Anàlisi de la fiabilitat dels limitadors de corrent de falla en subestacions d'alta tensió

1 Introducció

Per satisfer la demanda creixent d'energia elèctrica, els sistemes de generació, transmissió i distribució d'electricitat han de desenvolupar-se en conseqüència. Un dels problemes crítics que sorgeix d'aquest desenvolupament és l'augment ràpid de les corrents de curtcircuït. L'increment de les corrents de curtcircuït porta diversos perills:

• superescalfament dels dispositius connectats en sèrie al llarg del camí de la falla;
• aument de les tensions transitòries i de recuperació durant la interrupció de la corrent, que poden deteriorar els sistemes d'aislament;
• generació de forces mecàniques extremadament elevades en l'equipament basat en bobines (p. ex., transformadors, generadors, reactances);
• possibles instabilitats del sistema depenent de la magnitud i el temps de supressió de la corrent de falla;
• els interruptors existents podrien no ser capaços d'interrumpir la corrent de falla incrementada, necessitant substitucions costoses en temps i diners; per evitar aquests gastos, es poden limitar els transformadors paral·lels o reduir la connectivitat del sistema, comprometent la capacitat de transmissió i la fiabilitat del sistema;
• les corrents de falla més elevades prolonguen les accions correctives, causant interrupcions més llargues i pèrdues econòmiques més grans;
• reducció de la fiabilitat de la xarxa.

Actualment, hi ha tres solucions principals disponibles per mitigar aquests efectes:

• construir estructures de xarxa amb una probabilitat mínima de falla;
• utilitzar interruptors amb una capacitat d'interrupció més elevada o substituir els interruptors més febles amb uns més capacitats;
• modificar la xarxa per reduir els nivells de curtcircuït. Normalment, es fa servir una combinació d'aquestes solucions per assolir un disseny òptim de la xarxa mentre es manté la fiabilitat del sistema dins límits acceptables. No obstant això, la possibilitat de falles mai pot ser totalment eliminada, i dissenyar equipament elèctric basant-se en corrents de curtcircuït cada vegada més elevades no és comercialment pràctic. La tercera solució es pot dividir més en:
  • reduir la connectivitat del sistema (p. ex., divisió de barres);
  • aplicar limitadors de corrent de falla (FCLs).

La substitució d'interruptors amb una capacitat d'interrupció més elevada és una solució costosa i pot no ser factible en alguns casos. A més, els sistemes de protecció mostren retards en la detecció de falles basades en les especificacions del relé. L'operació dels interruptors i l'extinció de l'arc no són instantànies, requereixen típicament 3-5 cicles per eliminar completament una falla. Per tant, les corrents de falla sovint no poden ser interrompudes en els primers 2-8 cicles després d'una falla. Durant aquest període, corrents molt elevades flueixen a través dels dispositius en sèrie al llarg del camí de la falla, i fins i tot aquesta breu durada pot ser destructiva, especialment durant el primer cicle quan la component DC de la corrent de falla és particularment alta.

La divisió de barres i la reducció de la connectivitat del sistema poden considerar-se com alternatives per abordar aquest problema. No obstant això, introduïxen altres reptes operatius, com la reducció de la capacitat de transmissió, la modificació del flux de potència i l'augment de pèrdues. La necessitat de FCLs surt de la necessitat de protegir equipaments costosos i vulnerables. Generalment, totes les estratègies FCL proposades es basen en inserir una impedància elevada en el camí en sèrie durant una falla, diferenciant-se només en la implementació. Les característiques desitjades d'un FCL ideal són normalment:

• una impedància molt baixa en condicions normals del sistema elèctric;
• inserció d'una impedància elevada durant una falla;
• operació ràpida per limitar la component DC de la corrent de falla;
• capacitat per múltiples operacions en un curt període i auto-recuperació;
• no introduir harmonics al sistema elèctric;
• minimització de les sobretensions transitòries;
• alta fiabilitat.

2 Fiabilitat dels Limitadors de Corrent de Falla

L'aplicació de FCLs en subestacions generalment està motivada per dues raons principals:

• evitar la solució costosa de substituir els interruptors instal·lats amb uns que tinguin una major capacitat de curtcircuït;
• mantenir la topologia de la subestació i evitar la divisió de barres degut a qüestions operatives o de fiabilitat. Actualment, no hi ha fonts o referències fiables sobre les característiques de fiabilitat dels FCLs; per tant, en aquest estudi, ens proposem analitzar aquesta qüestió tenint en compte les característiques tècniques. Alguns FCLs utilitzen tecnologies molt complexes, que poden reduir la seva fiabilitat.

Hi ha diversos tipus de FCLs, entre els quals els FCLs resonants i superconductors són més prominents.

A. FCLs Resonants

S'han proposat diverses configuracions per als FCLs resonants. Generalment, es classifiquen com a FCLs resonants en sèrie i FCLs resonants en paral·lel. Els FCLs resonants posseeixen diverses característiques favorables per a la limitació de falles, incloent-hi:

• Operació sense interrupció de la corrent;
• Resposta ràpida a les falles;
• Capacitat per portar la corrent de curtcircuït durant la durada de la falla;
• Capacitat de reinici.

No obstant això, els FCLs resonants solen consistir en diversos components, i la fiabilitat global depèn de la correcta operació de cada component. A més, alguns FCLs resonants requereixen un dispositiu d'activació extern, volent dir que són necessaris components addicionals per detectar el curtcircuït i iniciar l'activació. Això augmenta la complexitat del sistema i redueix la fiabilitat. Per tant, els FCLs auto-activats són evidentment més fiables.

