Limitadores de Corrente de Falha | Impacto na Tecnologia e Estabilidade da Rede

1 Introdução à Tecnologia de Limitador de Corrente de Falha (FCL)

Os métodos tradicionais de limitação passiva de corrente de falha, como o uso de transformadores de alta impedância, reatores fixos ou operação de barramento dividido, apresentam desvantagens inerentes, incluindo a perturbação da estrutura da rede, aumento da impedância do sistema em estado estacionário e redução da segurança e estabilidade do sistema. Essas abordagens estão se tornando cada vez menos adequadas para as redes elétricas complexas e de grande escala de hoje.

Em contraste, as tecnologias ativas de limitação de corrente de falha, representadas pelos Limitadores de Corrente de Falha (FCLs), exibem baixa impedância durante a operação normal da rede. Quando ocorre uma falha, o FCL rapidamente transita para um estado de alta impedância, efetivamente limitando a corrente de falha a um nível mais baixo, permitindo assim o controle dinâmico das correntes de falha. Os FCLs evoluíram do conceito tradicional de limitação de corrente baseada em reatores em série, integrando tecnologias avançadas, como eletrônica de potência, supercondutividade e controle de circuito magnético.

O princípio fundamental de um FCL pode ser simplificado no modelo mostrado na Figura 1: durante a operação normal do sistema, o interruptor K está fechado e nenhum impedância limitadora de corrente é introduzida pelo FCL. Apenas quando ocorre uma falha, K abre rapidamente, inserindo o reator para limitar a corrente de falha.

A maioria dos FCLs é baseada nesse modelo fundamental ou suas variantes estendidas. As principais diferenças entre os diversos FCLs residem na natureza da impedância limitadora de corrente, na implementação do interruptor K e nas estratégias de controle associadas.

2 Esquemas de Implementação de FCL e Situação de Aplicação

2.1 Limitadores de Corrente de Falha Supercondutores (SFCLs)

Os SFCLs podem ser classificados como do tipo quench ou não quench, dependendo se utilizam a transição do supercondutor do estado supercondutor para o estado normal (transição S/N) para a limitação de corrente. Estruturalmente, são categorizados ainda como resistivos, do tipo ponte, com blindagem magnética, do tipo transformador ou do tipo núcleo saturado. Os SFCLs do tipo quench dependem da transição S/N (disparada quando a temperatura, o campo magnético ou a corrente excedem valores críticos), onde o supercondutor muda de zero resistência para alta resistência, limitando assim a corrente de falha.

Os SFCLs do tipo não quench combinam bobinas supercondutoras com outros componentes (por exemplo, eletrônica de potência ou elementos magnéticos) e controlam os modos de operação para limitar as correntes de curto-circuito. A aplicação prática de SFCLs enfrenta desafios comuns de supercondutividade, como custo e eficiência de resfriamento. Além disso, os SFCLs do tipo quench têm tempos de recuperação longos, potencialmente conflitantes com o recolocamento do sistema, enquanto as mudanças de impedância dos SFCLs do tipo não quench podem afetar a coordenação da proteção por relés, exigindo reconfiguração.

2.2 Limitadores de Corrente com Elementos Magnéticos

Estes são divididos em tipos de cancelamento de fluxo e de chave magnética de saturação. No tipo de cancelamento de fluxo, duas bobinas com polaridades opostas são enroladas no mesmo núcleo. Em condições normais, os fluxos iguais e opostos se anulam, resultando em baixa impedância de fuga.

Durante uma falha, uma bobina é contornada, interrompendo o equilíbrio de fluxo e apresentando alta impedância. O tipo de chave magnética de saturação opera polarizando a bobina limitadora de corrente para saturação (via polarização DC, etc.) em condições normais, produzindo baixa impedância. Durante uma falha, a corrente de falha força o núcleo fora da saturação, criando alta impedância para a limitação de corrente. Devido aos requisitos de controle complexos, os limitadores com elementos magnéticos têm aplicação limitada.

2.3 Limitadores de Corrente com Resistores PTC

Resistores de Coeficiente Positivo de Temperatura (PTC) são não lineares; eles exibem baixa resistência e aquecimento mínimo em condições normais. Durante um curto-circuito, sua temperatura aumenta rapidamente, elevando a resistência em 8 a 10 ordens de magnitude em milissegundos. FCLs baseados em resistores PTC encontraram uso comercial em aplicações de baixa tensão.

No entanto, desvantagens incluem: altas sobretensões geradas durante a limitação de corrente indutiva (requerendo proteção paralela contra sobretensão); estresse mecânico devido à expansão do resistor durante a operação; limitações de tensão/corrente (centenas de volts, poucos amperes), necessitando conexões em série-paralelo e restringindo o uso em alta tensão; e tempos de recuperação longos (vários minutos) com vida útil curta, dificultando a implantação em larga escala.

