Limitadors de corrent de fal·la | Impacte tecnològic i en l'estabilitat de la xarxa

1 Introducció a la tecnologia del limitador de corrent de falla (FCL)

Els mètodes tradicionals passius de limitació de corrent de falla —com l'ús de transformadors d'alta impedància, reactances fixes o operació de barra dividida— presenten inconvenients inherents, incloent la pertorbació de l'estructura de la xarxa, l'augment de l'impedància del sistema en estat estacionari i la reducció de la seguretat i estabilitat del sistema. Aquests enfocaments es tornen cada vegada més inapropiats per a les xarxes elèctriques complexes i de gran escala d'avui.

En contrast, les tecnologies actives de limitació de corrent de falla, representades pels Limitadors de Corrent de Falla (FCLs), mostren una baixa impedància durant l'operació normal de la xarxa. Quan es produeix una falla, el FCL transita ràpidament a un estat d'alta impedància, limitant eficaçment la corrent de falla a un nivell inferior, permetent així el control dinàmic de les corrents de falla. Els FCLs han evolucionat des del concepte tradicional de limitació de corrent basada en reactàncies sèries, integrant tecnologies avançades com l'electrònica de potència, la superconductivitat i el control de circuits magnètics.

El principi fonamental d'un FCL es pot simplificar al model mostrat a la Figura 1: durant l'operació normal del sistema, l'interruptor K està tancat, i no s'introdueix cap impedància limitadora de corrent pel FCL. Només quan es produeix una falla, K s'obre ràpidament, inserint la reactància per limitar la corrent de falla.

La majoria dels FCLs es basen en aquest model fonamental o en les seves variants esteses. Les diferències principals entre els diversos FCLs es troben en la naturalesa de l'impedància limitadora de corrent, la implementació de l'interruptor K i les estratègies de control associades.

2 Esquemes d'implementació i estat d'aplicació dels FCLs

2.1 Limitadors de corrent de falla superconductors (SFCLs)

Els SFCLs es poden classificar com a de tipus quench o no quench, depenent de si utilitzen la transició del supercondutor de l'estat superconductor a l'estat normal (transició S/N) per a la limitació de corrent. Estructuralment, es categoritzen com resistius, de tipus pont, amb blindatge magnètic, de tipus transformador o de nucli saturable. Els SFCLs de tipus quench depenen de la transició S/N (activada quan la temperatura, el camp magnètic o la corrent superen els valors crítics), on el supercondutor canvia d'una resistència zero a una alta resistència, limitant així la corrent de falla.

Els SFCLs de tipus no quench combinen bobines superconductores amb altres components (per exemple, electrònica de potència o elements magnètics) i controlen els modes d'operació per limitar les corrents de curto-circuit. L'aplicació pràctica dels SFCLs enfronta desafiaments comuns en la superconductivitat, com ara el cost i l'eficiència de refredament. A més, els SFCLs de tipus quench tenen temps de recuperació llargs, que poden entrar en conflicte amb la reconexió del sistema, mentre que els canvis d'impedància dels SFCLs de tipus no quench poden afectar la coordinació de la protecció de relés, requerint un reajust.

2.2 Limitadors de corrent d'elements magnètics

Aquests es divideixen en tipus de cancel·lació de flux i tipus de commutació per saturació magnètica. En el tipus de cancel·lació de flux, es trenquen dues bobines amb polaritat oposada en el mateix nucli. En condicions normals, els fluxos iguals i oposats es cancel·len, resultant en una baixa impedància de fuga.

Durant una falla, una de les bobines es bypassa, interrompent l'equilibri de fluxos i presentant una alta impedància. El tipus de commutació per saturació magnètica opera biasant la bobina limitadora de corrent a la saturació (per exemple, mitjançant un bias DC) en condicions normals, produint una baixa impedància. Durant una falla, la corrent de falla porta el nucli fora de la saturació, creant una alta impedància per la limitació de corrent. Degut als requisits de control complexos, els limitadors d'elements magnètics veuen una aplicació limitada.

