Limitatori di Corrente di Cortocircuito | Impatto della Tecnologia e Stabilità della Rete

1 Introduzione alla Tecnologia dei Limitatori di Corrente di Cortocircuito (FCL)

I metodi tradizionali di limitazione passiva della corrente di cortocircuito, come l'uso di trasformatori ad alta impedenza, reattori fissi o operazioni con bus divisi, presentano svantaggi intrinseci, tra cui la perturbazione della struttura della rete, l'aumento dell'impedenza del sistema in regime permanente e la riduzione della sicurezza e stabilità del sistema. Questi approcci stanno diventando sempre meno adatti alle moderne reti elettriche complesse e di grande scala.

Al contrario, le tecnologie attive di limitazione della corrente di cortocircuito, rappresentate dai Limitatori di Corrente di Cortocircuito (FCL), presentano un'impedenza bassa durante l'operazione normale della rete. Quando si verifica un guasto, il FCL passa rapidamente a uno stato ad alta impedenza, limitando efficacemente la corrente di cortocircuito a un livello inferiore, consentendo così un controllo dinamico delle correnti di cortocircuito. I FCL sono evoluti dal concetto tradizionale di limitazione della corrente basata su reattori integrando tecnologie avanzate come l'elettronica di potenza, la superconduttività e il controllo del circuito magnetico.

Il principio fondamentale di un FCL può essere semplificato nel modello mostrato nella Figura 1: durante l'operazione normale del sistema, l'interruttore K è chiuso e non viene introdotta alcuna impedenza limitatrice di corrente dal FCL. Solo quando si verifica un guasto, K si apre rapidamente, inserendo il reattore per limitare la corrente di cortocircuito.

La maggior parte dei FCL si basa su questo modello fondamentale o sulle sue varianti estese. Le principali differenze tra i vari FCL risiedono nella natura dell'impedenza limitatrice di corrente, nell'implementazione dell'interruttore K e nelle strategie di controllo associate.

2 Schemi di Implementazione e Stato di Applicazione dei FCL

2.1 Limitatori di Corrente di Cortocircuito Superconduttivi (SFCL)

Gli SFCL possono essere classificati come a quench o non a quench in base all'utilizzo della transizione del superconduttore da stato superconduttore a normale (transizione S/N) per la limitazione della corrente. Strutturalmente, sono ulteriormente categorizzati come resistivi, a ponte, a schermo magnetico, a trasformatore o a nucleo saturabile. Gli SFCL a quench si basano sulla transizione S/N (innescata quando la temperatura, il campo magnetico o la corrente superano i valori critici), dove il superconduttore passa da una resistenza zero a una resistenza elevata, limitando così la corrente di cortocircuito.

Gli SFCL non a quench combinano bobine superconduttive con altri componenti (ad esempio, elettronica di potenza o elementi magnetici) e controllano le modalità operative per limitare le correnti di cortocircuito. L'applicazione pratica degli SFCL affronta sfide comuni relative ai superconduttori, come costi e efficienza del raffreddamento. Inoltre, gli SFCL a quench hanno tempi di recupero lunghi, potenzialmente in conflitto con la ricomposizione del sistema, mentre i cambiamenti di impedenza degli SFCL non a quench possono influire sulla coordinazione della protezione relè, richiedendo un reset.

2.2 Limitatori di Corrente con Elementi Magnetici

Questi sono suddivisi in tipi a cancellazione di flusso e a interruttore a saturazione magnetica. Nel tipo a cancellazione di flusso, due avvolgimenti con polarità opposta sono avvolti sullo stesso nucleo. In condizioni normali, i flussi uguali e opposti si annullano a vicenda, risultando in un'impedenza di fuga bassa.

Durante un guasto, un avvolgimento viene bypassato, rompendo l'equilibrio del flusso e presentando un'impedenza elevata. Il tipo a interruttore a saturazione magnetica opera biasando l'avvolgimento limitatore di corrente in saturazione (mediante bias DC, ecc.) in condizioni normali, producendo un'impedenza bassa. Durante un guasto, la corrente di guasto spinge il nucleo fuori dalla saturazione, creando un'impedenza elevata per la limitazione della corrente. A causa dei requisiti di controllo complessi, i limitatori con elementi magnetici trovano applicazioni limitate.

