Limitadores de Corrente de Defecto | Impacto na Estabilidade da Rede e Tecnoloxía

1 Introdución á tecnoloxía dos limitadores de corrente de fallo (FCL)

Os métodos tradicionais de limitación pasiva da corrente de fallo, como o uso de transformadores de alta impedancia, reactancias fixas ou operación con barramento dividido, teñen desvantaxes inerentes, incluíndo a interrupción da estrutura da rede, o aumento da impedancia do sistema en estado estable e a redución da seguridade e estabilidade do sistema. Estas aproximacións están a tornarse cada vez menos adecuadas para as actuais redes eléctricas complexas e de gran escala.

En contraste, as tecnoloxías activas de limitación da corrente de fallo, representadas polos Limitadores de Corrente de Fallo (FCLs), exhiben baixa impedancia durante a operación normal da rede. Cando ocorre un fallo, o FCL transición rapidamente a un estado de alta impedancia, limitando eficazmente a corrente de fallo a un nivel inferior, permitindo así o control dinámico das correntes de fallo. Os FCLs evolucionaron do concepto tradicional de limitación de corrente baseada en reactancias en serie, integrando tecnoloxías avanzadas como electrónica de potencia, superconductividade e control de circuitos magnéticos.

O principio fundamental dun FCL pode simplificarse no modelo mostrado na Figura 1: durante a operación normal do sistema, o interruptor K está pechado, e o FCL non introduce impedancia limitadora de corrente. Só cando ocorre un fallo, K abre rapidamente, insertando a reactancia para limitar a corrente de fallo.

A maioría dos FCLs basean-se neste modelo fundamental ou nas súas variantes extendidas. As principais diferenzas entre os diversos FCLs atópanse na natureza da impedancia limitadora de corrente, na implementación do interruptor K e nas estratexias de control asociadas.

2 Esquemas de implementación e estado de aplicación dos FCLs

2.1 Limitadores de corrente de fallo supercondutores (SFCLs)

Os SFCLs poden clasificarse como tipo quench ou non-quench, dependendo de se utilizan a transición do superconductor do estado supercondutor ao normal (transición S/N) para a limitación da corrente. Estruturalmente, tamén se categorizan como resistivos, de puente, de blindaxe magnético, de tipo transformador ou de núcleo saturado. Os SFCLs de tipo quench confían na transición S/N (activada cando a temperatura, o campo magnético ou a corrente exceden valores críticos), onde o superconductor pasa de ter resistencia cero a alta resistencia, limitando así a corrente de fallo.

Os SFCLs de tipo non-quench combinan bobinas supercondutoras con outras compoñentes (por exemplo, electrónica de potencia ou elementos magnéticos) e controlan os modos de operación para limitar as correntes de curto circuito. A aplicación práctica dos SFCLs enfrenta desafíos comúns de superconductividade, como o custo e a eficiencia de refrixeración. Ademais, os SFCLs de tipo quench teñen tempos de recuperación longos, que poden conflitar co recierre do sistema, mentres que os cambios de impedancia dos SFCLs de tipo non-quench poden afectar a coordinación da protección por relés, requirendose unha nova configuración.

2.2 Limitadores de corrente de elementos magnéticos

Estes divídese en tipos de cancelación de fluxo e interruptores de saturación magnética. No tipo de cancelación de fluxo, dúas bobinas con polaridades opostas están enrolladas no mesmo núcleo. En condicións normais, os fluxos iguais e opostos se cancelan, resultando en baixa impedancia de fuga.

Durante un fallo, unha das bobinas é bypassada, interrompendo o equilibrio do fluxo e presentando alta impedancia. O tipo de interruptor de saturación magnética opera polarizando a bobina limitadora de corrente en saturación (mediante bias DC, etc.) en condicións normais, producindo baixa impedancia. Durante un fallo, a corrente de fallo saca o núcleo da saturación, creando alta impedancia para a limitación da corrente. Debido aos requisitos de control complexos, os limitadores de elementos magnéticos veñen empregándose de forma limitada.

2.3 Limitadores de corrente de resistores PTC

Os resistores de coeficiente positivo de temperatura (PTC) son non lineares; exhiben baixa resistencia e mínimo aquecemento en condicións normais. Durante un curto circuito, a súa temperatura aumenta rapidamente, elevando a resistencia en 8-10 ordes de magnitude en milisegundos. Os FCLs baseados en resistores PTC atopáronse aplicación comercial en aplicacións de baixa tensión.

No entanto, as desvantaxes inclúen: altas sobretensións xeradas durante a limitación de corrente indutiva (que requiren protección paralela contra sobretensión); estrés mecánico debido á expansión do resistor durante a operación; limitacións de calificación de tensión/corrente (centenas de volts, poucos amperios), que requiren conexións en serie-paralelo e restrinxe o uso en alta tensión; e tempos de recuperación longos (varias minutos) con vida útil curta, dificultando a implementación a gran escala.