2.3 Limitadors de corrent de resistors PTC

Els resistors de coeficient de temperatura positiu (PTC) són no lineals; exhibeixen una baixa resistència i un mínim calentament en condicions normals. Durante un curt circuit, la seva temperatura augmenta ràpidament, elevant la resistència en 8-10 ordres de magnitud en milisegons. Els FCLs basats en resistors PTC han trobat aplicacions comercials en aplicacions de baixa tensió.

No obstant això, els inconvenients inclouen: sobretensions altes generades durant la limitació de corrent inductiva (que requereixen protecció paral·lela contra sobretensions); estrès mecànic degut a l'expansió del resistor durant l'operació; valors de tensió/corrent limitats (centenars de volts, uns quants amperes), necessitant connexions en sèrie-paral·lel i restringint l'ús en alta tensió; i temps de recuperació llargs (diversos minuts) amb vida útil curta, dificultant la implementació a gran escala.

2.4 Limitadors de corrent de sòlid estat (SSCLs)

Els SSCLs són un nou tipus de limitador de curt circuit basat en electrònica de potència, típicament compost per reactàncies convencionals, dispositius electrònics de potència i controladors. Ofereixen diverses topologies, resposta ràpida, alta resistència operativa i control simple. Controlant l'estat dels dispositius electrònics de potència, s'altera l'impedància equivalent del SSCL per limitar la corrent de falla. Considerat un nou dispositiu FACTS, els SSCLs estan rebent cada cop més atenció. No obstant això, durant les fallades, els dispositius electrònics de potència han de portar la totalitat de la corrent de falla, exigint un rendiment i capacitat elevats dels dispositius. La coordinació entre múltiples SSCLs o amb altres sistemes de control FACTS continua sent un repte crític.

2.5 Limitadors de corrent econòmics

Aquests ofereixen tecnologia madura, alta fiabilitat, baix cost i commutació automàtica sense control extern. Principalment es classifiquen en tipus de transferència de corrent d'arc i tipus de ressonància sèrie. El tipus de transferència de corrent d'arc consisteix en un interruptor de vacuï en paral·lel amb un resistor limitador de corrent. En condicions normals, la corrent de càrrega flueix a través de l'interruptor. En cas de curt circuit, l'interruptor s'obre, forçant la corrent a transferir-se al resistor per a la limitació de corrent.

Els problemes inclouen: la corrent de transferència afectada per la tensió de l'arc de vacuï i la inductància estranya; el temps de transferència dependent de la velocitat de l'interruptor; i la dificultat de transferència de corrent a baixes tensions d'arc, necessitant dispositius auxiliars per augmentar la tensió de l'arc i forçar el zero-crossing de la corrent. Els FCLs de ressonància sèrie utilitzen reactàncies saturables o parafulmeres com a commutadors. En condicions normals, el capacitor i l'inductor estan en ressonància sèrie amb baixa impedància. Durante una falla, la corrent alta satura la reactància o activa la parafulmera, detunant la ressonància i inserint la reactància a la línia per a la limitació de corrent. També es poden bypassar ràpidament els capacitadors amb commutadors ràpids d'empenta electromagnètica.

2.6 Estat actual de les aplicacions d'enginyeria dels FCLs

Per a tenir valor pràctic, els FCLs no només haurien de inserir ràpidament impedància durant les fallades, sinó també disposar de reinici automàtic, operacions consecutives múltiples, generació baixa d'armòniques i costos d'inversió i operació acceptables. Actualment, limitats per desafiaments tècnics i rentabilitat, malgrat diversos prototips experimentals desenvolupats arreu del món, les aplicacions reals a la xarxa encara són escasses, principalment limitades a projectes pilota de baixa tensió i petita capacitat.

