Limitadores de Corriente de Falla | Impacto en la Tecnología y Estabilidad de la Red
1 Introducción a la Tecnología de Limitadores de Corriente de Falla (FCL)
Los métodos tradicionales de limitación pasiva de corriente de falla, como el uso de transformadores de alta impedancia, reactancias fijas o operación de barras divididas, presentan desventajas inherentes, incluyendo la interrupción de la estructura de la red, el aumento de la impedancia del sistema en estado estable y la reducción de la seguridad y estabilidad del sistema. Estos enfoques se están volviendo cada vez menos adecuados para las redes eléctricas complejas y de gran escala de hoy en día.
En contraste, las tecnologías activas de limitación de corriente de falla, representadas por los Limitadores de Corriente de Falla (FCL), exhiben una baja impedancia durante la operación normal de la red. Cuando ocurre una falla, el FCL se transiciona rápidamente a un estado de alta impedancia, limitando efectivamente la corriente de falla a un nivel más bajo, lo que permite un control dinámico de las corrientes de falla. Los FCL han evolucionado desde el concepto tradicional de limitación de corriente basada en reactancias en serie, integrando tecnologías avanzadas como la electrónica de potencia, la superconductividad y el control de circuitos magnéticos.
El principio fundamental de un FCL puede simplificarse en el modelo mostrado en la Figura 1: durante la operación normal del sistema, el interruptor K está cerrado y no se introduce ninguna impedancia limitadora de corriente por el FCL. Solo cuando ocurre una falla, K se abre rápidamente, insertando la reactancia para limitar la corriente de falla.
La mayoría de los FCL se basan en este modelo fundamental o sus variantes extendidas. Las principales diferencias entre los diversos FCL radican en la naturaleza de la impedancia limitadora de corriente, la implementación del interruptor K y las estrategias de control asociadas.
2 Esquemas de Implementación de FCL y Estado de Aplicación
2.1 Limitadores de Corriente de Falla Superconductores (SFCL)
Los SFCL pueden clasificarse como de tipo quench o no quench según si utilizan la transición del superconductor del estado superconductor al normal (transición S/N) para la limitación de corriente. Estructuralmente, se categorizan como resistivos, de puente, con blindaje magnético, de tipo transformador o de núcleo saturado. Los SFCL de tipo quench dependen de la transición S/N (activada cuando la temperatura, el campo magnético o la corriente exceden valores críticos), donde el superconductor cambia de cero resistencia a alta resistencia, limitando así la corriente de falla.
Los SFCL no quench combinan bobinas superconductoras con otros componentes (por ejemplo, electrónica de potencia o elementos magnéticos) y controlan los modos de operación para limitar las corrientes de cortocircuito. La aplicación práctica de los SFCL enfrenta desafíos comunes de superconductividad, como el costo y la eficiencia de enfriamiento. Además, los SFCL de tipo quench tienen tiempos de recuperación largos, potencialmente en conflicto con el recierre del sistema, mientras que los cambios de impedancia de los SFCL no quench pueden afectar la coordinación de la protección de relés, requiriendo un reajuste.
2.2 Limitadores de Corriente de Elementos Magnéticos
Estos se dividen en tipos de cancelación de flujo y de conmutación por saturación magnética. En el tipo de cancelación de flujo, dos devanados de polaridad opuesta se enrollan en el mismo núcleo. En condiciones normales, los flujos iguales y opuestos se anulan, resultando en una impedancia de fuga baja.
Durante una falla, uno de los devanados se desvía, interrumpiendo el equilibrio de flujo y presentando una alta impedancia. El tipo de conmutación por saturación magnética opera sesgando el devanado limitador de corriente hacia la saturación (mediante un sesgo DC, etc.) en condiciones normales, produciendo una baja impedancia. Durante una falla, la corriente de falla saca al núcleo de la saturación, creando una alta impedancia para la limitación de corriente. Debido a los requisitos de control complejos, los limitadores de elementos magnéticos tienen una aplicación limitada.