2.4 Limitadores de corrente sólidos (SSCLs)

Os SSCLs son un novo tipo de limitador de curto circuito baseado en electrónica de potencia, tipicamente composto por reactancias convexas, dispositivos electrónicos de potencia e controladores. Ofrecen varias topoloxías, resposta rápida, alta durabilidade operativa e control simple. Controlando o estado dos dispositivos electrónicos de potencia, a impedancia equivalente do SSCL cambia para limitar a corrente de fallo. Considerado un novo dispositivo FACTS, os SSCLs están gañando cada vez máis atención. No entanto, durante os fallos, os dispositivos electrónicos de potencia deben levar a corrente de fallo completa, requirindo un alto rendemento e capacidade do dispositivo. A coordinación entre múltiples SSCLs ou con outros sistemas de control FACTS segue sendo un desafío crítico.

2.5 Limitadores de corrente económicos

Estes ofrecen tecnoloxía madura, alta fiabilidade, baixo custo e conmutación automática sen control externo. Principalmente clasifícanse en tipos de transferencia de corrente de arco e ressonantes en serie. O tipo de transferencia de corrente de arco consiste nun interruptor de vacío en paralelo con un resistor limitador de corrente. En operación normal, a corrente de carga fluye a través do interruptor. Ao ocorrer un curto circuito, o interruptor abre, forzando a corrente a transferirse ao resistor para a limitación da corrente.

As cuestións inclúen: a corrente de transferencia afectada pola tensión de arco de vacío e a indutancia estrayada; o tempo de transferencia dependente da velocidade do interruptor; e a dificultade na transferencia de corrente con baxas tensións de arco, requirendo dispositivos auxiliares para aumentar a tensión de arco e forzar o paso polo cero da corrente. Os FCLs ressonantes en serie usan reactores saturados ou varistores como interruptores. En condicións normais, o capacitor e a indutancia están en ressonancia en serie con baixa impedancia. Durante un fallo, a corrente alta satura o reactor ou activa o varistor, detunando a ressonancia e insertando o reactor na liña para a limitación da corrente. Os interruptores rápidos de repulsión electromagnética tamén poden bypassar rapidamente o capacitor.

2.6 Estado actual das aplicacións de enxeñaría dos FCLs

Para ter valor práctico, os FCLs non só deben insertar rapidamente impedancia durante os fallos, senón que tamén deben dispor de reinicio automático, operacións consecutivas múltiples, xeración baixa de harmónicos e custos de inversión e operación aceptables. Actualmente, limitados por desafíos técnicos e rentabilidade, a pesar de diversos prototipos experimentais desenvolvidos a nivel mundial, as aplicacións reais na rede son escasas, principalmente limitadas a proxectos piloto de baixa tensión e pequena capacidade.

O campo comezou antes no estranxero, con progresos notables na comercialización de FCLs sólidos e supercondutores. En 1993, un interruptor sólido de 6,6 MW que usaba GTOs en antiparalelo foi instalado nun alimentador de 4,6 kV no Centro de Potencia do Exército en New Jersey, EEUU, capaz de limpar fallos en 300 μs. En 1995, un FCL sólido de 13,8 kV/675 A desenvolvido por EPRI e Westinghouse foi comisionado nunha subestación de PSE&G. Para FCLs supercondutores, un FCL híbrido AC/DC foi desenvolvido por ACEC-Transport e GEC-Alsthom en 1998, logrando a comercialización. En 1999, un SFCL de 15 kV/1200 A desenvolvido en colaboración por General Atomics e outros foi implantado nunha subestación de Southern California Edison (SCE).

A investigación de FCLs no país comezou máis tarde pero avanzou rapidamente. En 2007, o FCL supercondutor de núcleo saturado de 35 kV desenvolvido por Tianjin Electromechanical Holdings e Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., realizou unha operación de proba conectada á rede na subestación de Puji, Yunnan, sendo entón o limitador supercondutor de maior tensión e capacidade en proba no mundo. Para FCLs ressonantes en serie, o primeiro dispositivo de 500 kV de China, desenvolvido en colaboración por China Electric Power Research Institute, Zhongdian Puri e East China Grid, foi comisionado na estación de 500 kV Bingyao a finais de 2009, reducindo a corrente de curto circuito a menos de 47 kA.

A nivel global, as aplicacións de FCLs aínda están limitadas a proxectos individuais, pero están gañando cada vez máis atención. Hai un potencial significativo na investigación para aumentar a capacidade, a resistencia de tensión, a mellora dos materiais, a dissipación de calor, o control de custos e a optimización da topoloxía.