El camp va començar més aviat a l'estranger, amb progrés notable en la comercialització de FCLs de sòlid estat i superconductors. El 1993, un interruptor de sòlid estat de 6,6 MW que utilitzava GTOs en anti-paral·lel es va instal·lar en un alimentador de 4,6 kV al Centre d'Energia de l'Exèrcit a New Jersey, EUA, capaç de clarificar fallades en 300 μs. El 1995, un FCL de sòlid estat de 13,8 kV/675 A desenvolupat per EPRI i Westinghouse es va comissionar en una subestació de PSE&G. Per als FCLs superconductors, un FCL híbrid AC/DC va ser desenvolupat per ACEC-Transport i GEC-Alsthom el 1998, assolint la comercialització. El 1999, un SFCL de 15 kV/1200 A desenvolupat conjuntament per General Atomics i altres va ser desplegat a una subestació de Southern California Edison (SCE).

La recerca domèstica en FCLs va començar més tard però va progressar ràpidament. El 2007, un FCL de nucli saturable superconductor de 35 kV desenvolupat per Tianjin Electromechanical Holdings i Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., va sotmetre's a una prova de connectivitat a la xarxa a la Subestació Puji, Yunnan, llavors el limitador superconductor més alt de tensió i capacitat en prova. Per als FCLs de ressonància sèrie, el primer dispositiu de 500 kV a Xina, desenvolupat conjuntament per l'Institut de Recerca de la Energia Elèctrica de Xina, Zhongdian Puri i East China Grid, es va comissionar a la Subestació de 500 kV Bingyao a finals de 2009, reduint la corrent de curt circuit a menys de 47 kA.

A nivell global, les aplicacions de FCLs encara estan limitades a projectes individuals, però estan rebent cada cop més atenció. Hi ha un gran potencial en la recerca per augmentar la capacitat, la tolerància de tensió, millorar materials, dissipació de calor, control de costos i optimització de topologies.

3 Impacte de la integració dels FCLs en la seguretat i estabilitat del sistema elèctric

La inserció ràpida d'impedància dels FCLs durant les fallades, tot limitant eficaçment la corrent, altera els paràmetres de la xarxa, afectant l'estabilitat transitori, la estabilitat de tensió, les configuracions de protecció de relés i la reconexió. Un control deficient pot conduir a efectes negatius. El control coordinat i la configuració òptima són essencials per a múltiples FCLs per aconseguir un rendiment òptim.

3.1 Impacte en les configuracions de protecció de relés i reconexió

Per als SFCLs de nucli saturable, el llarg temps de recuperació significa que persisteix una significativa impedància post-falla, que pot requerir un reajust de la reconexió automàtica i la protecció de relés. La literatura suggerix instal·lar SFCLs de tipus quench en branques de generadors i transformadors principals; encara que es necessita un reajust de la protecció, la persistent alta impedància durant la recuperació pot actuar com un resistor de frenat, beneficiant l'estabilitat transitori. S'han proposat diversos mètodes de configuració de protecció de distància que tenen en compte els SFCLs. Els FCLs de sòlid estat poden utilitzar senyals de disparo de tiristors, contactes de bypass breaker, posicions de commutador FCL i circuits GAP per a canviar les configuracions de protecció de corrent zero seqüencial, abordant problemes de sensibilitat després de la inserció del FCL.

3.2 Impacte en l'estabilitat transitori de l'angle de potència

Encara que els FCLs generalment operen amb baixa impedància normalment i alta impedància durant les fallades, la seva operació específica i estructura condueixen a impactes variables en l'estabilitat transitori de l'angle de potència. Els FCLs de sòlid estat i superconductors, inserint alta impedància durant les fallades, poden incrementar la sortida de potència electromagnètica del generador i millorar l'estabilitat transitori.

