Análisis de la Fiabilidad de Limitadores de Corriente de Falla en Subestaciones de Alta Tensión

1 Introducción

Para satisfacer la demanda creciente de energía eléctrica, los sistemas de generación, transmisión y distribución de electricidad deben desarrollarse en consecuencia. Uno de los problemas críticos que surgen de este desarrollo es el aumento rápido de las corrientes de cortocircuito. El incremento de las corrientes de cortocircuito conduce a varios peligros:

• sobrecalentamiento de los dispositivos conectados en serie a lo largo de la ruta del fallo;
• aumento de los voltajes transitorios y de recuperación durante la interrupción de la corriente, lo que puede dañar los sistemas de aislamiento;
• generación de fuerzas mecánicas extremadamente altas en equipos basados en bobinas (por ejemplo, transformadores, generadores, reactores);
• posible inestabilidad del sistema dependiendo de la magnitud y el tiempo de eliminación de la corriente de fallo;
• los interruptores de circuito existentes pueden ya no ser capaces de interrumpir la corriente de fallo aumentada, lo que requiere reemplazos costosos en tiempo y dinero; para evitar estos gastos, se pueden limitar los transformadores de potencia en paralelo o reducir la interconexión del sistema, lo que compromete la capacidad de transmisión y la confiabilidad del sistema;
• las corrientes de fallo aumentadas prolongan las acciones correctivas, lo que lleva a interrupciones más largas y pérdidas económicas mayores;
• reducción de la confiabilidad de la red.

Actualmente, hay tres soluciones principales disponibles para mitigar estos efectos:

• construcción de estructuras de red con mínima probabilidad de fallo;
• uso de interruptores de circuito con mayor capacidad de interrupción o reemplazo de interruptores débiles por otros más capaces;
• modificación de la red para reducir los niveles de cortocircuito. Generalmente, se emplea una combinación de estas soluciones para lograr un diseño óptimo de la red mientras se mantiene la confiabilidad del sistema dentro de límites aceptables. Sin embargo, la posibilidad de fallos nunca puede eliminarse por completo, y diseñar equipos de potencia basados en corrientes de cortocircuito cada vez mayores es comercialmente impráctico. La tercera solución puede subdividirse en:
  • reducción de la interconexión del sistema (por ejemplo, división de barras);
  • aplicación de limitadores de corriente de fallo (FCLs).

Reemplazar interruptores de circuito con mayor capacidad de interrupción es una solución costosa y puede no ser factible en ciertos casos. Además, los sistemas de protección presentan retrasos en la detección de fallos según las especificaciones de los relés. La operación del interruptor de circuito y la extinción del arco no son instantáneas, generalmente requieren 3-5 ciclos para eliminar completamente un fallo. En consecuencia, las corrientes de fallo generalmente no pueden interrumpirse dentro de los primeros 2-8 ciclos después de que ocurra un fallo. Durante este período, fluyen corrientes muy altas a través de los dispositivos en serie en la ruta del fallo, y incluso esta breve duración puede ser destructiva, especialmente durante el primer ciclo cuando la componente DC de la corriente de fallo es particularmente alta.

La división de barras y la reducción de la interconexión del sistema pueden considerarse como alternativas para abordar este problema. Sin embargo, introducen otros desafíos operativos, como la reducción de la capacidad de transmisión, el flujo de potencia alterado y las pérdidas aumentadas. La necesidad de FCLs surge de la necesidad de proteger equipos costosos y vulnerables. Generalmente, todas las estrategias propuestas de FCLs se basan en insertar una impedancia alta en la ruta en serie durante un fallo, diferenciándose solo en la implementación. Las características deseadas de un FCL ideal son típicamente:

• impedancia muy baja bajo condiciones normales del sistema de potencia;
• inserción de impedancia alta durante un fallo;
• operación rápida para limitar la componente DC de la corriente de fallo;
• capacidad para múltiples operaciones en un corto período de tiempo y auto-recuperación;
• no introducir armónicos al sistema de potencia;
• minimización de los sobretensiones transitorias;
• alta confiabilidad.

