Limitación de la Corriente de Cortocircuito en Sistemas Eléctricos y la Aplicación de Limitadores de Corriente de Falla (FCL)

0 Introducción​
Con el desarrollo de los sistemas de energía y el aumento de la demanda de carga, la integración de unidades generadoras de gran capacidad y equipos de subestaciones, especialmente la aparición de grandes centrales eléctricas en los centros de carga y la interconexión de grandes sistemas de energía, ha llevado inevitablemente a un aumento continuo en los niveles de corriente de cortocircuito. Sin medidas efectivas de limitación, esta tendencia no solo aumentaría significativamente la inversión en equipos para nuevas subestaciones, sino que también tendría un impacto severo en las líneas de comunicación y tuberías de las instalaciones existentes, requiriendo fondos sustanciales para su renovación y actualización.

En las etapas iniciales del desarrollo del sistema, cuando la capacidad del sistema es pequeña y los niveles de corriente de cortocircuito son bajos, el aumento de las corrientes de cortocircuito puede abordarse generalmente reemplazando los dispositivos de conmutación, ya que otros equipos de subestación a menudo tienen suficiente margen en esta etapa. Sin embargo, cuando la capacidad del sistema de energía es grande, los niveles de cortocircuito son altos y las corrientes de cortocircuito continúan aumentando debido a la interconexión del sistema o a una mayor expansión de la capacidad, simplemente reemplazar los interruptores ya no es suficiente. Las subestaciones existentes pueden requerir no solo el reemplazo de interruptores, sino también mejoras o reemplazos de transformadores principales, seccionadores, transformadores de instrumentación, barras, aisladores, estructuras, cimentaciones y sistemas de tierra. Además, las líneas de comunicación pueden necesitar blindaje o incluso convertirse en cables de comunicación subterráneos.

Debido a diversos factores, nuevas unidades generadoras de gran capacidad y centrales eléctricas continúan integrándose en la red de 220kV, lo que lleva a un aumento excesivamente rápido en los niveles de corriente de cortocircuito. La capacidad de interrupción y el rendimiento de estabilidad dinámica de numerosos interruptores de 220kV, e incluso de subestaciones enteras, ya no pueden coincidir con los crecientes niveles de cortocircuito, creando serios desafíos técnicos y económicos. Por lo tanto, se necesita urgentemente investigar la limitación de la corriente de cortocircuito.

​1 Medidas Tradicionales de Limitación de Corriente y Sus Limitaciones​
La limitación de la corriente de cortocircuito puede abordarse desde las perspectivas de la estructura del sistema, la operación y el equipo. Las medidas tradicionales incluyen las siguientes categorías, pero cada una tiene limitaciones significativas:

• ​a. Ajuste de la Estructura de la Red​
  Incluye el desarrollo de redes de voltaje más alto, la división de redes/barras de bajo voltaje y la separación de la red.
• Desarrollo de redes de voltaje más alto: Requiere inversiones importantes y plantea preocupaciones ambientales.
• División/separación de redes de bajo voltaje: Fácil de implementar con efectos de limitación de corriente significativos, pero reduce los márgenes de seguridad del sistema y limita la flexibilidad operativa, siendo adecuado solo para escenarios necesarios.
• ​b. Tecnología de Interconexión DC​
  La interconexión DC puede reducir significativamente las corrientes de cortocircuito, pero la inversión en estaciones de conversión en ambos extremos es extremadamente alta. Para interconexiones cortas con un intercambio de potencia bajo, esta solución no es económicamente viable.
• ​c. Transformadores de Alta Impedancia​
  El uso de transformadores de alta impedancia para limitar las corrientes de cortocircuito en el lado de bajo voltaje es una medida comúnmente adoptada. Sin embargo, estos transformadores presentan mayores pérdidas durante la operación en estado estable, afectando la economía del sistema.
• ​d. Reactancias en Serie​
  Las reactancias en serie, con tecnología de fabricación madura y efectos de limitación de corriente claros, ya se utilizan en sistemas auxiliares de plantas de energía y subestaciones de 10-35kV. Sin embargo, su aplicación en sistemas de ultra-alto voltaje aumenta las pérdidas de la red y reduce la estabilidad del sistema, limitando su idoneidad.
• ​e. Expansión de Capacidad y Modernización de Equipos​
  Reemplazar interruptores y modernizar subestaciones existentes para manejar corrientes de cortocircuito más altas aborda directamente el problema, pero implica una alta inversión y construcción compleja, resultando en una baja eficiencia económica y oportunidad.

Dadas las limitaciones significativas de las medidas tradicionales, se ha vuelto imperativo desarrollar nuevos dispositivos de limitación de corriente adaptados a los sistemas de energía modernos. El Limitador de Corriente de Falla (FCL) ha surgido como una solución y también es un componente importante de los Sistemas de Transmisión Alternada Flexible (FACTS).

​2 Aplicación de los Limitadores de Corriente de Falla (FCL) en Sistemas de Energía​

​2.1 Modelo y Principios Básicos del FCL​
El principio básico del FCL se deriva de la tecnología de limitación de corriente por reactancias en serie, mejorada con electrónica de potencia para superar las desventajas de las reactancias en serie tradicionales (por ejemplo, altas pérdidas en estado estable y efectos en la estabilidad del sistema). Su modelo central puede abstraerse como: "Sin reactancia en operación normal; inserción rápida de reactancia durante fallas para limitar la corriente."

