigación, los costos de ingeniería y los requisitos de área de terreno, se recomienda que el rango óptimo de resistencia en estado normal para el R-SFCL sea de 0–10 Ω.