2 Confiabilidad de los Limitadores de Corriente de Fallo

La aplicación de FCLs en subestaciones generalmente está motivada por dos razones principales:

• evitar la solución costosa de reemplazar los interruptores de circuito instalados con aquellos que tienen mayor capacidad de cortocircuito;
• mantener la topología de la subestación y evitar la división de barras debido a cuestiones operativas o de confiabilidad. Actualmente, no hay fuentes o referencias confiables disponibles sobre las características de confiabilidad de los FCLs; por lo tanto, en este estudio, nos proponemos analizar este tema considerando las características técnicas. Algunos FCLs emplean tecnologías altamente complejas, lo que puede reducir su confiabilidad.

Existen diversos tipos de FCLs, entre los cuales los FCLs resonantes y superconductores son más prominentes.

A. FCLs Resonantes

Se han propuesto numerosas configuraciones para FCLs resonantes. Generalmente se clasifican como FCLs resonantes en serie y FCLs resonantes en paralelo. Los FCLs resonantes poseen varias características favorables para la limitación de fallos, incluyendo:

• Operación sin interrupción de corriente;
• Respuesta rápida a los fallos;
• Capacidad para soportar la corriente de cortocircuito durante la duración del fallo;
• Capacidad de reinicio.

Sin embargo, los FCLs resonantes generalmente consisten en múltiples componentes, y la confiabilidad general depende de la correcta operación de cada componente. Además, algunos FCLs resonantes requieren un dispositivo de disparo externo, lo que significa que se necesitan componentes adicionales para detectar el cortocircuito e iniciar el disparo. Esto aumenta la complejidad del sistema y reduce la confiabilidad. Por lo tanto, los FCLs autodisparados son evidentemente más confiables.

B. FCLs Superconductores

En comparación con los FCLs resonantes, los FCLs superconductores requieren menos componentes y son autodisparados. La estrategia de limitación de corriente de fallo es simple y se basa en el comportamiento natural de los materiales superconductores. La superconductividad existe solo a temperaturas muy bajas, por lo que los FCLs superconductores requieren equipo adicional de enfriamiento, lo que aumenta los costos de inversión. El concepto propuesto en este artículo se limita a evaluar el impacto de la aplicación de FCLs en la confiabilidad de la subestación.

3 Modos de Fallo de los FCLs

Al igual que otros componentes en subestaciones de alta tensión, los FCLs exhiben diferentes modos de fallo que deben considerarse al evaluar la confiabilidad de las subestaciones de transmisión que incorporan FCLs. Esta sección compara las tasas de fallo de diferentes tipos de FCLs.

Existe una relación fundamental entre la confiabilidad de un sistema completo y el número de sus subsistemas, todos los cuales deben funcionar correctamente para lograr la función global deseada.

• A. Modos de fallo activos
• B. Modos de fallo pasivos
• C. Modos de fallo fijos

Claramente, los FCLs que requieren un sistema de disparo (FCLs disparados externamente) tienen tasas de fallo más altas. En general, cualquier FCL que involucre disparo o conmutación implica operaciones secuenciales de múltiples dispositivos de conmutación, lo que requiere sincronización y coordinación precisas, aumentando significativamente la complejidad en comparación con los interruptores de circuito convencionales.

En los FCLs resonantes (tanto disparados externamente como autodisparados), los modos de fallo fijos pueden surgir debido a variaciones en las características de los elementos resonantes causadas por cambios en las condiciones de operación, como la temperatura, o la operación bajo condiciones no nominales.

