Limitador de corrente de fallo e os seus tipos

Introdución ao limitador de corrente de fallo

Nos últimos tempos, coa crecente demanda de enerxía, o desenvolvemento robusto na xeración e transmisión de enerxía eléctrica adquiriu unha importancia significativa e converteuse nunha necesidade fundamental. No obstante, en calquera sistema de xeración de enerxía, os curtos circuitos representan un dos problemas máis persistentes e desafiadores, e o seu impacto está intensificándose á medida que a escala da xeración se expande. Os problemas causados polas correntes de fallo ou curto son multifacéticos:

• Tensión térmica no equipo: Exértese unha tensión térmica insoportable no equipo eléctrico, o que pode levar ao desgaste prematuro, danos e incluso falla de compoñentes.

• Interferencia electrodinámica: Unha multitud de forzas electrodinámicas dentro do circuito interrompen o funcionamento normal dos instrumentos, afectando a súa precisión e fiabilidade.

• Restriccions tecnolóxicas e económicas: Para protecer o circuito de danos, son necesarios interruptores de circuito máis eficientes. Esta demanda non só presenta obstáculos tecnolóxicos, senón que tamén impón restriccións económicas significativas.

• Riscos de seguridade: As preocupacións de seguridade son entre os problemas máis apremiantes, xa que os curtos circuitos supónen unha ameaza directa para as vidas do persoal e a integridade da infraestrutura eléctrica.

• Complicacións de transitorios de voltaxe: Os curtos circuitos exacerbán o problema de transitorios de voltaxe durante as operacións de conmutación, facéndoos máis críticos e difíciles de xestionar.

Dadas estas dificultades, o desenvolvemento de sistemas máis avanzados e precisos para abordar os curtos circuitos converteuse en imperativo. Este artigo explorará varias aproximacións que se propuxeron e implementaron para mitigar o impacto das correntes de fallo.

Aproximacións

As seguintes son algunhas das métodos que están a ser investigados activamente ou xa están en uso práctico, dependendo das súas características específicas e aplicacións:

• Reactancia limitadora de corrente (CLR): Xeralmente recoñecida pola súa efectividade na limitación de correntes de fallo.

• Limitador de corrente de estado sólido: Unha tecnoloxía emergente que mostra gran promesa, pero que aínda está nas fases iniciais de investigación e desenvolvemento.

• Limitadores de corrente superconductores: Estes dispositivos aproveitan as propiedades únicas dos superconductores para limitar a corrente, e como os limitadores de estado sólido, están nas fases iniciais de desenvolvemento.

• Fusibles: Un método tradicional pero confiable para protexer os circuitos interrompendo a corrente cando esta excede un determinado límite.

• División de barras en subestacións: Un enfoque práctico que axuda a reducir as correntes de fallo alterando a configuración eléctrica da subestación.

• Implementación de transformadores de alta impedancia: Estes transformadores poden utilizarse para aumentar a impedancia no circuito, limitando así a magnitude das correntes de fallo.

• Uso de reactores nucleares para limitar a corrente: Aínda que é un enfoque non convencional, a investigación exploro o potencial dos reactores nucleares para contribuír aos mecanismos de limitación de corrente.

Entre estas técnicas, o uso de dispositivos de estado sólido e superconductores aínda está na fase de desenvolvemento. Ao implementar calquera sistema para abordar problemas de curto-circuito, deben terse en conta dous aspectos clave:

Estratexias para a mitigación de correntes de fallo en subestacións e redes de distribución

Colocación e cantidade de reactancias limitadoras

Dúas cuestións cruciais no campo da enxeñaría eléctrica están relacionadas coa colocación óptima de reactancias limitadoras dentro das subestacións e a rede de distribución, así como a determinación do número ideal destas reactancias necesarias para xestionar eficazmente as correntes de fallo. Estas decisións requiren un entendemento comprehensivo das características do sistema eléctrico, os requisitos de carga e os posibles escenarios de fallo.

Reactancia Limitadora de Corrente (CLR)

A Reactancia Limitadora de Corrente destaca como unha das solucións máis económicas e prácticas para a xestión de correntes de fallo. O seu impacto na fiabilidade da subestación é mínimo, facéndoa unha opción favorable para moitos sistemas eléctricos. No obstante, ten certas desvantaxes. O hardware físico das CLRs é xeralmente grande, ocupando un espazo significativo dentro da subestación. Ademais, a presenza de CLRs pode levar a unha degradación na estabilidade de voltaxe, que debe monitorizarse e xestionarse con atención.

Limitador de Corrente de Fallo de Estado Sólido

Os Limitadores de Corrente de Fallo de Estado Sólido están actualmente na fase de investigación e desenvolvemento. Ofrecen a vantaxe de ser relativamente fáciles de integrar nos sistemas de distribución. No entanto, o seu alto custo actúa como un gran disuasor, impedindo a súa implementación generalizada a gran escala. Os investigadores están a traballar activamente para reducir os custos e mellorar o seu rendemento para facelos máis viables para uso comercial.

Fusible

Os fusibles son dispositivos altamente efectivos e eficientes para interromper a corrente, facéndoos adecuados para usarse como limitadores de corrente. Son baratos e fáciles de instalar. No obstante, a súa efectividade está limitada polo seu capacidade nominal. Por exemplo, fusibles típicos poden estar deseñados para manexar un máximo de 40 kV e 200 A de corrente, restringindo a súa aplicación en escenarios de alta tensión e alta corrente. Os fusibles de alta capacidade de ruptura (HRC) ofrecen un rendemento mellorado, pero aínda teñen as súas propias limitacións.