Els FCLs de tipus resistiu milloren més l'estabilitat que els de tipus inductiu, proporcionant una resistència d'amortigament que consumeix més potència del generador. No obstant això, valors de resistència inadequats poden causar un flux de potència invers al generador, aggravant els déficits de potència. L'anàlisi mostra que, per a fallades allunyades del generador, els SFCLs inductius esdevenen més beneficiosos a mesura que disminueix la reactància total de transferència. Els SFCLs resistius també mostren característiques similars més enllà d'un cert valor de resistència.

L'impacte depèn de la ubicació i el tipus de falla; els FCLs només afecten l'estabilitat de l'angle de potència quan les fallades ocorren en les línies on estan instal·lats. Per a fallades asimètriques al començament de la línia, la inductància del FCL beneficia l'estabilitat, augmentant amb el valor de la inductància. Al final de la línia, si la falla es neteja ràpidament, la inductància del FCL pot dificultar l'estabilitat, però l'impacte negatiu disminueix amb una inductància més alta per a fallades fase a fase i de dos fases a terra. Per a fallades de fase única o fase a fase prop del final de la línia, estendre lleugerament el temps de neteja de la falla fa que una petita inductància del FCL sigui beneficiosa, reduint significativament l'amplitud de la corba de balanç comparada amb una neteja ràpida.

3.3 Impacte en l'estabilitat transitori de la tensió

Les fallades de curt circuit causen dips de tensió, afectant l'operació de l'equipament i causant pèrdues econòmiques. L'anàlisi basada en PSCAD mostra que una major inductància del FCL millora la supressió del dip de tensió dins d'un cert rang. La capacitat inherent dels FCLs per millorar la tensió de falla varia amb la estructura de la xarxa. En alimentadors radials, una reactància de FCL >0,5 pu pot mantenir la tensió per sobre de 0,8 pu durant les fallades. La generació local o el suport reactiv prop del bus de falla redueix la dependència dels FCLs.

3.4 Coordinació amb mesures limitadores tradicionals

Coordinar els FCLs amb mesures tradicionals (per exemple, reactàncies, transformadors d'alta impedància) és clau per a l'aplicació pràctica. Un mètode d'optimització automàtica que utilitza variables 0-1 per a la implementació de mesures i variables enteres per a la capacitat forma un problema de programació mixta d'enters, solucionable mitjançant mètodes de ramificació i acotació, per guiar la configuració coordinada.

3.5 Optimització de la configuració

Amb múltiples FCLs, optimitzar la ubicació, el nombre i els paràmetres per a un rendiment cost-effective és un tema de recerca destacat. Per a xarxes petites, l'enumeració o mètodes basats en la taxa de canvi/pèrdua de potència són suficients. Per a grans xarxes amb diversos nodes que superen els límits de curt circuit, l'enumeració esdevé computacionalment intensiva i insuficient per a problemes multiobjectiu (impedància, nombre, ubicació).

L'optimització multiobjectiu ponderada utilitzant algoritmes genètics o d'enjambre de partícules és comuna, però els resultats depenen molt de la selecció de pesos. Els mètodes basats en la sensibilitat, calculant els canvis de corrent de curt circuit relativament a la impedància de la branca, eviten la dependència de pesos i ajuden a determinar la ubicació òptima del FCL, el nombre i la impedància. Com que l'objectiu principal és la limitació de corrent, l'optimització pot centrar-se en l'efectivitat de la limitació, assegurant que les ubicacions seleccionades del FCL afectin tots els nodes amb un marge de curt circuit insuficient. Els costos i les pèrdues operatives també són factors crítics en l'optimització real.

4 Tendències de desenvolupament i aplicació dels FCLs

4.1 Tendències de recerca en tecnologia FCL

Per aprofitar els avantatges i mitigar les debilitats, estan emergint noves direccions de recerca. Combinar els FCLs superconductors amb l'emmagatzematge d'energia és un tema d'actualitat —absorbint energia durant les fallades i aportant-la per millorar la qualitat de l'energia durant l'operació normal, aconseguint beneficis duals. La clau resideix en el disseny del sistema de condicionament de potència.