2.3 Limitadores de Corriente de Resistencias PTC
Las resistencias de Coeficiente Positivo de Temperatura (PTC) son no lineales; exhiben una baja resistencia y un calentamiento mínimo en condiciones normales. Durante un cortocircuito, su temperatura aumenta rápidamente, elevando la resistencia de 8 a 10 órdenes de magnitud en milisegundos. Los FCL basados en resistencias PTC han encontrado uso comercial en aplicaciones de baja tensión.
Sin embargo, las desventajas incluyen: altas sobretensiones generadas durante la limitación inductiva de corriente (que requieren protección paralela contra sobretensiones); estrés mecánico debido a la expansión de la resistencia durante la operación; limitaciones de voltaje/corriente (cientos de voltios, algunos amperios), que necesitan conexiones en serie-paralelo y restringen el uso en alta tensión; y tiempos de recuperación largos (varios minutos) con vida útil corta, dificultando la implementación a gran escala.
2.4 Limitadores de Corriente de Estado Sólido (SSCL)
Los SSCL son un nuevo tipo de limitador de cortocircuito basado en electrónica de potencia, que generalmente comprende reactancias convencionales, dispositivos electrónicos de potencia y controladores. Ofrecen diversas topologías, respuesta rápida, alta resistencia operativa y control simple. Al controlar el estado de los dispositivos electrónicos de potencia, se altera la impedancia equivalente del SSCL para limitar la corriente de falla. Considerados como un nuevo dispositivo FACTS, los SSCL están ganando atención creciente. Sin embargo, durante las fallas, los dispositivos electrónicos de potencia deben soportar toda la corriente de falla, demandando alto rendimiento y capacidad de los dispositivos. La coordinación entre múltiples SSCL o con otros sistemas de control FACTS sigue siendo un desafío crítico.
2.5 Limitadores de Corriente Económicos
Estos ofrecen tecnología madura, alta confiabilidad, bajo costo y conmutación automática sin control externo. Se clasifican principalmente en tipos de transferencia de corriente de arco y de resonancia en serie. El tipo de transferencia de corriente de arco consta de un interruptor de vacío en paralelo con una resistencia limitadora de corriente. En operación normal, la corriente de carga fluye a través del interruptor. En caso de cortocircuito, el interruptor se abre, forzando la corriente a transferirse a la resistencia para la limitación de corriente.
Los problemas incluyen: la corriente de transferencia afectada por el voltaje de arco de vacío y la inductancia dispersa; el tiempo de transferencia dependiente de la velocidad del interruptor; y la dificultad en la transferencia de corriente a bajas tensiones de arco, requiriendo dispositivos auxiliares para aumentar el voltaje de arco y forzar el cruce de cero corriente. Los FCL de resonancia en serie utilizan reactancias saturadas o protectores contra sobretensiones como interruptores. En condiciones normales, el condensador y la inductancia están en resonancia en serie con baja impedancia. Durante una falla, la corriente alta satura la reactancia o activa el protector, desafinando la resonancia e insertando la reactancia en la línea para la limitación de corriente. Los interruptores rápidos de repulsión electromagnética también pueden bypassar rápidamente el condensador.
2.6 Estado Actual de las Aplicaciones de Ingeniería de FCL
Para tener valor práctico, los FCL no solo deben insertar impedancia rápidamente durante las fallas, sino también contar con reinicio automático, operaciones consecutivas múltiples, baja generación de armónicos y costos de inversión y operación aceptables. Actualmente, limitados por desafíos técnicos y rentabilidad, a pesar de los diversos prototipos experimentales desarrollados en todo el mundo, las aplicaciones reales en la red siguen siendo escasas, principalmente limitadas a proyectos piloto de baja tensión y pequeña capacidad.
