Limitació de la corrent de curcuit tancat en sistemes elèctrics i l'aplicació de limitadors de corrent de fallada (FCL)

0 Introducció​
Amb el desenvolupament dels sistemes elèctrics i l'augment de la demanda de càrrega, la integració d'unitats de generació de gran capacitat i equips de subestacions—especialment l'emergència de grans centrales en centres de càrrega i la interconnexió de grans sistemes elèctrics—ha inevitablement portat a un augment continu dels nivells de corrent de curtcircuí. Sense mesures eficients de limitació, aquesta tendència no només incrementaria significativament la inversió en equipaments per a noves subestacions, sinó que també afectaria greument les línies de comunicació i els conductes existents, requereixent fons substancials per a la renovació i millora.

A les primeres etapes del desenvolupament del sistema, quan la capacitat del sistema és petita i els nivells de corrent de curtcircuí són baixos, l'increment dels corrents de curtcircuí pot solucionar-se sovint reemplaçant dispositius commutadors—els altres equips de subestació sovint tenen marge suficient en aquesta fase. No obstant això, quan la capacitat del sistema elèctric és gran, els nivells de curtcircuí són alts i els corrents de curtcircuí continuen augmentant degut a la interconnexió del sistema o a l'ampliació addicional de la capacitat, simplement reemplaçar els interruptors ja no és suficient. Les subestacions existents podrien requerir no només el reemplaçament d'interruptors, sinó també millorar o reemplaçar transformadors principals, interruptors, transformadors de mesura, barres, aïllants, estructures, fundaments i sistemes de terra. A més, les línies de comunicació podrien necessitar blindatge o fins i tot convertir-se a cables de comunicació soterranis.

Per diversos factors, es continuen integrant noves unitats de generació de gran capacitat i centrales a la xarxa de 220kV, provocant un augment excessivament ràpid dels nivells de corrent de curtcircuí. La capacitat d'interrupció i el rendiment de la estabilitat dinàmica de nombrosos interruptors de 220kV—i fins i tot de totes les subestacions—ja no poden igualar els nivells creixents de curtcircuí, creant seris reptes tècnics i econòmics. Per tant, cal urgentment investigar la limitació dels corrents de curtcircuí.

​1 Mesures de Limitació Tradicionals de Corrents de Curtcircuí i les Seves Limitacions​
La limitació dels corrents de curtcircuí es pot abordar des de la perspectiva de l'estructura del sistema, l'operació i l'equipament. Les mesures tradicionals inclouen les següents categories, però cada una té limitacions significatives:

• ​a. Ajust de l'Estructura de la Xarxa​
  Inclou el desenvolupament de xarxes de tensió superior, la divisió de xarxes/barras de baixa tensió i la separació de la xarxa.
• Desenvolupament de xarxes de tensió superior: Requereix grans inversió i implica preocupacions ambientals.
• Divisió/separació de xarxes de baixa tensió: Fàcil de implementar amb efectes significatius de limitació de corrent, però redueix els marges de seguretat del sistema i limita la flexibilitat operativa, fent-lo adequat només per escenaris necessaris.
• ​b. Tecnologia d'Interconnexió DC​
  L'interconnexió DC pot reduir significativament els corrents de curtcircuí, però la inversió en estacions conversores als dos extrems és extremadament alta. Per a interconnexions curtes amb intercanvi de potència baix, aquesta solució no és econòmicament viable.
• ​c. Transformadors d'Alta Impedància​
  Utilitzar transformadors d'alta impedància per limitar els corrents de curtcircuí al costat de baixa tensió és una mesura comunament adoptada. No obstant això, aquests transformadors presenten pèrdues més altes durant l'operació en estat estable, afectant l'economia del sistema.
• ​d. Reactors en Sèrie​
  Els reactors en sèrie, amb tecnologia de fabricació madura i efectes de limitació clars, ja s'utilitzen en sistemes auxiliars de centrales elèctriques i subestacions de 10–35kV. No obstant això, la seva aplicació en sistemes de ultra-alta tensió augmenta les pèrdues de la xarxa i redueix la estabilitat del sistema, limitant-ne la idoneïtat.
• ​e. Ampliació de Capacitat i Remodelació d'Equips​
  Reemplaçar interruptors i remodelar subestacions existents per gestionar corrents de curtcircuí més alts aborda directament el problema, però implica una inversió elevada i una construcció complexa, resultant en una baixa eficiència econòmica i tempestivitat.

Davant les significatives limitacions de les mesures tradicionals, el desenvolupament de nous dispositius de limitació de corrent adaptats als sistemes elèctrics moderns ha esdevingut imperatiu. El Limitador de Corrent de Fallida (FCL) ha emergit com a solució i també és un component important dels Sistemes de Transmissió AC Flexibles (FACTS).

​2 Aplicació dels Limitadors de Corrent de Fallida (FCL) en Sistemes Elèctrics​

​2.1 Model i Principis Bàsics del FCL​
El principi bàsic del FCL deriva de la tecnologia de limitació de corrent amb reactors en sèrie, millorada amb electrònica de potència per superar els inconvenients dels reactors en sèrie tradicionals (per exemple, pèrdues altes en estat estable i impacte en la estabilitat del sistema). El seu model bàsic es pot resumir com: "Cap reactància en operació normal; inserció ràpida de reactància en cas de fallida per limitar el corrent."

• Operació normal: Dispositiu de commutació tancat, impedància equivalent del FCL propera a zero, sense impacte en el sistema.
• Condició de fallida: El commutador s'obre ràpidament, inserint el reactor de limitació de corrent per suprimir el corrent de curtcircuí.