2.4 Limitadores de Corrente de Estado Sólido (SSCLs)

Os SSCLs são um novo tipo de limitador de curto-circuito baseado em eletrônica de potência, geralmente composto por reatores convencionais, dispositivos eletrônicos de potência e controladores. Eles oferecem várias topologias, resposta rápida, alta resistência operacional e controle simples. Ao controlar o estado dos dispositivos eletrônicos de potência, a impedância equivalente do SSCL é alterada para limitar a corrente de falha. Considerados um novo dispositivo FACTS, os SSCLs estão ganhando cada vez mais atenção. No entanto, durante as falhas, os dispositivos eletrônicos de potência devem suportar a corrente total de falha, exigindo alto desempenho e capacidade dos dispositivos. A coordenação entre múltiplos SSCLs ou com outros sistemas de controle FACTS permanece um desafio crítico.

2.5 Limitadores de Corrente Econômicos

Estes oferecem tecnologia madura, alta confiabilidade, baixo custo e comutação automática sem controle externo. São principalmente classificados em tipos de transferência de corrente de arco e de ressonância em série. O tipo de transferência de corrente de arco consiste em um interruptor a vácuo em paralelo com um resistor limitador de corrente. Em operação normal, a corrente de carga flui através do interruptor. Durante um curto-circuito, o interruptor abre, forçando a corrente a transferir-se para o resistor para limitação de corrente.

Problemas incluem: corrente de transferência afetada pela tensão do arco a vácuo e indutância parasita; tempo de transferência dependente da velocidade do interruptor; e dificuldade na transferência de corrente em baixas tensões de arco, requerendo dispositivos auxiliares para aumentar a tensão do arco e forçar a passagem por zero da corrente. FCLs de ressonância em série usam reatores saturados ou varistores como chaves. Em condições normais, o capacitor e o indutor estão em ressonância em série com baixa impedância. Durante uma falha, a corrente alta satura o reator ou ativa o varistor, detunando a ressonância e inserindo o reator na linha para limitação de corrente. Interruptores rápidos de repulsão eletromagnética também podem contornar rapidamente o capacitor.

2.6 Situação Atual das Aplicações de Engenharia de FCL

Para ter valor prático, os FCLs devem não apenas inserir rapidamente impedância durante as falhas, mas também apresentar reset automático, múltiplas operações consecutivas, geração baixa de harmônicas e custos de investimento e operação aceitáveis. Atualmente, limitados por desafios técnicos e custo-benefício, apesar de vários protótipos experimentais desenvolvidos em todo o mundo, as aplicações reais de grade permanecem escassas, limitadas principalmente a projetos pilotos de baixa tensão e pequena capacidade.

O campo começou mais cedo no exterior, com progresso notável na comercialização de FCLs de estado sólido e supercondutores. Em 1993, um disjuntor de estado sólido de 6,6 MW usando GTOs em antiparalelo foi instalado em um alimentador de 4,6 kV no Centro de Energia do Exército em New Jersey, EUA, capaz de limpar falhas em 300 μs. Em 1995, um FCL de estado sólido de 13,8 kV/675 A desenvolvido pela EPRI e Westinghouse foi comissionado em uma subestação da PSE&G. Para FCLs supercondutores, um FCL híbrido AC/DC foi desenvolvido pela ACEC-Transport e GEC-Alsthom em 1998, alcançando a comercialização. Em 1999, um SFCL de 15 kV/1200 A desenvolvido conjuntamente pela General Atomics e outros foi implantado em uma subestação da Southern California Edison (SCE).

A pesquisa doméstica de FCLs começou mais tarde, mas progrediu rapidamente. Em 2007, o FCL supercondutor de núcleo saturado de 35 kV desenvolvido pela Tianjin Electromechanical Holdings e Beijing YunDian YingNa Superconductor Cable Co., Ltd., passou por operação de teste em rede na Subestação Puji, Yunnan, então o limitador supercondutor de maior tensão e capacidade em operação de teste no mundo. Para FCLs de ressonância em série, o primeiro dispositivo de 500 kV da China, desenvolvido conjuntamente pelo Instituto de Pesquisa de Eletricidade da China, Zhongdian Puri e Rede Leste da China, foi comissionado na Estação de 500 kV Bingyao no final de 2009, reduzindo a corrente de curto-circuito para abaixo de 47 kA.

Globalmente, as aplicações de FCLs ainda estão limitadas a projetos individuais, mas estão ganhando cada vez mais atenção. Há um potencial significativo em pesquisas sobre aumento de capacidade, resistência a tensão, melhorias de material, dissipação de calor, controle de custos e otimização de topologia.