3 Impacto da integración de FCLs na seguridade e estabilidade do sistema eléctrico

A inserción rápida de impedancia dos FCLs durante os fallos, aínda que limita eficazmente a corrente, altera os parámetros da rede, afectando a estabilidade transitória, a estabilidade de tensión, a configuración da protección por relés e o recierre. Un control deficiente pode levar a efectos negativos. O control coordinado e a configuración óptima son esenciais para múltiples FCLs para lograr un rendemento óptimo.

3.1 Impacto na configuración da protección por relés e o recierre

Para SFCLs de núcleo saturado, o tempo de recuperación longo significa que a impedancia persiste significativamente despois do fallo, posiblemente requirindo unha nova configuración do recierre automático e a protección por relés. A literatura suxire instalar SFCLs de tipo quench nos ramos do xerador e do transformador principal; aínda que se require unha nova configuración da protección, a alta impedancia persistente durante a recuperación pode actuar como un resistor de frenado, beneficiando a estabilidade transitória. Se propuxeron varios métodos de configuración da protección de distancia tendo en conta os SFCLs. Os FCLs sólidos poden usar sinais de disparo de tirístores, contactos de interruptores de bypass, posicións de interruptores de FCL e circuitos GAP para cambiar a configuración da protección de corrente de secuencia cero, abordando problemas de sensibilidade despois da inserción do FCL.

3.2 Impacto na estabilidade de ángulo de potencia transitória

Aínda que os FCLs xeralmente operan con baixa impedancia normalmente e alta impedancia durante os fallos, a súa operación específica e estrutura levam a impactos variables na estabilidade de ángulo de potencia transitória. Os FCLs sólidos e supercondutores, ao insertar alta impedancia durante os fallos, poden mellorar a potencia electromagnética de saída do xerador e mellorar a estabilidade transitória.

Os FCLs de tipo resistivo melloran a estabilidade máis que os de tipo inductivo ao proporcionar resistencia de amortiguación que consume máis potencia do xerador. No entanto, valores incorrectos de resistencia poden causar un flujo de potencia inverso ao xerador, agravando déficits de potencia. A análise mostra que para fallos afastados do xerador, os SFCLs inductivos son máis beneficiosos a medida que diminúe a reactivancia total de transferencia. Os SFCLs resistivos tamén mostran características similares máis allá dunha resistencia límite.

O impacto depende da localización e tipo de fallo; os FCLs afectan a estabilidade de ángulo de potencia só cando os fallos ocorren nas liñas nas que están instalados. Para fallos asimétricos no inicio da liña, a inductancia do FCL beneficia a estabilidade, aumentando co valor da inductancia. No final da liña, se o fallo se elimina rapidamente, a inductancia do FCL pode dificultar a estabilidade, pero o impacto negativo diminúe coa inductancia máis alta para fallos fase-a-fase e dous fases a terra. Para fallos de unha fase ou fase-a-fase preto do final da liña, estender ligeramente o tempo de eliminación do fallo fai que a inductancia pequena do FCL sexa benéfica, reducindo significativamente a amplitud da curva de oscilación comparada coa eliminación rápida.

3.3 Impacto na estabilidade de tensión transitória

Os fallos de curto circuito causan caídas de tensión, afectando a operación do equipo e provocando perdas económicas. A análise baseada en PSCAD mostra que a inductancia do FCL maior melhora a supresión da caída de tensión dentro dun certo rango. A capacidade inherente dos FCLs para mellorar a tensión de fallo varía coa estrutura da rede. Nas alimentadoras radiais, a reactivancia do FCL >0,5 pu pode manter a tensión por encima de 0,8 pu durante os fallos. A xeración local ou o soporte reactiva próximo ao bus de fallo reducen a dependencia dos FCLs.

3.4 Coordinación con medidas limitadoras tradicionais

Coordinar os FCLs con medidas tradicionais (por exemplo, reactancias, transformadores de alta impedancia) é clave para a aplicación práctica. Un método de optimización automática que usa variables 0-1 para a implementación de medidas e variables enteiras para a capacidade forma un problema de programación de enteiros mixtos, solucionable por métodos de ramificación y acotación, para orientar a configuración coordenada.

3.5 Optimización da configuración

Con múltiples FCLs, optimizar a localización, número e parámetros para un rendemento económico é un punto quente de investigación. Para redes pequenas, a enumeración ou métodos baseados na taxa de cambio/pérdida de potencia son suficientes. Para grandes redes con múltiples nodos que exceden os límites de curto circuito, a enumeración se volve intensiva computacionalmente e insuficiente para problemas multiobjetivo (impedancia, número, localización).

