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Límite de Corriente de Falla Tipo Puente | Superconductor y de Estado Sólido

Dyson
Dyson
Campo: Normas Eléctricas
China

1 Limitador de Corriente de Falla Superconductor Tipo Puente
1.1 Estructura y Principio de Funcionamiento del SFCL Tipo Puente
La figura 1 muestra el diagrama de circuito monofásico del limitador de corriente de falla superconductor tipo puente, que consta de cuatro diodos D₁ a D₄, una fuente de voltaje de polarización directa V_b y una bobina superconductora L. Un interruptor CB está conectado en serie con el limitador para interrumpir la corriente de falla después de que ha sido limitada. La fuente de polarización V_b proporciona una corriente de polarización i_b a la bobina superconductora L. El voltaje de V_b se establece lo suficientemente alto como para superar la caída de voltaje en los pares de diodos (D₁ y D₃, o D₂ y D₄), estableciendo una corriente de polarización i₀. El valor de i₀ se establece mayor que el valor pico de la corriente de línea i_max, con un margen para condiciones de sobrecarga.

Por lo tanto, en condiciones normales, el puente de diodos permanece continuamente conductivo, y el SFCL no presenta ninguna impedancia a la corriente de línea i, ignorando la pequeña caída de voltaje en sentido directo a través del puente. Asumiendo que durante la operación normal las corrientes que pasan por los diodos D₁ a D₄ son iD1 a iD4 respectivamente, la corriente de línea es:

Se obtiene de acuerdo con la Ley de Corrientes de Kirchhoff (KCL):

Cuando ocurre una falla de cortocircuito en la línea, la corriente de línea aumenta rápidamente a i₀. Durante los semiciclos positivos y negativos, un par de diodos se vuelve inversamente polarizado y se apaga, insertando automáticamente la bobina L en el circuito. Así, la corriente de cortocircuito se limita por la reactancia inductiva de la bobina.

Al ajustar adecuadamente la corriente crítica de la bobina superconductora, la bobina permanece en estado superconductor durante la falla, evitando los efectos del tiempo de respuesta y la recuperación del enfriamiento. Sin embargo, a medida que persiste la falla, la corriente a través del inductor superconductor continúa aumentando, eventualmente acercándose al valor de corriente de cortocircuito estacionario que existiría sin el limitador. Por lo tanto, la fuente de falla debe ser interrumpida oportunamente por un interruptor dentro de un tiempo especificado. Para simplificar, se asume que la falla de cortocircuito ocurre en el instante en que el voltaje de la fuente pasa por cero (t = t₀). De acuerdo con la Ley de Voltajes de Kirchhoff (KVL), se obtiene la siguiente ecuación:

Condición inicial I0, resolviendo esta ecuación diferencial se obtiene:

La figura 2 muestra las formas de onda de la corriente del inductor y la corriente de línea durante la operación normal y después de que ocurre una falla, con la falla iniciada en t = 0.1 s. Los resultados de la simulación indican que la corriente de cortocircuito aumenta lentamente debido al efecto limitador de corriente del inductor superconductor. El proceso de limitación de corriente es esencialmente la magnetización del inductor superconductor. Una vez que la corriente de falla se estabiliza, el limitador deja de ser efectivo. Por lo tanto, la falla debe ser eliminada por el interruptor antes de que la corriente de cortocircuito alcance su valor estacionario. En la figura, la falla es eliminada por el interruptor a t = 0.2 s.

1.2 Mejora Estructural del Limitador de Corriente de Falla Superconductor Tipo Puente
Un limitador de corriente de falla superconductor tipo puente convencional solo puede suprimir la tasa de aumento de las corrientes de cortocircuito, pero es ineficaz para controlar sus valores estacionarios. Para limitar el valor estacionario de las corrientes de cortocircuito, un SFCL híbrido combina las características de resistencia cero en el estado superconductor y el rápido aumento de la resistencia durante el enfriamiento de los superconductores. Esto se logra integrando limitadores de corriente de falla superconductores resistivos con SFCL tipo puente. El diagrama esquemático de este enfoque híbrido se muestra en la Figura 3.

En condiciones de operación normales, el interruptor K está abierto, por lo que el SFCL resistivo no presenta ninguna impedancia externa, permitiendo que la corriente i_L pase a través de él sin resistencia. Al ocurrir una falla, el SFCL resistivo presenta inmediatamente alta impedancia y trabaja en serie con el inductor superconductor para suprimir conjuntamente la corriente de falla. Después de que se elimina la falla, el interruptor K se cierra; en este punto, debido a su propia alta impedancia, el SFCL resistivo se cortocircuita y vuelve rápidamente al estado superconductor.