3 Impacto da Integração de FCL na Segurança e Estabilidade do Sistema Elétrico

A inserção rápida de impedância dos FCLs durante as falhas, embora efetivamente limite a corrente, altera os parâmetros da rede, afetando a estabilidade transitória, a estabilidade de tensão, as configurações de proteção por relés e o recolocamento. Um controle inadequado pode levar a efeitos negativos. O controle coordenado e a configuração ótima são essenciais para que múltiplos FCLs alcancem o desempenho ideal.

3.1 Impacto nas Configurações de Proteção por Relés e Recolocamento

Para SFCLs de núcleo saturado, o longo tempo de recuperação significa que a impedância significativa persiste após a falha, potencialmente exigindo a reconfiguração do recolocamento automático e da proteção por relés. A literatura sugere a instalação de SFCLs do tipo quench nos ramos de geradores e transformadores principais; embora seja necessário reconfigurar a proteção, a alta impedância persistente durante a recuperação pode atuar como um resistor de freio, beneficiando a estabilidade transitória. Várias metodologias de configuração de proteção por distância considerando SFCLs foram propostas. FCLs de estado sólido podem usar sinais de acionamento de tiristores, contatos de disjuntores de bypass, posições de comutação do FCL e circuitos GAP para alternar as configurações de proteção de corrente zero-sequence, abordando questões de sensibilidade após a inserção do FCL.

3.2 Impacto na Estabilidade de Ângulo de Potência Transitória

Embora os FCLs geralmente operem com baixa impedância em condições normais e alta impedância durante as falhas, sua operação específica e estrutura levam a impactos variados na estabilidade de ângulo de potência transitória. FCLs de estado sólido e supercondutores, ao inserir alta impedância durante as falhas, podem aumentar a potência eletromagnética de saída do gerador e melhorar a estabilidade transitória.

FCLs do tipo resistivo melhoram a estabilidade mais do que os do tipo indutivo, fornecendo resistência de amortecimento que consome mais potência do gerador. No entanto, valores impróprios de resistência podem causar fluxo de potência reverso para o gerador, piorando déficits de potência. Análises mostram que, para falhas distantes do gerador, FCLs indutivos se tornam mais benéficos à medida que a reatância total de transferência diminui. FCLs resistivos também exibem características semelhantes além de um determinado valor de resistência.

O impacto depende da localização e do tipo de falha; os FCLs afetam a estabilidade de ângulo de potência apenas quando as falhas ocorrem em suas linhas instaladas. Para falhas assimétricas no início da linha, a indutância do FCL beneficia a estabilidade, aumentando com o valor da indutância. No final da linha, se a falha for eliminada rapidamente, a indutância do FCL pode prejudicar a estabilidade, mas o impacto negativo diminui com maior indutância para falhas fase-a-fase e duas fases a terra. Para falhas de fase única ou fase-a-fase próximas ao final da linha, estender ligeiramente o tempo de eliminação da falha faz com que a pequena indutância do FCL seja benéfica, reduzindo significativamente a amplitude da curva de balanço em comparação com a eliminação rápida.

3.3 Impacto na Estabilidade de Tensão Transitória

As falhas de curto-circuito causam quedas de tensão, afetando a operação do equipamento e causando perdas econômicas. Análises baseadas em PSCAD mostram que maiores indutâncias de FCL melhoram a supressão de quedas de tensão dentro de um certo intervalo. A capacidade inerente dos FCLs de melhorar a tensão de falha varia com a estrutura da rede. Em alimentadores radiais, reatância de FCL > 0,5 pu pode manter a tensão acima de 0,8 pu durante as falhas. Geração local ou suporte reativo próximo ao barramento de falha reduz a dependência dos FCLs.

3.4 Coordenação com Medidas Tradicionais de Limitação

A coordenação dos FCLs com medidas tradicionais (por exemplo, reatores, transformadores de alta impedância) é fundamental para a aplicação prática. Um método de otimização automática usando variáveis 0–1 para a implantação de medidas e variáveis inteiras para a capacidade forma um problema de programação inteira mista, solucionável por métodos de ramificação e delimitação, para orientar a configuração coordenada.

3.5 Otimização da Configuração

Com múltiplos FCLs, otimizar localização, número e parâmetros para um desempenho custo-efetivo é um foco de pesquisa. Para redes menores, enumeração ou métodos baseados em taxas de mudança/perda de potência são suficientes. Para grandes redes com múltiplos nós excedendo limites de curto-circuito, a enumeração se torna computacionalmente intensiva e inadequada para problemas multiobjetivos (impedância, número, localização).