A optimización multiobjetivo ponderada usando algoritmos genéticos ou de enxame de partículas é común, pero os resultados dependen fortemente da selección de pesos. Os métodos basados en sensibilidade, calculando os cambios de corrente de curto circuito en relación coa impedancia de rama, evitan a dependencia de pesos e axudan a determinar a colocación óptima, número e impedancia de FCLs. Dado que o obxectivo principal é a limitación de corrente, a optimización pode centrarse na eficacia da limitación, asegurando que as localizacións seleccionadas de FCLs afecten a todos os nodos con margen de curto circuito insuficiente. Os custos e as perdas operativas tamén son factores críticos na optimización real.

4 Tendencias de desenvolvemento e aplicación dos FCLs

4.1 Tendencias de investigación en tecnoloxía FCL

Para aproveitar as vantaxes e mitigar as debilidades, están emerxindo novas direccións de investigación. Combinar FCLs supercondutores con almacenamento de enerxía é un tema de actualidade, absorbindo enerxía durante os fallos e fornecendo-a para mellorar a calidade da enerxía durante a operación normal, logrando así beneficios duais. A clave está no deseño do sistema de condicionamento de potencia.

Para abordar as altas demandas de capacidade, custos e harmónicos nos limitadores sólidos, propuxéronse topoloxías melloradas, como FCLs de puente trifásico acoplados por transformador con indutancias de bypass. Os FCLs convencionais carecen de ajustabilidade dinámica e compensación en estado estable.

Propuxéuse un FCL multifuncional con compensación en serie dinámica: a operación normal usa a conmutación de bancos de capacitores para a compensación de liña gradual; durante os fallos, os GTOs ou IGCTs controlan o grao de limitación a través dun inductor en serie, permitindo un uso multipropósito. A compensación en serie debe ser escolhida con cuidado para evitar oscilacións sub-síncronas.

4.2 Tendencias de aplicación de FCLs

Os FCLs non só limitan as correntes de curto circuito, senón que, en condicións adecuadas, tamén poden mellorar a estabilidade de ángulo de potencia e de tensión, expandindo así o seu alcance de aplicación. As tendencias emergentes inclúen a mellora da capacidade de transmisión no extremo receptor de CD, a redución do risco de fallo de conmutación, a mellora da calidade da enerxía e o apoio á integración de renovábeis a gran escala.

Nos sistemas de CD de múltiples terminais, os FCLs poden limitar a corrente sen afectar a operación normal. Para as redes de extremo receptor de CD, os FCLs instalados nas rutas de propagación de fallos poden isolar rexións, bloquear a propagación de fallos, acortar a duración do fallo de conmutación, acelerar a recuperación da potencia de CD e mitigar os desequilibrios de potencia e as transferencias de fluxo de potencia de fallos simultáneos de múltiples infeed de CD, mellorando así a estabilidade transitória xeral. Para grandes motores asíncronos, a integración de SFCLs no circuito do estator permite un arranque suave e suprime a contribución da corrente de fallo, reducindo as caídas de tensión e mellorando a estabilidade de tensión transitória.

Para a integración de grandes parques eólicos, os FCLs nos puntos de conexión dos parques eólicos poden mellorar a capacidade de resistencia a fallos e reducir os riscos de desconexión. Os FCLs de tipo resistivo requiren menos impedancia que os de tipo inductivo para a estabilidade no mesmo tempo de fallo, pero os de tipo inductivo ofrecen unha mellora mellor próxima á estabilidade crítica.

À medida que a tecnoloxía FCL madura, estes dispositivos rápidos e multifuncionais, que limitan os fallos, melloran a estabilidade e isolan os fallos, atoparán unha aplicación máis ampla.

5 Conclusión

Os FCLs limitan eficazmente as correntes de curto circuito, pero poden afectar a estabilidade de ángulo de potencia/tensión, a configuración da protección por relés e a configuración do recierre. A configuración optimizada e o control coordinado de múltiples FCLs ou con dispositivos FACTS prometen beneficios significativos. Os futuros FCLs irán máis alá da limitación de corrente para mellorar a transmisión de CD, reducir os fallos de conmutación, mellorar a calidade da enerxía e apoiar a integración de renovábeis.

No entanto, as barreiras técnicas e económicas retardan a aplicación a gran escala de FCLs de alta tensión e alta capacidade. Os limitadores sólidos, limitados pola capacidade e a calificación de tensión dos dispositivos, están actualmente restrinxidos ás redes de distribución. Os avances nos dispositivos de auto-conmutación de alta potencia poden superar estas garrafas de cuello e reducir os custos.

Os FCLs supercondutores ofrecen resposta rápida e auto-disparo, pero encaran altos custos de refrixeración, desafíos de dissipación de calor e tempos de recuperación de quench longos. Considerando a viabilidade a curto prazo e a economía, os FCLs económicos baseados en equipos convencionais son a solución preferida. Os limitadores sólidos, con menores barreiras técnicas e madurez, representan a dirección futura mainstream.