Análise da Fiabilidade de Limitadores de Corrente de Defecto en Subestacións de Alta Tensión

1 Introdución

Para satisfacer a demanda crecente de enerxía eléctrica, os sistemas de xeración, transmisión e distribución deben desenvolverse en consecuencia. Un dos problemas críticos que surxen deste desenvolvemento é o aumento rápido das correntes de cortocircuito. O aumento das correntes de cortocircuito conduce a varios perigos:

• sobrecalentamento dos dispositivos conectados en serie ao longo da ruta do fallo;
• aumento das tensións transitórias e de recuperación durante a interrupción da corrente, que poden danar os sistemas de aislamento;
• xeración de forzas mecánicas extremadamente altas no equipo baseado en bobinas (por exemplo, transformadores, xeradores, reactores);
• inestabilidade potencial do sistema dependendo da magnitude e do tempo de limpeza da corrente de fallo;
• os interruptores existentes poden non ser capaces de interromper a corrente de fallo aumentada, necesitando substitucións costosas en tempo e dinero; para evitar tais gastos, pode limitarse o número de transformadores paralelos ou reducir a interconexión do sistema, comprometendo a capacidade de transmisión e a fiabilidade do sistema;
• as correntes de fallo aumentadas prolongan as accións correctivas, levando a interrupcións máis longas e a maiores perdas económicas;
• redución da fiabilidade da rede.

Actualmente, están dispoñibles tres soluciones principais para mitigar estes efectos:

• construír estruturas de rede con mínima probabilidade de fallo;
• utilizar interruptores con maior capacidade de interrupción ou substituír interruptores débiles por outros máis capaces;
• modificar a rede para reducir os niveis de cortocircuito. Xeralmente, emprega-se unha combinación destas solucións para lograr un deseño óptimo da rede mantendo a fiabilidade do sistema dentro de límites aceptables. No entanto, a posibilidade de fallos nunca pode eliminarse completamente, e deseñar equipamento de enerxía baseado en correntes de cortocircuito cada vez maiores é comercialmente impracticable. A terceira solución pode dividirse adicionalmente en:
  • reducir a interconexión do sistema (por exemplo, división de barras);
  • aplicar limitadores de corrente de fallo (FCLs).

A substitución de interruptores con maior capacidade de interrupción é unha solución cara e pode non ser factible en determinados casos. Ademais, os sistemas de protección exhiben retardo na detección de fallos baseada nas especificacións dos relés. A operación do interruptor e a extinción do arco non son instantáneas, requirindo xeralmente 3-5 ciclos para limpar completamente un fallo. En consecuencia, as correntes de fallo xeralmente non poden interromperse nos primeiros 2-8 ciclos despois dun fallo. Durante este período, fluyen correntes moi altas a través dos dispositivos en serie na ruta do fallo, e mesmo esta breve duración pode ser destructiva, especialmente durante o primeiro ciclo cando a compoñente DC da corrente de fallo é particularmente alta.

A división de barras e a redución da interconexión do sistema poden considerarse como alternativas para abordar este problema. No entanto, introducen outros desafíos operativos, como a redución da capacidade de transmisión, o cambio do fluxo de potencia e o aumento das perdas. A necesidade de FCLs surge da necesidade de protexer equipamentos caros e vulnerables. Xeralmente, todas as estratexias propostas de FCLs baseanse en inserir alta impedancia no camiño en serie durante un fallo, diferenciándose só na implementación. As características desexadas dun FCL ideal son xeralmente:

• impedancia moi baixa nas condicións normais do sistema de enerxía;
• inserción de alta impedancia durante un fallo;
• operación rápida para limitar a compoñente DC da corrente de fallo;
• capacidade para múltiples operacións nun curto período de tempo e autorrecuperación;
• non introducir harmónicos no sistema de enerxía;
• minimización de sobretensións transitórias;
• alta fiabilidade.

2 Fiabilidade dos Limitadores de Corrente de Fallo

A aplicación de FCLs en subestacións xeralmente está motivada por dúas razóns principais:

• evitar a solución cara de substituír interruptores instalados por outros con maior capacidade de cortocircuito;
• mantener a topoloxía da subestación e evitar a división de barras debido a problemas operativos ou de fiabilidade. Actualmente, non hai fontes ou referencias fiables sobre as características de fiabilidade dos FCLs; polo tanto, neste estudo, pretendemos analizar este tema tendo en conta as características técnicas. Algúns FCLs empregan tecnoloxías moi complexas, que poden reducir a súa fiabilidade.

Hai varios tipos de FCLs, entre os cales os FCLs resonantes e supercondutores son máis prominentes.

A. FCLs Resonantes

Propuxéronse moitas configuracións para FCLs resonantes. Xeralmente clasifícanse como FCLs resonantes en serie e FCLs resonantes en paralelo. Os FCLs resonantes posúen varias características favorables para a limitación de fallos, incluíndo:

• operación sen interrupción da corrente;
• resposta rápida aos fallos;
• capacidade para levar a corrente de cortocircuito durante a duración do fallo;
• capacidade de reinicio.

No entanto, os FCLs resonantes xeralmente consisten en múltiples componentes, e a fiabilidade global depende do correcto funcionamento de cada componente. Ademais, algúns FCLs resonantes requiren un dispositivo de disparo externo, significando que se necesitan componentes adicionais para detectar o cortocircuito e iniciar o disparo. Isto aumenta a complexidade do sistema e reduce a fiabilidade. Polo tanto, os FCLs autodisparados son evidentemente máis fiables.