A otimização multiobjetivo ponderada usando algoritmos genéticos ou de enxame de partículas é comum, mas os resultados dependem fortemente da seleção de pesos. Métodos baseados em sensibilidade, calculando as mudanças de corrente de curto-circuito em relação à impedância de ramo, evitam a dependência de pesos e ajudam a determinar a localização, o número e a impedância ótimos do FCL. Como o objetivo principal é a limitação de corrente, a otimização pode se concentrar na eficácia da limitação, garantindo que as localizações selecionadas do FCL afetem todos os nós com margem insuficiente de curto-circuito. Custos e perdas operacionais também são fatores críticos na otimização real.

4 Tendências de Desenvolvimento e Aplicação de FCLs

4.1 Tendências de Pesquisa em Tecnologia FCL

Para aproveitar as vantagens e mitigar as fraquezas, novas direções de pesquisa estão emergindo. A combinação de FCLs supercondutores com armazenamento de energia é um tópico quente—absorvendo energia durante as falhas e fornecendo-a para melhorar a qualidade de energia durante a operação normal, alcançando benefícios duplos. O ponto chave reside no design do sistema de condicionamento de potência.

Para atender às demandas de alta capacidade, custo e harmônicos em limitadores de estado sólido, foram propostas topologias aprimoradas, como SSCLs de ponte trifásica acoplada a transformador com indutores de bypass. FCLs convencionais carecem de ajustabilidade dinâmica e compensação em estado estacionário.

Um FCL multifuncional com compensação em série dinâmica foi proposto: a operação normal usa a comutação de bancos de capacitores para compensação etapa a etapa da linha; durante as falhas, GTOs ou IGCTs controlam o grau de limitação através de um indutor em série, permitindo uso multipropósito. A compensação em série deve ser escolhida cuidadosamente para evitar oscilações sub-síncronas.

4.2 Tendências de Aplicação de FCL

Os FCLs não apenas limitam as correntes de curto-circuito, mas, sob condições adequadas, podem melhorar a estabilidade de ângulo de potência e de tensão, expandindo seu escopo de aplicação. Tendências emergentes incluem o aumento da capacidade de transmissão do extremo receptor DC, a redução do risco de falha de comutação, a melhoria da qualidade de energia e o suporte à integração de renováveis em larga escala.

Em sistemas DC de múltiplos terminais, os FCLs podem limitar a corrente sem afetar a operação normal. Para redes de extremo receptor DC, FCLs instalados em caminhos de propagação de falhas podem isolar regiões, bloquear a propagação de falhas, encurtar a duração da falha de comutação, acelerar a recuperação de potência DC e mitigar desequilíbrios de potência e transferências de fluxo de potência de falhas simultâneas de múltiplas alimentações DC, melhorando a estabilidade transitória global. Para motores assíncronos de grande porte, a integração de SFCLs no circuito do estator permite partida suave e suprime a contribuição de corrente de falha, reduzindo quedas de tensão e melhorando a estabilidade de tensão transitória.

Para a integração em larga escala de energia eólica, FCLs nos pontos de conexão de parques eólicos podem melhorar a capacidade de atravessar falhas e reduzir o risco de desconexão. FCLs resistivos requerem menos impedância do que os indutivos para a estabilidade sob a mesma duração de falha, mas os indutivos oferecem melhor melhora perto da estabilidade crítica.

À medida que a tecnologia FCL amadurece, esses dispositivos de resposta rápida e multifuncionais—limitando falhas, melhorando a estabilidade e isolando falhas—encontrarão aplicações mais amplas.

5 Conclusão

Os FCLs limitam efetivamente as correntes de curto-circuito, mas podem impactar a estabilidade de ângulo de potência/tensão, as configurações de proteção por relés e o recolocamento. A configuração otimizada e o controle coordenado de múltiplos FCLs ou com dispositivos FACTS prometem benefícios significativos. Futuros FCLs irão além da limitação de corrente para melhorar a transmissão DC, reduzir falhas de comutação, melhorar a qualidade de energia e suportar a integração de renováveis.

No entanto, barreiras técnicas e econômicas atrasam a aplicação em larga escala de FCLs de alta tensão e alta capacidade. Limitadores de estado sólido, limitados pela capacidade e classificação de tensão dos dispositivos, atualmente estão restritos a redes de distribuição. Avanços em dispositivos de comutação de alta potência podem superar esses gargalos e reduzir custos.

FCLs supercondutores oferecem resposta rápida e disparo automático, mas enfrentam custos elevados de resfriamento, desafios de dissipação de calor e longos tempos de recuperação de quench. Considerando a viabilidade e a economia a curto prazo, FCLs econômicos baseados em equipamentos convencionais são a solução preferida. Limitadores de estado sólido, com barreiras técnicas menores e maturidade, representam a direção principal do futuro.