2.3 Limitatori di Corrente con Resistenze PTC

Le resistenze a Coefficiente Positivo di Temperatura (PTC) sono non lineari; presentano una resistenza bassa e un riscaldamento minimo in condizioni normali. Durante un cortocircuito, la loro temperatura aumenta rapidamente, innalzando la resistenza di 8-10 ordini di grandezza entro millisecondi. I FCL basati su resistenze PTC hanno trovato applicazioni commerciali in ambiti a bassa tensione.

Tuttavia, i inconvenienti includono: sovratensioni elevate generate durante la limitazione della corrente induttiva (richiedendo protezioni parallele contro sovratensioni); stress meccanico dovuto all'espansione della resistenza durante l'operazione; limitazioni di tensione/corrente (centinaia di volt, pochi ampere), necessitando connessioni in serie-parallelo e limitando l'uso ad alte tensioni; e tempi di recupero lunghi (alcuni minuti) con vita utile breve, ostacolando la distribuzione su larga scala.

2.4 Limitatori di Corrente Solid-State (SSCL)

Gli SSCL sono un nuovo tipo di limitatore di cortocircuito basato sull'elettronica di potenza, solitamente composto da reattori convenzionali, dispositivi elettronici di potenza e controller. Offrono varie topologie, risposta rapida, alta durata operativa e controllo semplice. Controllando lo stato dei dispositivi elettronici di potenza, l'impedenza equivalente dello SSCL viene modificata per limitare la corrente di cortocircuito. Considerati un dispositivo FACTS innovativo, gli SSCL stanno ricevendo sempre maggiore attenzione. Tuttavia, durante i guasti, i dispositivi elettronici di potenza devono gestire l'intera corrente di guasto, richiedendo prestazioni e capacità elevate dei dispositivi. La coordinazione tra più SSCL o con altri sistemi di controllo FACTS rimane una sfida critica.

2.5 Limitatori di Corrente Economici

Questi offrono tecnologia matura, affidabilità elevata, costo basso e commutazione automatica senza controllo esterno. Sono principalmente classificati in tipi di trasferimento di corrente ad arco e a risonanza seriale. Il tipo di trasferimento di corrente ad arco consiste in un interruttore a vuoto in parallelo con una resistenza limitatrice di corrente. In condizioni normali, la corrente di carico scorre attraverso l'interruttore. In caso di cortocircuito, l'interruttore si apre, forzando la corrente a trasferirsi alla resistenza per la limitazione della corrente.

I problemi includono: la corrente di trasferimento influenzata dalla tensione dell'arco al vuoto e dall'induttanza parassita; il tempo di trasferimento dipendente dalla velocità dell'interruttore; e la difficoltà nel trasferire la corrente a basse tensioni dell'arco, richiedendo dispositivi ausiliari per aumentare la tensione dell'arco e forzare lo zero-crossing della corrente. I FCL a risonanza seriale utilizzano reattori saturabili o parafulmini come interruttori. In condizioni normali, il condensatore e l'induttore sono in risonanza seriale con impedenza bassa. Durante un guasto, la corrente elevata satura il reattore o attiva il parafulmine, detunando la risonanza e inserendo il reattore nella linea per la limitazione della corrente. Gli interruttori veloci a repulsione elettromagnetica possono anche bypassare rapidamente il condensatore.

2.6 Stato Attuale delle Applicazioni Ingegneristiche dei FCL

Per avere un valore pratico, i FCL devono non solo inserire rapidamente l'impedenza durante i guasti, ma anche presentare reset automatico, operazioni consecutive multiple, generazione di armoniche ridotta e costi di investimento e funzionamento accettabili. Attualmente, limitati da sfide tecniche e costi, nonostante vari prototipi sperimentali sviluppati in tutto il mondo, le applicazioni reali in rete rimangono scarse, principalmente limitate a progetti pilota a bassa tensione e piccola capacità.