B. FCLs Supercondutores

En comparación cos FCLs resonantes, os FCLs supercondutores requiren menos componentes e son autodisparados. A estratexia de limitación de corrente de fallo é simple e basease no comportamento natural dos materiais superconductores. A superconductividade só existe a temperaturas moi baixas, polo que os FCLs supercondutores requiren equipamento de refrixeración adicional, aumentando os custos de investimento. O concepto proposto neste artigo limitase a avaliar o impacto da aplicación de FCLs na fiabilidade da subestación.

3 Modos de Fallo dos FCLs

Como outros componentes nas subestacións de alta tensión, os FCLs exhiben diferentes modos de fallo que deben considerarse ao avaliar a fiabilidade das subestacións de transmisión que incorporan FCLs. Esta sección compara as taxas de fallo de diferentes tipos de FCLs.

Existe unha relación fundamental entre a fiabilidade dun sistema completo e o número dos seus subsistemas, todos os cales deben funcionar correctamente para lograr a función global deseada.

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

Claramente, os FCLs que requiren un sistema de disparo (FCLs disparados externamente) teñen maiores taxas de fallo. En xeral, calquera FCL que implica disparo ou conmutación implica operacións secuenciais de múltiples dispositivos de conmutación, que requiren sincronización e coordinación precisas, aumentando significativamente a complexidade en comparación co interruptores convencionais.

Nos FCLs resonantes (tanto disparados externamente como autodisparados), os modos de fallo fixos poden aparecer debido ás variacións nas características dos elementos resonantes causadas por cambios nas condicións de operación, como a temperatura, ou a operación en condicións non nominais.

Os FCLs supercondutores só exhiben tales modos de fallo baixo refrixeración excesiva, que raras veces ocorre. Así, pode dicirse que os FCLs supercondutores esencialmente non teñen este modo de fallo. En moitos casos, os FCLs supercondutores poden deseñarse con parámetros previsibles e resistir miles de ciclos de activación e recuperación. Ademais, o uso de FCLs máis pequenos en lugar de maiores pode mellorar tanto a fiabilidade como a capacidade de limitación de corrente. A táboa 1 compara brevemente as taxas de ocorrencia de diferentes modos de fallo en varios tipos de FCLs.

4 Aplicación Práctica

Utilízase unha subestación de mostra mostrada na Fig. 1 para avaliar o impacto da implementación de FCLs na fiabilidade da subestación. É ben coñecido que durante a manutención, o uso de interruptores de sección de barra para xestionar esquemas de protección e aumentar a flexibilidade das configuracións de subestacións é práctica común. Cando o nivel de corrente de fallo nunha subestación excede a capacidade de interrupción dos interruptores, a substitución do interruptor de sección de barra por un FCL converteuse nunha solución viable. De feito, o FCL Inter-Bus é unha das aplicacións máis comúns de FCLs.

Supóñase que todas as cargas conectadas á barra de 330 kV son idénticas. A avaliación da fiabilidade centrase na Carga 1 na barra de 330 kV da esquerda e na Carga 5 na barra de 330 kV da dereita. A fiabilidade da carga evalúase utilizando os seguintes índices: (1) Probabilidade de perda de carga (%); (2) Tempo de interrupción anual (U). Supóñese que a barra de 330 kV é totalmente fiable. Para evitar cálculos innecesarios, non se consideran os modos de fallo que implican a fallo simultáneo de máis de tres componentes. Como a taxa de ocorrencia destes modos de fallo é moi baixa, esta suposición non introduce erros significativos.

A táboa 2 amosa as taxas de fallo e os tempos de reparación dos componentes. Para a análise inicial, comezamos calculando os índices de fiabilidade asociados coa barra de 330 kV da esquerda. Para facer unha comparación informada e comprehensiva, teoricamente, deberiamos calcular os índices de fiabilidade para todos os puntos de carga dende L1 a L7. No entanto, dado que estas cargas son similares e están conectadas á mesma barra, terán modos de fallo similares. Polo tanto, só necesitamos calcular os índices de fiabilidade para o Punto de Carga 1 (L1) na barra da esquerda e o Punto de Carga 5 (L5) na barra da dereita.

Como se mencionou anteriormente, úsanse dous índices probabilísticos para a análise: probabilidade de perda de carga (en f/ano) e tempo de interrupción anual (en horas/ano, A). Estes índices evalúanse para o caso de fallo dun único componente.

Para o caso de fallo simultáneo de dous componentes, a taxa de fallo equivalente (λₑ), a duración media de interrupción (r) e o tempo de interrupción anual (u) expresanse como segue:

Para o caso de fallo simultáneo a tres niveis, exprese como segue:

Considerando todos os modos de fallo, a taxa de fallo total e o tempo de interrupción anual total poden calcularse como segue:

A táboa 3 amosa os resultados da análise de fiabilidade para as cargas.

Agora, realiza o mesmo cálculo para os alimentadores na outra barra de 230 kV. A táboa 4 amosa os resultados relacionados co punto de carga LS.

5 Conclusión

Este artigo presenta a aplicación de limitadores de corrente de fallo (FCLs) para mellorar a fiabilidade das subestacións, describe o modelo matemático e o procedemento para o cálculo da fiabilidade, e evalúa o impacto da implementación de FCLs na fiabilidade das subestacións. Os resultados indican que a fiabilidade das subestacións mellora co uso de FCLs. Tamén se realiza unha análise de sensibilidade para examinar a influencia de diversos parámetros, como a taxa de fallo activo, a taxa de fallo pasivo e o tempo de reparación do FCL, nos índices de fiabilidade.