El campo comenzó antes en el extranjero, con notables avances en la comercialización de FCL sólidos y superconductores. En 1993, un interruptor de estado sólido de 6.6 MW utilizando GTO en paralelo antifásico se instaló en un alimentador de 4.6 kV en el Centro de Energía del Ejército en Nueva Jersey, EE. UU., capaz de aclarar fallas dentro de 300 μs. En 1995, un FCL de estado sólido de 13.8 kV/675 A por EPRI y Westinghouse se puso en servicio en una subestación de PSE&G. Para los FCL superconductores, un FCL híbrido AC/DC fue desarrollado por ACEC-Transport y GEC-Alsthom en 1998, logrando la comercialización. En 1999, un SFCL de 15 kV/1200 A desarrollado conjuntamente por General Atomics y otros fue desplegado en una subestación de Southern California Edison (SCE).
La investigación de FCL en China comenzó más tarde pero progresó rápidamente. En 2007, un FCL de núcleo saturado superconductor de 35 kV desarrollado por Tianjin Electromechanical Holdings y Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., se sometió a una prueba de operación conectada a la red en la Subestación Puji, Yunnan, entonces el limitador superconductor de mayor tensión y capacidad en pruebas de operación en el mundo. Para los FCL de resonancia en serie, el primer dispositivo de 500 kV de China, desarrollado conjuntamente por el Instituto de Investigación de Electricidad de China, Zhongdian Puri y Red Eléctrica del Este de China, se puso en servicio en la Subestación Bingyao de 500 kV a fines de 2009, reduciendo la corriente de cortocircuito a menos de 47 kA.
A nivel global, las aplicaciones de FCL aún se limitan a proyectos individuales, pero están ganando cada vez más atención. Existe un potencial significativo en la investigación para aumentar la capacidad, la resistencia a la tensión, las mejoras de materiales, la disipación de calor, el control de costos y la optimización de la topología.
3 Impacto de la Integración de FCL en la Seguridad y Estabilidad del Sistema Eléctrico
La inserción rápida de impedancia de los FCL durante las fallas, aunque limita efectivamente la corriente, altera los parámetros de la red, afectando la estabilidad transitoria, la estabilidad de tensión, la configuración de la protección de relés y el recierre. Un control deficiente puede llevar a efectos negativos. El control coordinado y la configuración óptima son esenciales para que múltiples FCL logren un rendimiento óptimo.
3.1 Impacto en la Configuración de Protección de Relés y Recierre
Para los SFCL de núcleo saturado, el largo tiempo de recuperación significa que persiste una impedancia significativa después de la falla, lo que podría requerir un reajuste del recierre automático y la protección de relés. La literatura sugiere instalar SFCL de tipo quench en ramas de generadores y transformadores principales; aunque se necesita un reajuste de la protección, la impedancia alta persistente durante la recuperación puede actuar como un resistor de frenado, beneficiando la estabilidad transitoria. Se han propuesto varios métodos de configuración de protección de distancia que consideran los SFCL. Los FCL de estado sólido pueden usar señales de disparo de tiristores, contactos de interruptores de bypass, posiciones de interruptores FCL y circuitos GAP para cambiar la configuración de la protección de corriente cero secuencia, abordando problemas de sensibilidad después de la inserción de FCL.
3.2 Impacto en la Estabilidad Transitoria de Ángulo de Potencia
Aunque los FCL generalmente operan con baja impedancia normalmente y alta impedancia durante las fallas, su operación y estructura específicas llevan a impactos variables en la estabilidad transitoria de ángulo de potencia. Los FCL de estado sólido y superconductores, al insertar alta impedancia durante las fallas, pueden mejorar la salida de potencia electromagnética del generador y mejorar la estabilidad transitoria.