Per abordar les demandes d'alta capacitat, costos i harmònics en els limitadors de sòlid estat, s'han proposat topologies millorades com els SSCLs de pont trifàsic acoblats amb transformadors amb inductàncies de bypass. Els FCLs convencionals manquen de ajustabilitat dinàmica i compensació en estat estacionari.

S'ha proposat un FCL multifuncional amb compensació sèrie dinàmica: l'operació normal utilitza el commutació de bancs de capacitadors per a la compensació gradual de la línia; durant les fallades, els GTOs o IGCTs controlen el grau de limitació mitjançant una inductància sèrie, permetent un ús multipropòsit. La compensació sèrie s'ha de triar amb cura per evitar oscil·lacions sub-sincròniques.

4.2 Tendències d'aplicació dels FCLs

Els FCLs no només limiten les corrents de curt circuit, sinó que, en condicions adequades, poden millorar l'estabilitat de l'angle de potència i de la tensió, ampliant el seu àmbit d'aplicació. Les tendències emergents inclouen la millora de la capacitat de transmissió al final receptor de CC, la reducció del risc de fallada de commutació, la millora de la qualitat de l'energia i el suport a la integració de renovables a gran escala.

En sistemes de CC multiterminal, els FCLs poden limitar la corrent sense afectar l'operació normal. Per a xarxes de final receptor de CC, els FCLs instal·lats en camins de propagació de fallades poden aïllar regions, bloquejar la propagació de fallades, acurtar la durada de la fallada de commutació, accelerar la recuperació de la potència CC i atenuar desequilibris de potència i transferències de flux de potència de fallades simultànies de múltiples infeeds de CC, millorant la estabilitat transitori global. Per a motors asincrònics grans, la integració de SFCLs en el circuit de l'estator permet una arrancada suau i suprimeix la contribució de corrent de falla, reduint els dips de tensió i millorant l'estabilitat de tensió transitori.

Per a la integració de grans parc eòlics, els FCLs a punts de connexió de parc eòlics poden millorar la capacitat de passar per la fallada i reduir els riscos de desconexió. Els FCLs resistius requereixen menys impedància que els inductius per a la estabilitat en la mateixa durada de falla, però els inductius oferixen millor millora propera a la estabilitat crítica.

Com la tecnologia FCL es consolida, aquests dispositius de resposta ràpida i multifuncionals —limitant les fallades, millorant la estabilitat i aïllant les fallades— trobaran una aplicació més ampla.

5 Conclusió

Els FCLs limiten eficaçment les corrents de curt circuit, però poden afectar l'estabilitat de l'angle de potència/tensió, les configuracions de protecció de relés i les configuracions de reconexió. La configuració òptima i el control coordinat de múltiples FCLs o amb dispositius FACTS prometen beneficis significatius. Els FCLs futurs s'estendran més enllà de la limitació de corrent per a millorar la transmissió de CC, reduir les fallades de commutació, millorar la qualitat de l'energia i suportar la integració de renovables.

No obstant això, els obstacles tècnics i econòmics retarden l'aplicació a gran escala de FCLs d'alta tensió i alta capacitat. Els limitadors de sòlid estat, limitats per la capacitat i les tensions màximes dels dispositius, actualment estan restringits a xarxes de distribució. Avanços en dispositius d'autocommutació de alta potència podrien superar aquests cuellos de botella i reduir els costos.

Els FCLs superconductors ofereixen resposta ràpida i autotrigger, però enfronten costos de refrigeració alts, reptes de dissipació de calor i llargs temps de recuperació de quench. Considerant la viabilitat i l'economia a curt termini, els FCLs econòmics basats en equipament convencional són la solució preferida. Els limitadors de sòlid estat, amb barreres tècniques més baixes i més madures, representen la direcció principal del futur.