Dado que el interruptor K tiene resistencia en estado de conducción, será cortocircuitado por el SFCL resistivo recuperado, haciendo que todo el limitador tipo puente híbrido aparezca como baja impedancia externa. En este momento, abrir K concluye todo el proceso de limitación de corriente. Para mejorar la capacidad del SFCL resistivo, generalmente se utilizan conexiones en serie y paralelo de unidades SFCL resistivas para mejorar las calificaciones de voltaje y corriente del dispositivo. La Figura 4 ilustra el esquema de circuito del limitador superconductor resistivo, donde R₁ a R₆ representan resistencias superconductoras, y R sirve como una resistencia de derivación que puede provocar el enfriamiento simultáneo de dos superconductores en la misma rama en serie durante una falla de cortocircuito.

El papel del transformador de acoplamiento entre fases es asegurar que iL1 = iL2 = iL3, de modo que las unidades SFCL en diferentes ramas paralelas puedan enfriarse simultáneamente después de que ocurra una falla de cortocircuito. El SFCL tipo puente híbrido limita eficazmente el valor estacionario de las corrientes de cortocircuito mediante el uso de las características de transición del superconductor del estado superconductor al normal (S/N), enganchando automáticamente la resistencia limitadora de corriente al detectar la falla sin necesidad de mecanismos adicionales de detección de fallas. Sin embargo, la adición del dispositivo limitador de corriente de falla superconductor resistivo aumenta los costos operativos totales y prolonga el tiempo de recuperación del enfriamiento, complicando la coordinación con las operaciones de recierre del sistema.

2 Limitador de Corriente de Falla No Superconductor Tipo Puente
2.1 Limitador de Corriente de Estado Sólido
En los últimos años, los avances rápidos en la tecnología de electrónica de potencia y los dispositivos semiconductores de potencia de alta capacidad, como SCR, GTO, GTR e IGBT, junto con su aplicación generalizada en sistemas prácticos, han hecho que los limitadores de corriente de falla compuestos por inductores, resistencias, capacitores y componentes electrónicos de potencia sean un tema de investigación de gran interés. El limitador de corriente de falla no superconductor tipo puente se construye a partir de componentes convencionales, evitando la tecnología superconductora compleja, y ofrece ventajas de alta confiabilidad y buen costo-efectividad.

La figura 5 muestra el diagrama esquemático de un limitador de corriente de fase única ideal tipo puente, compuesto por un circuito puente monofásico y un inductor limitador de corriente L. En operación normal, se aplican pulsos de disparo continuos a los cuatro tiristores. Después de un breve proceso de magnetización, la corriente en el inductor alcanza el valor pico de la corriente de carga. Cuando se ignora la caída de voltaje a través de los tiristores T₁ a T₄, el limitador no presenta impedancia externa.

Si ocurre una falla de cortocircuito durante el semiciclo positivo del voltaje de alimentación, T₃ se apaga forzosamente, insertando el inductor limitador de corriente en el circuito para suprimir la corriente de falla. Al ajustar adecuadamente el valor del inductor L, la corriente de cortocircuito se puede limitar a cualquier nivel deseado. Además, este limitador tiene la capacidad de interrumpir instantáneamente la corriente de cortocircuito. Sin embargo, debido al uso de cuatro interruptores controlables, la lógica de control para la interrupción instantánea es relativamente compleja. Durante la limitación de la corriente de falla, se generan armónicos significativos; estos pueden mitigarse eficazmente conectando inductores de derivación en paralelo a través de los brazos del puente.

2.2 Limitador de Corriente de Cortocircuito Tipo Puente Semicontrolado
La figura 6 ilustra la topología de un limitador de corriente de cortocircuito monofásico basado en un puente semicontrolado y dispositivos de apagado automático. Este sistema consta de diodos D₁ a D₄, dispositivos de apagado automático T₁ y T₂, un inductor superconductor L, un inductor limitador de corriente Llim y un absorbedor de sobrevoltaje ZnO, con us representando la fuente de alimentación de CA y CB actuando como el interruptor de línea.

En condiciones de operación normales, los dos dispositivos de apagado automático T₁ y T₂ están continuamente activados. Al encenderse inicialmente, la corriente en el inductor superconductor aumenta gradualmente hasta el valor pico de la corriente de línea bajo la influencia de la fuente de voltaje. Una vez que la carga se estabiliza, iL permanece constante. Ignorando las caídas de voltaje en sentido directo a través de los diodos D₁ a D₄ y los dispositivos de apagado automático T₁ y T₂, el voltaje a través del puente es cero, y el voltaje a través del inductor limitador de corriente Llim también es cero. Como resultado, el limitador de corriente no presenta impedancia externa y no tiene impacto en el sistema.