Els components clau del FCL inclouen quatre elements essencials:

1. Element de detecció ràpida de corrent de fallida: Monitoritza el corrent del sistema en temps real i identifica ràpidament les fallides de curtcircuí.
2. Dispositiu de commutació ràpida: Actua ràpidament en cas de fallida per canviar entre els estats "sense reactància" i "amb reactància".
3. Reactor de limitació de corrent: Component central de limitació de corrent, que suprimeix el corrent de curtcircuí mitjançant la seva impedància.
4. Element de protecció contra sobretensió: Prevé la sobretensió durant la commutació en cas de fallida, protegint l'equipament del sistema.

​2.2 Funcions i Requisits de Disseny del FCL​

​2.2.1 Funcions Clau del FCL​
El FCL proporciona un nou enfocament a la limitació del corrent de fallida en els sistemes elèctrics i és un component crític dels sistemes elèctrics moderns. Les seves avantatges inclouen:

• Reducció de la càrrega dels interruptors: Nivells de tensió més alts corresponen a corrents de fallida més grans i difícils d'interrumpir. El FCL redueix directament el corrent d'interrupció dels interruptors, ampliant la vida útil de l'equipament.
• Millora de la estabilitat del sistema: La limitació ràpida dels corrents de curtcircuí redueix les caigudes de tensió en les línies i les probabilitats de desincronització dels generadors, millorant la estabilitat de l'angle de potència, la tensió i la freqüència.
• Aument de l'ús de l'equipament i les línies: Si el FCL actua abans que el corrent de curtcircuí arribi al seu màxim, redueix els requisits de límits de estabilitat tèrmica i dinàmica, augmentant així la capacitat de transmissió real de les línies.
• Optimització de la qualitat de tensió: La limitació ràpida del corrent abans de la neteja de la fallida acurta la durada de la caiguda de tensió en les línies sense fallida, assegurant la estabilitat de la tensió de la xarxa.
• Reducció de la interferència amb les instal·lacions veïnes: La limitació dels corrents de curtcircuí en xarxes de alta tensió redueix la interferència electromagnètica amb les línies de comunicació i els sistemes de senyalització ferroviària pròxims.

​2.2.2 Requisits de Disseny per al FCL​
Per adaptar-se a les característiques d'operació dels sistemes elèctrics, el FCL ha de complir els següents estàndards de disseny:

• Sense impacte en el sistema en operació normal (caiguda de tensió propera a zero).
• Resposta ràpida en cas de fallida (dins de 1-2 ms), limitant tant el pic com el corrent de curtcircuí en estat estable sense efectes secundaris com la sobretensió.
• Restabliment automàtic després de la neteja de la fallida sense intervenció manual.
• Sense interferència amb la lògica d'operació normal dels relés de protecció.
• Cost raonable i alta relació cost-benefici, satisfent les necessitats d'aplicació en enginyeria.

​2.3 Comparació de Diferents Esquemes de Implementació del FCL​

​2.3.1 Comparació d'Esquemes​

• ​Conclusió: Els FCL basats en nous materials (especialment superconductors) i els FCL basats en electrònica de potència són actualment les solucions òptimes. L'anterior és simple i fiable, però limitat per la tecnologia dels materials; l'últim ofereix un fort control, i amb la disminució dels costos de l'electrònica de potència, ha esdevingut factible enginyerísticament, fent-lo la direcció de R+D més prometedora.

​2.5 Direccions Futurs de Recerca per al FCL​
Les futures recerques sobre el FCL haurien de centrar-se en "l'optimització del rendiment, la integració de funcions i l'adaptació enginyerística." Les principals direccions inclouen:

1. Convertidors d'impedància ajustable contínuament: Allunyant-se de la limitació actual de "dos estats d'impedància (zero o infinit)" per desenvolupar convertidors d'impedància ajustable contínuament que coincideixin dinàmicament amb una major impedància amb corrents de fallida més grans. Aquests també haurien d'incorporar compensació del factor de potència i absorció de sobretensió, combinant-los amb teories de control (per exemple, retroalimentació negativa, control PID) per millorar l'automatització del sistema.
2. Integració amb controladors FACTS: Desenvolupament de dispositius de control integral que combinen el FCL amb altres components FACTS (per exemple, SVG, SVC) per millorar la relació cost-benefici global i avançar en sistemes de transmissió i distribució AC controlables.
3. Avanços tecnològics clau:
• Mecanismes d'impacte del FCL en la estabilitat del sistema elèctric.
• Lògica de coordinació entre el FCL i els relés de protecció.
• Optimització de sistemes de detecció ultra-ràpida de senyals de fallida i controladors.
• Efectes del FCL en la qualitat de l'energia (per exemple, harmònics, fluctuacions de tensió) i mesures de mitigació.

​3 Conclusió​

• a. La limitació dels corrents de curtcircuí en els sistemes elèctrics ha esdevingut un tema crític que requereix una resolució urgente. Com a nou dispositiu de protecció, el Limitador de Corrent de Fallida (FCL) ofereix una solució eficaç, i el desenvolupament de FCL adaptats a les xarxes modernes té un valor teòric i enginyerístic significatiu.
• b. Els FCL basats en electrònica de potència ja disposen d'una base teòrica i viabilitat enginyerística. El seu excel·lent rendiment de control i la disminució dels costos dels dispositius d'electrònica de potència indiquen amplis horitzons de desenvolupament.
• c. Amb l'avance del desenvolupament de tecnologies FACTS/CusPow, el FCL—com a membre clau de la família FACTS—no només hauria de tractar independentment els problemes de limitació de corrents en xarxes de transmissió i distribució, sinó que també hauria de col·laborar amb altres controladors FACTS per promoure el desenvolupament de sistemes de transmissió i distribució AC controlables.