B. FCLs Superconductors

En comparació amb els FCLs resonants, els FCLs superconductors requereixen menys components i són auto-activats. La estratègia de limitació de la corrent de falla és simple i es basa en el comportament natural dels materials superconductors. La superconductivitat només existeix a temperatures molt baixes, per tant, els FCLs superconductors requereixen equipament addicional de refrigeració, augmentant els costos d'inversió. El concepte proposat en aquest article es limita a avaluar l'impacte de l'aplicació de FCLs en la fiabilitat de la subestació.

3 Modes de Falta dels FCLs

Com altres components en les subestacions d'alta tensió, els FCLs presenten diferents modes de falta que s'han de tenir en compte quan s'avalua la fiabilitat de les subestacions de transmissió que incorporen FCLs. Aquesta secció compara les taxes de falla de diferents tipus de FCLs.

Hi ha una relació fonamental entre la fiabilitat d'un sistema complet i el nombre dels seus subsistemes, tots els quals han de funcionar correctament per aconseguir la funció global desitjada.

• A. Modes de falla actius
• B. Modes de falla passius
• C. Modes de falla fixos

Evidentment, els FCLs que requereixen un sistema d'activació (FCLs activats externament) tenen taxes de falla més elevades. En general, qualsevol FCL que impliqui activació o commutació implica operacions seqüencials de diversos dispositius de commutació, requerint sincronització i coordinació precises, augmentant significativament la complexitat en comparació amb els interruptors convencionals.

En els FCLs resonants (tots activats externament i auto-activats), els modes de falla fixos poden sorgir a causa de variacions en les característiques dels elements resonants provocades per canvis en les condicions d'operació, com la temperatura, o l'operació en condicions no nòminals.

Els FCLs superconductors només presenten aquests modes de falla en refredament excessiu, que rarament ocorre. Per tant, es pot dir que els FCLs superconductors essencialment no tenen aquest mode de falla. En la majoria dels casos, els FCLs superconductors es poden dissenyar amb paràmetres previsibles i resistir milers de cicles d'activació i recuperació. A més, utilitzar FCLs més petits en lloc de més grans pot millorar tant la fiabilitat com la capacitat de limitació de corrent. La Taula 1 compara breument les taxes d'ocurrència de diferents modes de falla en diversos tipus de FCLs.

4 Aplicació Pràctica

Es fa servir una subestació d'exemple mostrada a la Figura 1 per avaluar l'impacte de la implementació de FCLs en la fiabilitat de la subestació. Es sap que, durant la manteniment, és pràctica comuna utilitzar interruptors de secció de barra per gestionar esquemes de protecció i millorar la flexibilitat de les configuracions de subestacions. Quan el nivell de corrent de falla en una subestació supera la capacitat d'interrupció dels interruptors, la substitució de l'interruptor de secció de barra amb un FCL es converteix en una solució viable. De fet, l'Inter-Bus FCL és una de les aplicacions més comunes dels FCLs.

Suposem que totes les càrregues connectades a la barra de 330 kV són idèntiques. L'avaluació de la fiabilitat es centra en la Càrrega 1 a l'esquerra de la barra de 330 kV i la Càrrega 5 a la dreta de la barra de 330 kV. La fiabilitat de la càrrega s'avalua utilitzant els índexos següents: (1) Probabilitat de pèrdua de la càrrega (%); (2) Temps d'interrupció anual (U). Es suposa que la barra de 330 kV és totalment fiable. Per evitar càlculs innecessaris, no es consideren els modes de falla que impliquen la falla simultània de més de tres components. Com que la taxa d'ocurrència d'aquests modes de falla és molt baixa, aquesta suposició no introdueix errors significatius.

La Taula 2 mostra les taxes de falla i els temps de reparació dels components. Per a l'anàlisi inicial, comencem calculant els índexos de fiabilitat associats a la barra de 330 kV de l'esquerra. Per fer una comparació informada i completa, teòricament, hauríem de calcular els índexos de fiabilitat per a tots els punts de càrrega de L1 a L7. No obstant això, atès que aquestes càrregues són similars i connectades a la mateixa barra, tindran modes de falla similars. Per tant, només cal calcular els índexos de fiabilitat per al Punt de Càrrega 1 (L1) a la barra de l'esquerra i el Punt de Càrrega 5 (L5) a la barra de la dreta.

Com s'ha mencionat anteriorment, es fan servir dos índexos probabilístics per a l'anàlisi: la probabilitat de pèrdua de la càrrega (en f/any) i el temps d'interrupció anual (en hores/any, A). Aquests índexos s'avaluen en el cas d'una falla d'un sol component.

En el cas de la falla simultània de dos components, la taxa de falla equivalent (λₑ), la durada mitjana de l'interrupció (r) i el temps d'interrupció anual (u) es expressen de la manera següent:

En el cas de la falla simultània a tres nivells, es expressa de la manera següent:

Considerant tots els modes de falla, es poden calcular la taxa de falla total i el temps d'interrupció anual total de la manera següent:

La Taula 3 mostra els resultats de l'anàlisi de fiabilitat per a les càrregues.

Ara, es realitza el mateix càlcul per als alimentadors de l'altra barra de 230 kV. La Taula 4 mostra els resultats relacionats amb el punt de càrrega LS.

5 Conclusió

Aquest article presenta l'aplicació dels limitadors de corrent de falla (FCLs) per millorar la fiabilitat de les subestacions, descriu el model matemàtic i el procediment per al càlcul de la fiabilitat, i avalu