Cuando ocurre una falla de cortocircuito en el sistema, la corriente iL en el inductor superconductor aumenta. Al detectar la falla de cortocircuito, T₁ y T₂ se apagan inmediatamente, causando que el puente salga de operación. La corriente de cortocircuito entonces se traslada al inductor limitador de corriente de bypass Llim, mientras que la corriente en el inductor superconductor continúa fluyendo a través de los diodos D₁ y D₄ hasta que decae a cero. La figura 7 muestra las curvas de corriente y voltaje en estado estacionario y en estado de falla de un limitador de corriente de cortocircuito monofásico basado en un puente semicontrolado.

El sistema se enciende a t=0.02 segundos y alcanza el estado estacionario dentro de un ciclo. Ocurre una falla de cortocircuito a t=0.1 segundos, y T₁ se apaga dentro de un cuarto de ciclo después de detectar la falla. Los parámetros de circuito utilizados para la simulación son los siguientes: el voltaje de fase pico de la fuente de alimentación es 100V/50Hz; la corriente de carga nominal pico es 10A; la resistencia de carga es 10Ω; el inductor DC superconductor L es 10mH; la caída de voltaje en sentido directo a través de los diodos y los interruptores controlables es 0.8V; y el inductor limitador de corriente Llim es 10mH.

Uno de los propósitos principales de emplear limitadores de corriente de falla superconductores (SFCL) en sistemas de potencia es limitar las corrientes de falla para que no excedan la capacidad de interrupción instantánea de los interruptores de línea. En el análisis, la relación de reducción de corriente de falla D (0<D<1) se utiliza comúnmente para representar el porcentaje de reducción de la corriente de falla pico, y la expresión para D es:

es la corriente de entrada pico durante un cortocircuito sin el SFCL instalado, y su valor está relacionado con la relación equivalente X/R del sistema.

En la ecuación (7), Ip denota la amplitud del componente periódico de la corriente de cortocircuito, y Ta es la constante de tiempo. ilim representa el valor pico de la corriente de cortocircuito limitada, que depende de la magnitud del inductor limitador de corriente Llim. Al seleccionar adecuadamente el valor de Llim, se puede lograr la reducción porcentual deseada de la corriente de falla pico. Se realizaron simulaciones con Llim establecido en 10 mH, 15 mH y 20 mH, y los resultados se muestran en la Figura 8. Se puede observar que un Llim más grande proporciona un mejor rendimiento de limitación de corriente, pero también conduce a costos operativos más altos.

2.3 Mejora del Limitador de Corriente de Cortocircuito Tipo Puente Semicontrolado
En la configuración mostrada en la Figura 6, T₁ y T₂ están continuamente activados en condiciones de operación normales. Una vez que se detecta una falla de cortocircuito, el circuito de control apaga tanto T₁ como T₂. Al colocar un único interruptor controlable T en la ruta común del puente para reemplazar a T₁ y T₂, se puede lograr una efectividad similar en la limitación de corriente. Esta modificación reduce el número de componentes de interruptores controlables, disminuye los costos y simplifica la complejidad del circuito. El diagrama esquemático se muestra en la Figura 9.

3 Conclusión
Este artículo presenta varios tipos de limitadores de corriente de cortocircuito tipo puente. Al cascar las características de un limitador de corriente de falla superconductor tipo puente convencional con un limitador de corriente de falla superconductor resistivo, se pueden limitar eficazmente tanto los valores pico como estacionarios de las corrientes de cortocircuito. Además, aprovechando las características de transición S/N (superconductor a normal) de los materiales superconductores, el sistema integra la detección de fallas, el disparo y la limitación de corriente en una sola unidad, ofreciendo una respuesta rápida y alta confiabilidad.

En los últimos años, con el rápido desarrollo y la aplicación práctica de la tecnología de electrónica de potencia y los dispositivos electrónicos de potencia de alta capacidad, los limitadores de corriente de cortocircuito no superconductores tipo puente, compuestos por interruptores electrónicos de potencia convencionales e inductores, han ganado ventajas en confiabilidad y rentabilidad debido a la ausencia de tecnología superconductora compleja. Los resultados de la simulación demuestran que ambos tipos de limitadores de corriente logran un excelente rendimiento de limitación de corriente, confirmando la viabilidad de los enfoques propuestos de limitación de corriente.

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