Il campo ha avuto inizio prima all'estero, con progressi notevoli nella commercializzazione di FCL solid-state e superconduttivi. Nel 1993, un interruttore solid-state da 6,6 MW utilizzando GTO anti-paralleli è stato installato su un alimentatore a 4,6 kV presso il Centro di Potenza dell'Esercito in New Jersey, USA, capace di eliminare i guasti entro 300 μs. Nel 1995, un FCL solid-state da 13,8 kV/675 A sviluppato da EPRI e Westinghouse è stato commissionato in una sottostazione PSE&G. Per gli SFCL, un FCL ibrido AC/DC è stato sviluppato da ACEC-Transport e GEC-Alsthom nel 1998, raggiungendo la commercializzazione. Nel 1999, un SFCL da 15 kV/1200 A sviluppato congiuntamente da General Atomics e altri è stato installato in una sottostazione Southern California Edison (SCE).

La ricerca sui FCL in Cina ha avuto inizio più tardi ma ha progredito rapidamente. Nel 2007, un FCL superconduttivo a nucleo saturabile da 35 kV sviluppato da Tianjin Electromechanical Holdings e Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd. ha subito un'operazione di prova in rete alla sottostazione Puji, Yunnan - allora il limitatore superconduttore in prova con la tensione e la capacità più alte al mondo. Per i FCL a risonanza seriale, il primo dispositivo da 500 kV in Cina, sviluppato congiuntamente dall'Istituto di Ricerca Elettrica Cinese, Zhongdian Puri e Rete dell'Est Cinese, è stato commissionato nella sottostazione 500 kV Bingyao alla fine del 2009, riducendo la corrente di cortocircuito a meno di 47 kA.

A livello globale, le applicazioni dei FCL sono ancora limitate a progetti individuali, ma stanno ricevendo sempre maggiore attenzione. Rimane un significativo potenziale di ricerca per l'aumento della capacità, della resistenza alla tensione, miglioramenti materiali, dissipazione del calore, controllo dei costi e ottimizzazione della topologia.

3 Impatto dell'Integrazione dei FCL sulla Sicurezza e Stabilità del Sistema Elettrico

L'inserimento rapido dell'impedenza dei FCL durante i guasti, pur limitando efficacemente la corrente, modifica i parametri della rete, influenzando la stabilità transitoria, la stabilità della tensione, le impostazioni della protezione relè e la ricomposizione. Un controllo inadeguato può portare a effetti negativi. Il controllo coordinato e la configurazione ottimale sono essenziali per ottenere un'ottima performance con più FCL.

3.1 Impatto sulle Impostazioni della Protezione Relè e della Ricomposizione

Per gli SFCL a nucleo saturabile, il lungo tempo di recupero significa che un'impedenza significativa persiste dopo il guasto, potenzialmente richiedendo un reset delle impostazioni automatiche di ricomposizione e della protezione relè. La letteratura suggerisce l'installazione di SFCL a quench sui rami dei generatori e dei trasformatori principali; sebbene sia necessario un reset della protezione, l'impedenza elevata persistente durante il recupero può agire come resistenza frenante, beneficiando la stabilità transitoria. Sono state proposte varie metodologie di impostazione della protezione distanziale che tengono conto degli SFCL. Gli FCL solid-state possono utilizzare segnali di trigger di tiristori, contatti di interruttori di bypass, posizioni di interruttori FCL e circuiti GAP per commutare le impostazioni di protezione della corrente zero-sequence, affrontando problemi di sensibilità dopo l'inserimento del FCL.

3.2 Impatto sulla Stabilità Transitoria Angolo-Potenza

Anche se i FCL generalmente operano con un'impedenza bassa in condizioni normali e un'impedenza elevata durante i guasti, la loro specifica operazione e struttura portano a diversi impatti sulla stabilità transitoria angolo-potenza. Gli FCL solid-state e superconduttivi, inserendo un'impedenza elevata durante i guasti, possono migliorare l'output di potenza elettromagnetica del generatore e migliorare la stabilità transitoria.