Los FCLs superconductores solo exhiben tales modos de fallo bajo enfriamiento excesivo, lo cual rara vez ocurre. Por lo tanto, se puede decir que los FCLs superconductores, en esencia, no tienen este modo de fallo. En la mayoría de los casos, los FCLs superconductores pueden diseñarse con parámetros predecibles y resistir miles de ciclos de activación y recuperación. Además, el uso de FCLs más pequeños en lugar de más grandes puede mejorar tanto la confiabilidad como la capacidad de limitación de corriente. La Tabla 1 compara brevemente las tasas de ocurrencia de diferentes modos de fallo en varios tipos de FCLs.

4 Aplicación Práctica

Una subestación de muestra mostrada en la Figura 1 se utiliza para evaluar el impacto de la implementación de FCLs en la confiabilidad de la subestación. Es bien sabido que durante el mantenimiento, el uso de interruptores de circuito de sección de barra para gestionar los esquemas de protección y mejorar la flexibilidad de las configuraciones de subestación es una práctica común. Cuando el nivel de corriente de fallo en una subestación excede la capacidad de interrupción de los interruptores de circuito, reemplazar el interruptor de sección de barra con un FCL se convierte en una solución viable. De hecho, el FCL Inter-Bus es una de las aplicaciones más comunes de los FCLs.

Suponga que todas las cargas conectadas a la barra de 330 kV son idénticas. La evaluación de la confiabilidad se centra en la Carga 1 en la barra de 330 kV izquierda y la Carga 5 en la barra de 330 kV derecha. La confiabilidad de la carga se evalúa utilizando los siguientes índices: (1) Probabilidad de pérdida de carga (%); (2) Tiempo de interrupción anual (U). Se asume que la barra de 330 kV es totalmente confiable. Para evitar cálculos innecesarios, no se consideran los modos de fallo que involucran la falla simultánea de más de tres componentes. Dado que la tasa de ocurrencia de tales modos de fallo es muy baja, esta suposición no introduce un error significativo.

La Tabla 2 muestra las tasas de fallo y los tiempos de reparación de los componentes. Para el análisis inicial, comenzamos calculando los índices de confiabilidad asociados con la barra de 330 kV izquierda. Para hacer una comparación informada y completa, teóricamente, deberíamos calcular los índices de confiabilidad para todos los puntos de carga desde L1 hasta L7. Sin embargo, dado que estas cargas son similares y están conectadas a la misma barra, tendrán modos de fallo similares. Por lo tanto, solo necesitamos calcular los índices de confiabilidad para el Punto de Carga 1 (L1) en la barra izquierda y el Punto de Carga 5 (L5) en la barra derecha.

Como se mencionó anteriormente, se utilizan dos índices probabilísticos para el análisis: probabilidad de pérdida de carga (en f/año) y tiempo de interrupción anual (en horas/año, A). Estos índices se evalúan para el caso de un solo fallo de componente.

Para el caso de fallo simultáneo de dos componentes, la tasa de fallo equivalente (λₑ), la duración promedio de interrupción (r) y el tiempo de interrupción anual (u) se expresan como sigue:

Para el caso de fallo simultáneo en tres niveles, se expresa como sigue:

Considerando todos los modos de fallo, la tasa de fallo total y el tiempo de interrupción anual total se pueden calcular como sigue:

La Tabla 3 muestra los resultados del análisis de confiabilidad para las cargas.

Ahora, se realiza el mismo cálculo para los alimentadores en la otra barra de 230 kV. La Tabla 4 muestra los resultados relacionados con el punto de carga LS.

5 Conclusión

Este artículo presenta la aplicación de limitadores de corriente de fallo (FCLs) para mejorar la confiabilidad de las subestaciones, describe el modelo matemático y el procedimiento para el cálculo de la confiabilidad, y evalúa el impacto de la implementación de FCLs en la confiabilidad de las subestaciones. Los resultados indican que la confiabilidad de las subestaciones se mejora mediante el uso de FCLs. También se realiza un análisis de sensibilidad para examinar la influencia de varios parámetros, como la tasa de fallo activo, la tasa de fallo pasivo y el tiempo de reparación del FCL, en los índices de confiabilidad.