Solução Colaborativa para Limitador de Corrente de Falha (FCL) e Recolocação Automática Monofásica (SPAR) em Redes Elétricas EHV do Sudeste Asiático

1. Introdução: Contexto e Significância da Pesquisa​
   Com o rápido desenvolvimento económico no Sudeste Asiático, as redes elétricas continuam a expandir-se e as cargas a aumentar. Isto levou a que as correntes de curto-circuito do sistema se aproximem ou até excedam os limites de capacidade de interrupção dos disjuntores, ameaçando seriamente a segurança e a estabilidade das operações da rede elétrica. Ao mesmo tempo, as linhas de transmissão de extra-alta tensão (EAT) servem como espinha dorsal para as interconexões regionais de energia. Mais de 70% das falhas são falhas de aterramento monofásico, e cerca de 80% destas são falhas transitórias (por exemplo, raios, objetos estranhos levados pelo vento). A tecnologia de religação automática monofásica (SPAR) é um método chave para a rápida eliminação de falhas, restauração do fornecimento de energia e garantia da estabilidade e confiabilidade da rede.

Limitadores de Corrente de Falha (FCLs), particularmente os FCLs do tipo descarga de arrester de óxido metálico (MOA) custo-eficazes, são medidas eficazes para suprimir as correntes de curto-circuito e têm sido gradualmente aplicados em redes EAT. No entanto, a pesquisa existente tem-se concentrado principalmente no impacto dos FCLs na estabilidade transitória do sistema e na proteção relé, negligenciando seus possíveis efeitos adversos sobre as taxas de sucesso da SPAR. Esta proposta visa preencher essa lacuna de pesquisa, realizando uma análise aprofundada da interação entre FCLs e SPAR, e propondo um conjunto de estratégias de controle colaborativo adequadas para as redes elétricas do Sudeste Asiático. Essas estratégias garantem tanto a limitação eficaz da corrente quanto o fornecimento confiável de energia.

​1. Princípio de Funcionamento do FCL do Tipo Descarga de Arrester de Óxido Metálico​
Este tipo de FCL consiste principalmente nos seguintes componentes, que trabalham em coordenação para alcançar a função central de "baixa impedância durante a operação normal e alta impedância durante as falhas":

Fluxo de Trabalho: Durante a operação normal do sistema, Lf e Cf ressoam → impedância do FCL é quase zero → sem impacto no fluxo de potência. Quando ocorre uma falha de curto-circuito, o MOA age rapidamente para curto-circuitar o Cf → o reator limitador de corrente L é inserido no sistema para suprimir a corrente de curto-circuito → a lacuna de disparo rompe e envia um sinal para fechar o interruptor de bypass K → após K fechar, ele desvia a corrente para proteger o MOA.

​2. Análise do Problema: Efeitos Adversos do FCL na Corrente do Arco Secundário e na SPAR​
A corrente do arco secundário é a corrente que continua a manter o ponto de falha após o disjuntor da fase de falha abrir durante a operação da SPAR, sustentada por acoplamento eletromagnético e eletrostático das fases saudáveis. A magnitude e características desta corrente determinam diretamente se o arco de falha pode extinguir-se sozinho, o que é crucial para o sucesso da SPAR.

Análise de simulação (baseada em EMTP, com parâmetros do modelo referenciando um sistema de 500 kV do sul da China) mostra que a instalação de um FCL pode introduzir novos problemas:

• Impacto do Timing do Interruptor de Bypass (K): Se o interruptor de bypass K estiver aberto quando o disjuntor dispara, a corrente do arco secundário incluirá um componente de grande amplitude (até 225 A), decaimento lento e frequência muito baixa (aproximadamente 3–3.25 Hz). Este componente de baixa frequência reduz significativamente o número de cruzamentos de zero de corrente, tornando difícil a extinção do arco e diminuindo notavelmente as taxas de sucesso da SPAR.
• Impacto da Resistência do Caminho do Arco (Rg): Quando a resistência de transição no ponto de falha é grande (por exemplo, 300 Ω), a corrente de curto-circuito é pequena, o que pode impedir que o FCL no final da linha seja ativado (o MOA não atinge a tensão de operação). Neste caso, o Cf permanece sem ser curto-circuitado e forma um circuito de oscilação de baixa frequência com o reator shunt da linha, gerando um componente de baixa frequência prejudicial à extinção do arco.

​3. Investigação do Mecanismo: Origem do Componente de Baixa Frequência​
Análise teórica usando redes de impedância equivalente e transformadas de Laplace revela o mecanismo por trás do componente de baixa frequência:
A causa raiz é o capacitor Cf no FCL. Após o disjuntor disparar e a fase de falha ser isolada, a energia armazenada no Cf descarrega-se através do reator shunt e da resistência do arco no ponto de falha. Este circuito de descarga forma um circuito de oscilação de baixa frequência, com uma frequência de oscilação (aproximadamente 3 Hz) determinada principalmente pelo Cf e pelos parâmetros do reator shunt da linha, independentemente da localização da falha. Esta oscilação de baixa frequência só é eliminada quando o interruptor de bypass K permanece fechado, curto-circuitando completamente o Cf.

​4. Solução Central: Estratégia de Coordenação de Timing para FCL e SPAR​
Para garantir a limitação eficaz da corrente pelo FCL sem afetar a SPAR, esta proposta sugere a seguinte estratégia de coordenação de timing precisa, com duração total controlada em 0.66–0.73 segundos:

Cerne da Estratégia: Use o sinal de disparo do disjuntor da proteção relé como um comando para forçar o fechamento rápido do interruptor de bypass K e mantê-lo fechado durante todo o período de queima do arco secundário (aproximadamente 0.2 segundos). Isso curto-circuita eficazmente o Cf, eliminando completamente o componente de oscilação de baixa frequência na corrente do arco secundário e criando condições favoráveis para a extinção do arco.

​5. Eficácia e Vantagens do Esquema​
Simulações EMTP verificam que esta estratégia de coordenação de timing alcança o seguinte:

1. Eliminação do Dano de Baixa Frequência: Elimina completamente o componente de 3 Hz de baixa frequência na corrente do arco secundário, evitando seus efeitos adversos na extinção do arco.
2. Otimização das Características de Extinção do Arco: Reduz o tempo de extinção do arco secundário em aproximadamente 4.5% e diminui a corrente do componente de frequência de rede em 10.5%, melhorando significativamente as taxas de sucesso da SPAR.
3. Compatibilidade e Confiabilidade: A estratégia não afeta as características originais de recuperação de tensão do sistema e equilibra a segurança do FCL (protegendo o MOA) com as necessidades de recuperação rápida.
4. Fácil Implementação: Baseada em sinais de proteção existentes, a estratégia requer modificações mínimas aos sistemas secundários, é de baixo custo e adequada para projetos EAT existentes ou novos nos países do Sudeste Asiático.

​6. Conclusão e Recomendações​
Para as redes EAT do Sudeste Asiático planejadas ou já equipadas com FCLs do tipo descarga de arrester de óxido metálico, é essencial dar alta importância ao potencial problema de oscilação de baixa frequência nas correntes de arco secundário, que pode reduzir as taxas de sucesso da SPAR e ameaçar a confiabilidade do fornecimento de energia.