Los FCL de tipo resistivo mejoran la estabilidad más que los de tipo inductivo al proporcionar resistencia de amortiguamiento que consume más potencia del generador. Sin embargo, valores de resistencia inapropiados pueden causar un flujo de potencia inverso al generador, empeorando los déficits de potencia. El análisis muestra que para fallas lejos del generador, los SFCL inductivos se vuelven más beneficiosos a medida que disminuye la reactancia total de transferencia. Los SFCL de tipo resistivo también muestran características similares más allá de un umbral de resistencia.
El impacto depende de la ubicación y tipo de falla; los FCL afectan la estabilidad de ángulo de potencia solo cuando las fallas ocurren en sus líneas instaladas. Para fallas asimétricas al inicio de la línea, la inductancia de los FCL beneficia la estabilidad, aumentando con el valor de inductancia. En el extremo de la línea, si la falla se elimina rápidamente, la inductancia de los FCL puede obstaculizar la estabilidad, pero el impacto negativo disminuye con mayor inductancia para fallas fase a fase y dos fases a tierra. Para fallas de una fase o fase a fase cerca del extremo de la línea, extender ligeramente el tiempo de eliminación de la falla hace que la inductancia pequeña de los FCL sea beneficiosa, reduciendo significativamente la amplitud de la curva de oscilación en comparación con la eliminación rápida.
3.3 Impacto en la Estabilidad Transitoria de Tensión
Las fallas de cortocircuito causan caídas de tensión, afectando la operación del equipo y causando pérdidas económicas. El análisis basado en PSCAD muestra que una mayor inductancia de los FCL mejora la supresión de caídas de tensión dentro de cierto rango. La capacidad inherente de los FCL para mejorar la tensión de falla varía con la estructura de la red. En alimentadores radiales, una reactancia de FCL >0.5 pu puede mantener la tensión por encima de 0.8 pu durante las fallas. La generación local o el apoyo reactivo cerca del bus de falla reduce la dependencia de los FCL.
3.4 Coordinación con Medidas Limitadoras Tradicionales
Coordinar los FCL con medidas tradicionales (por ejemplo, reactancias, transformadores de alta impedancia) es clave para la aplicación práctica. Un método de optimización automática que utiliza variables 0-1 para la implementación de medidas y variables enteras para la capacidad forma un problema de programación mixta entera, resoluble mediante métodos de ramificación y acotación, para guiar la configuración coordinada.
3.5 Optimización de la Configuración
Con múltiples FCL, optimizar la ubicación, el número y los parámetros para un rendimiento costo-efectivo es un tema de investigación candente. Para redes pequeñas, la enumeración o métodos basados en la tasa de cambio/pérdida de potencia son suficientes. Para redes grandes con múltiples nodos que exceden los límites de cortocircuito, la enumeración se vuelve computacionalmente intensiva e inadecuada para problemas multiobjetivo (impedancia, número, ubicación).
La optimización multiobjetivo ponderada utilizando algoritmos genéticos o de enjambre de partículas es común, pero los resultados dependen en gran medida de la selección de pesos. Los métodos basados en sensibilidad, calculando los cambios en la corriente de cortocircuito en relación con la impedancia de la rama, evitan la dependencia de los pesos y ayudan a determinar la ubicación, el número y la impedancia óptimos de los FCL. Dado que el objetivo principal es la limitación de corriente, la optimización puede centrarse en la eficacia de la limitación, asegurando que las ubicaciones seleccionadas de los FCL afecten a todos los nodos con margen de cortocircuito insuficiente. Los costos y las pérdidas operativas también son factores críticos en la optimización real.
4 Tendencias de Desarrollo y Aplicación de FCL
4.1 Tendencias de Investigación de la Tecnología FCL
Para aprovechar las ventajas y mitigar las debilidades, están surgiendo nuevas direcciones de investigación. Combinar FCL superconductores con almacenamiento de energía es un tema de actualidad, absorbiendo energía durante las fallas y suministrándola para mejorar la calidad de la energía durante la operación normal, logrando dobles beneficios. La clave está en el diseño del sistema de acondicionamiento de potencia.