Gli FCL di tipo resistivo migliorano la stabilità più di quelli induttivi fornendo una resistenza smorzante che consuma più potenza del generatore. Tuttavia, valori di resistenza impropri possono causare un flusso inverso di potenza al generatore, peggiorando i deficit di potenza. L'analisi mostra che per guasti lontani dal generatore, gli SFCL induttivi diventano più vantaggiosi man mano che la reattività totale di trasferimento diminuisce. Gli SFCL resistivi mostrano caratteristiche simili oltre una certa soglia di resistenza.

L'impatto dipende dalla posizione e dal tipo di guasto; i FCL influenzano la stabilità angolo-potenza solo quando i guasti si verificano sulle linee su cui sono installati. Per guasti asimmetrici all'inizio della linea, l'induttanza del FCL beneficia la stabilità, aumentando con il valore dell'induttanza. Alla fine della linea, se il guasto viene rimosso rapidamente, l'induttanza del FCL può ostacolare la stabilità, ma l'impatto negativo diminuisce con l'induttanza più elevata per guasti fase-fase e due fasi a terra. Per guasti singola fase o fase-fase vicino alla fine della linea, prolungare leggermente il tempo di rimozione del guasto rende l'induttanza del FCL piccola vantaggiosa, riducendo significativamente l'ampiezza della curva oscillatoria rispetto alla rimozione rapida.

3.3 Impatto sulla Stabilità Transitoria della Tensione

I guasti di cortocircuito causano abbassamenti di tensione, influenzando l'operazione dell'equipaggiamento e causando perdite economiche. L'analisi basata su PSCAD mostra che un'induttanza FCL più grande migliora la soppressione dell'abbassamento di tensione entro un certo range. La capacità intrinseca dei FCL di migliorare la tensione di guasto varia con la struttura della rete. Su alimentatori radiali, un'induttanza FCL >0,5 pu può mantenere la tensione al di sopra di 0,8 pu durante i guasti. La generazione locale o il supporto reattivo vicino al bus di guasto riduce la dipendenza dai FCL.

3.4 Coordinamento con Misure Limitatrici Tradizionali

La coordinazione dei FCL con misure tradizionali (ad esempio, reattori, trasformatori ad alta impedenza) è chiave per l'applicazione pratica. Un metodo di ottimizzazione automatico utilizzando variabili 0-1 per la distribuzione delle misure e variabili intere per la capacità forma un problema di programmazione a numeri misti, risolvibile con metodi branch-and-bound, per guidare la configurazione coordinata.

3.5 Ottimizzazione della Configurazione

Con più FCL, l'ottimizzazione della posizione, del numero e dei parametri per una performance cost-effective è un punto caldo di ricerca. Per reti piccole, l'enumerazione o metodi basati sul tasso di variazione/perdita di potenza sono sufficienti. Per reti grandi con più nodi che superano i limiti di cortocircuito, l'enumerazione diventa intensiva dal punto di vista computazionale e inadeguata per problemi multi-obiettivo (impedenza, numero, posizione).

L'ottimizzazione multi-obiettivo pesata utilizzando algoritmi genetici o di stormo di particelle è comune, ma i risultati dipendono pesantemente dalla selezione dei pesi. I metodi basati sulla sensibilità, calcolando i cambiamenti di corrente di cortocircuito rispetto all'impedenza del ramo, evitano la dipendenza dai pesi e aiutano a determinare la posizione ottimale, il numero e l'impedenza dei FCL. Poiché l'obiettivo primario è la limitazione della corrente, l'ottimizzazione può concentrarsi sull'efficacia della limitazione, assicurando che le posizioni selezionate dei FCL influenzino tutti i nodi con margine di cortocircuito insufficiente. I costi e le perdite operative sono anche fattori critici nell'ottimizzazione reale.

4 Tendenze di Sviluppo e Applicazione dei FCL

4.1 Tendenze di Ricerca Tecnologica dei FCL

Per sfruttare i vantaggi e mitigare i punti deboli, stanno emergendo nuove direzioni di ricerca. La combinazione di FCL superconduttivi con il deposito di energia è un argomento caldo - assorbendo energia durante i guasti e fornendola per migliorare la qualità dell'energia durante l'operazione normale, ottenendo doppio vantaggio. La chiave sta nella progettazione del sistema di condizionamento del potere.