Limitador de Corrente de Fallo de Barras

Os interruptores de acoplamento de barras poden empregarse como limitadores de corrente de fallo de barras, pero xeralmente consideranse unha solución temporal ou de resposta de emerxencia. Non están deseñados para ser unha instalación permanente dentro da subestación debido ás súas características operativas e limitacións.

Aplicación de Reactancia Neutral

As reactancias neutras presentan outra opción viable para a mitigación de correntes de fallo, especialmente ao lidar con correntes de terra ou tierra. O seu deseño e funcionamento fanlles particularmente efectivas en escenarios de fallo específicos relacionados con problemas eléctricos de terra.

Tipos e Características das Reactancias Limitadoras de Corrente

A Reactancia Limitadora de Corrente é unha solución ampliamente implementada e pode categorizarse en dous tipos principais:

CLR de tipo seco

As CLR de tipo seco son reactancias de núcleo de aire con bobinas de cobre. Evítase o uso dun núcleo de ferro debido ao risco de saturación, que pode comprometer o rendemento do reactor. Estes reactores son adecuados para unha variedade de aplicacións onde as condicións ambientais son relativamente limpas e secas.

CLR de tipo oleoso

As CLR de tipo oleoso comparten moitas similitudes coas súas contrapartes de tipo seco en termos de funcionalidade básica. No obstante, a súa principal diferenciación reside no seu alcance de aplicación. As CLR de tipo oleoso están especificamente deseñadas para uso en entornos altamente contaminados. O aceite utilizado nestes reactores ten unha constante dieléctrica maior comparado co aire nas reactancias de tipo seco, proporcionando unha aislación e protección melloradas en condicións adversas.

Especificacións xerais dos reactores limitadores de corrente de fallo

Frecuencia e Voltaxe: Estes reactores están deseñados para operar dentro dun rango relativamente estreito de frecuencias e voltaxes. As súas características de rendemento están optimizadas para parámetros específicos de sistemas eléctricos.

Flexibilidade de instalación: Dependendo dos requisitos de aplicación, poden instalarse tanto en interiores como en exteriores. Esta flexibilidade permite unha maior adaptabilidade en diferentes configuracións de subestación e rede de distribución.

Capacidade de cortocircuito: Están deseñados para manexar as correntes de cortocircuito dos sistemas eléctricos nos que están integrados, proporcionando capacidades efectivas de limitación de corrente durante as condicións de fallo.

Estabilidade transitória e reactores limitadores de corrente

A estabilidade transitória xoga un papel crucial nos sistemas de enerxía eléctrica de corrente alternada (CA). Refírese á capacidade de múltiples máquinas síncronas dentro dun sistema de enerxía para permanecer sincronizadas despois da ocorrencia dun fallo. Por exemplo, nunha rede eléctrica con numerosos motores síncronos interconectados, a estabilidade transitória determina se estes motores poden continuar a funcionar en harmonía despois dunha perturbación eléctrica súbita, como un cortocircuito. Os reactores limitadores de corrente poden influir significativamente na estabilidade transitória ao reducir a magnitude das correntes de fallo, minimizando así as tensións mecánicas e eléctricas nas máquinas síncronas e aumentando a probabilidade de que o sistema mantenga a estabilidade durante e despois dun evento de fallo.

Reactores limitadores de corrente baseados en supercondutores

Os Limitadores de Corrente de Fallo Supercondutores (SFCLs) ofrecesen unha solución altamente práctica para mellorar a estabilidade transitória dos sistemas de enerxía, equilibrando eficazmente as consideracións técnicas e económicas. A propiedade única dos supercondutores, que exhiben unha resistencia extremadamente alta non linear, os converte en candidatos ideais para usar como Limitadores de Corrente de Fallo (FCLs).

Unha das principais vantaxes dos SFCLs está na capacidade dos supercondutores de aumentar rapidamente a súa resistencia e transicionar sinuosamente dun estado supercondutor, onde a resistencia eléctrica é esencialmente cero, a un estado de conducción normal. Este cambio rápido na resistencia permite que o SFCL responda rapidamente ás correntes de fallo, limitando a súa magnitude e, polo tanto, salvagardando a integridade do sistema de enerxía.

Para entender mellor a funcionalidade dos SFCLs, considere o seguinte exemplo dun motor conectado dentro dun sistema eléctrico e a colocación estratégica dun limitador de corrente de fallo.

Optimización por enxambre de partículas

A Optimización por Enxambre de Partículas (PSO) exhibe notáveis paralelos con métodos de computación evolutiva como os Algoritmos Xenéticos (GA). Inicialmente, a PSO inicializa unha poboación de soluciones candidatas aleatorias dentro dun espazo de busca. Estas solucións, a miúdo conceptualizadas como "partículas," navegán a través do espazo de busca, actualizando iterativamente as súas posicións e velocidades. A través deste proceso dinámico de autoaxuste e interacción con partículas veciñas, o sistema explora sistemáticamente o espazo de solución, converxindo gradualmente cara a soluciones óptimas ou quase óptimas.