Para abordar las altas demandas de capacidad, costos y armónicos en limitadores de estado sólido, se han propuesto topologías mejoradas, como los SSCL de puente trifásico acoplados por transformador con inductancias de bypass. Los FCL convencionales carecen de ajustabilidad dinámica y compensación en estado estable.
Se ha propuesto un FCL multifuncional con compensación en serie dinámica: la operación normal utiliza la conmutación de bancos de capacitores para compensación escalonada de la línea; durante las fallas, los GTO o IGCT controlan el grado de limitación a través de una inductancia en serie, permitiendo un uso multipropósito. La compensación en serie debe elegirse cuidadosamente para evitar oscilaciones sub-sincrónicas.
4.2 Tendencias de Aplicación de FCL
Los FCL no solo limitan las corrientes de cortocircuito, sino que, en condiciones adecuadas, pueden mejorar la estabilidad de ángulo de potencia y tensión, expandiendo su ámbito de aplicación. Las tendencias emergentes incluyen mejorar la capacidad de transmisión en el extremo receptor de corriente directa, reducir el riesgo de fallos de conmutación, mejorar la calidad de la energía y respaldar la integración de energías renovables a gran escala.
En sistemas de corriente directa de múltiples terminales, los FCL pueden limitar la corriente sin afectar la operación normal. Para redes de extremo receptor de corriente directa, los FCL instalados en las rutas de propagación de fallas pueden aislar regiones, bloquear la propagación de fallas, acortar la duración de fallos de conmutación, acelerar la recuperación de potencia de corriente directa y mitigar desequilibrios de potencia y transferencias de flujo de potencia de fallas simultáneas de múltiples alimentaciones de corriente directa, mejorando la estabilidad transitoria general. Para motores asíncronos de gran tamaño, la integración de SFCL en el circuito del estator permite arranques suaves y suprime la contribución de corriente de falla, reduciendo las caídas de tensión y mejorando la estabilidad transitoria de tensión.
Para la integración a gran escala de energía eólica, los FCL en los puntos de conexión de los parques eólicos pueden mejorar la capacidad de resistencia a fallas y reducir el riesgo de desconexión. Los FCL de tipo resistivo requieren menos impedancia que los de tipo inductivo para la estabilidad bajo la misma duración de falla, pero los de tipo inductivo ofrecen una mejor mejora cerca de la estabilidad crítica.
A medida que la tecnología FCL madure, estos dispositivos de respuesta rápida y multifuncionales, que limitan las fallas, mejoran la estabilidad y aíslan las fallas, encontrarán aplicaciones más amplias.
5 Conclusión
Los FCL limitan efectivamente las corrientes de cortocircuito, pero pueden afectar la estabilidad de ángulo de potencia/tensión, la configuración de la protección de relés y el recierre. La configuración optimizada y el control coordinado de múltiples FCL o con dispositivos FACTS prometen beneficios significativos. Los FCL futuros se extenderán más allá de la limitación de corriente para mejorar la transmisión de corriente directa, reducir los fallos de conmutación, mejorar la calidad de la energía y respaldar la integración de energías renovables.
Sin embargo, las barreras técnicas y económicas retrasan la aplicación a gran escala de FCL de alta tensión y alta capacidad. Los limitadores de estado sólido, limitados por la capacidad y las calificaciones de tensión de los dispositivos, actualmente se restringen a las redes de distribución. Los avances en dispositivos de autoconmutación de alta potencia pueden superar estos cuellos de botella y reducir los costos.
Los FCL superconductores ofrecen respuesta rápida y auto-disparo, pero enfrentan altos costos de enfriamiento, desafíos de disipación de calor y largos tiempos de recuperación de quench. Considerando la viabilidad y economía a corto plazo, los FCL económicos basados en equipos convencionales son la solución preferida. Los limitadores de estado sólido, con barreras técnicas más bajas y madurez, representan la dirección principal del futuro.