Per affrontare le esigenze di alta capacità, i costi e le armoniche nei limitatori solid-state, sono state proposte topologie migliorate come SSCL a ponte trifase accoppiati a trasformatori con induttori di bypass. I FCL convenzionali mancano di regolabilità dinamica e compensazione in regime permanente.

È stato proposto un FCL multifunzionale con compensazione seriale dinamica: l'operazione normale utilizza la commutazione di una banca di condensatori per la compensazione graduale della linea; durante i guasti, i GTO o IGCT controllano il grado di limitazione tramite un induttore seriale, consentendo un uso multiplo. La compensazione seriale deve essere scelta con cura per evitare oscillazioni sottosincrone.

4.2 Tendenze di Applicazione dei FCL

I FCL non solo limitano le correnti di cortocircuito, ma, in condizioni appropriate, possono migliorare la stabilità angolo-potenza e della tensione, espandendo la loro gamma di applicazione. Le tendenze emergenti includono l'aumento della capacità di trasmissione alla fine di ricezione in corrente continua, la riduzione del rischio di fallimento di commutazione, il miglioramento della qualità dell'energia e il supporto all'integrazione di energie rinnovabili su larga scala.

Nei sistemi a corrente continua a terminale multipla, i FCL possono limitare la corrente senza influire sull'operazione normale. Per le reti alla fine di ricezione in corrente continua, i FCL installati sui percorsi di propagazione del guasto possono isolare le regioni, bloccare la propagazione del guasto, accorciare la durata del fallimento di commutazione, accelerare il recupero del potere in corrente continua e mitigare i disavanzi di potenza e i trasferimenti di flusso di potenza da fallimenti simultanei di alimentazione multi-infeed in corrente continua, migliorando la stabilità transitoria complessiva. Per grandi motori asincroni, l'integrazione di SFCL nel circuito del rotore consente l'avviamento morbido e sopprime il contributo di corrente di guasto, riducendo gli abbassamenti di tensione e migliorando la stabilità transitoria della tensione.

Per l'integrazione su larga scala di energia eolica, i FCL nei punti di connessione dei parchi eolici possono migliorare la capacità di resistenza ai guasti e ridurre i rischi di disconnessione. I FCL resistenti richiedono meno impedenza rispetto a quelli induttivi per la stabilità nello stesso intervallo di guasto, ma i tipi induttivi offrono un miglioramento migliore vicino alla stabilità critica.

Man mano che la tecnologia FCL matura, questi dispositivi multi-funzionali e a risposta rapida - che limitano i guasti, migliorano la stabilità e isolano i guasti - troveranno applicazioni più ampie.

5 Conclusione

I FCL limitano efficacemente le correnti di cortocircuito ma possono influire sulla stabilità angolo-potenza/tensione, sulle impostazioni della protezione relè e sulla ricomposizione. La configurazione ottimizzata e il controllo coordinato di più FCL o con dispositivi FACTS promettono significativi benefici. I futuri FCL andranno oltre la limitazione della corrente, migliorando la trasmissione in corrente continua, riducendo i fallimenti di commutazione, migliorando la qualità dell'energia e supportando l'integrazione di energie rinnovabili.

Tuttavia, barriere tecniche ed economiche ritardano l'applicazione su larga scala di FCL ad alta tensione e alta capacità. I limitatori solid-state, limitati dalla capacità e dalle tensioni dei dispositivi, sono attualmente ristretti alle reti di distribuzione. Avanzamenti nei dispositivi autocommutanti ad alta potenza potrebbero superare queste bottiglie e ridurre i costi.

Gli FCL superconduttivi offrono una risposta rapida e un auto-triggering, ma affrontano costi elevati di raffreddamento, sfide di dissipazione termica e tempi di recupero del quench lunghi. Considerando la fattibilità e l'economia a breve termine, i FCL economici basati su equipaggiamenti convenzionali sono la soluzione preferita. I limitatori solid-state, con barriere tecniche inferiori e maturità, rappresentano la direzione futura mainstream.