• Operación normal: Dispositivo de conmutación cerrado, impedancia equivalente del FCL cerca de cero, sin impacto en el sistema.
• Condición de falla: El conmutador se abre rápidamente, insertando la reactancia de limitación de corriente para suprimir la corriente de cortocircuito.

Los componentes centrales del FCL incluyen cuatro elementos clave:

1. Elemento de detección de corriente de falla rápida: Monitorea la corriente del sistema en tiempo real e identifica rápidamente las fallas de cortocircuito.
2. Dispositivo de conmutación rápido: Actúa rápidamente durante las fallas para cambiar entre los estados de "sin reactancia" y "con reactancia".
3. Reactancia de limitación de corriente: Componente central de limitación de corriente, que suprime la corriente de cortocircuito a través de la impedancia.
4. Elemento de protección contra sobretensión: Previene la sobretensión durante la conmutación de fallas, protegiendo el equipo del sistema.

​2.2 Funciones y Requisitos de Diseño del FCL​

​2.2.1 Funciones Centrales del FCL​
El FCL proporciona un nuevo enfoque para la limitación de la corriente de falla en los sistemas de energía y es un componente crítico de los sistemas de energía modernos. Sus ventajas incluyen:

• Reducción de la carga de los interruptores: Los niveles de voltaje más altos corresponden a corrientes de falla más grandes y difíciles de interrumpir. El FCL reduce directamente la corriente de interrupción de los interruptores, extendiendo la vida útil del equipo.
• Mejora de la estabilidad del sistema: La limitación rápida de las corrientes de cortocircuito reduce las caídas de tensión en las líneas y la probabilidad de desincronización de los generadores, mejorando la estabilidad del ángulo de potencia, el voltaje y la frecuencia.
• Aumento de la utilización de equipos y líneas: Si el FCL actúa antes del pico de la corriente de cortocircuito, reduce los requisitos de límites térmicos y dinámicos, aumentando así la capacidad de transmisión real de las líneas.
• Optimización de la calidad del voltaje: La limitación rápida de la corriente antes de la eliminación de la falla acorta la duración de la caída de tensión en las líneas no afectadas, asegurando la estabilidad del voltaje de la red.
• Reducción de la interferencia con las instalaciones circundantes: La limitación de las corrientes de cortocircuito en las redes de alto voltaje reduce la interferencia electromagnética con las líneas de comunicación y los sistemas de señalización ferroviaria cercanos.

​2.2.2 Requisitos de Diseño para el FCL​
Para adaptarse a las características operativas de los sistemas de energía, el FCL debe cumplir con los siguientes estándares de diseño:

• No tener impacto en el sistema durante la operación normal (caída de tensión cercana a cero).
• Respuesta rápida durante las fallas (dentro de 1-2 ms), limitando tanto la corriente de pico como la corriente de estado estable sin efectos secundarios como sobretensiones.
• Reinicio automático después de la eliminación de la falla sin intervención manual.
• No interferir con la lógica de operación normal de los relés de protección.
• Costo razonable y alta relación costo-beneficio, satisfaciendo las necesidades de aplicación de ingeniería de utilidades.

​2.3 Comparación de Varios Esquemas de Implementación del FCL​

​2.3.1 Comparación de Esquemas​

• ​Conclusión: Los FCL basados en nuevos materiales (especialmente superconductores) y en electrónica de potencia son actualmente las soluciones óptimas. El primero es simple y confiable, pero limitado por la tecnología de materiales; el segundo ofrece un fuerte control, y con la disminución del costo de la electrónica de potencia, se ha vuelto factible en ingeniería, convirtiéndose en la dirección de I+D más prometedora.

​2.5 Direcciones de Investigación Futura para el FCL​
La investigación futura sobre el FCL debería centrarse en "optimización de rendimiento, integración funcional y adaptación a la ingeniería." Las direcciones clave incluyen:

1. Convertidores de impedancia ajustable continuamente: Superar la limitación actual de "impedancia de dos estados (cero o infinito)" para desarrollar convertidores de impedancia ajustable continuamente que se adapten dinámicamente a una impedancia más alta con corrientes de falla más grandes. Estos también deberían incorporar compensación del factor de potencia y absorción de sobretensiones, combinados con teorías de control (por ejemplo, retroalimentación negativa, control PID) para mejorar la automatización del sistema.
2. Integración con controladores FACTS: Desarrollar dispositivos de control integral que combinen el FCL con otros componentes FACTS (por ejemplo, SVG, SVC) para mejorar la rentabilidad general y avanzar en los sistemas de transmisión y distribución AC controlables.
3. Avances tecnológicos clave:
• Mecanismos de impacto del FCL en la estabilidad del sistema de energía.
• Lógica de coordinación entre el FCL y los relés de protección.
• Optimización de los sistemas de detección de señales de falla ultrarrápida y controladores.
• Efectos del FCL en la calidad de la energía (por ejemplo, armónicos, fluctuaciones de tensión) y medidas de mitigación.

​3 Conclusión​

• a. La limitación de la corriente de cortocircuito en los sistemas de energía se ha convertido en un problema crítico que requiere una resolución urgente. Como un nuevo dispositivo de protección, el Limitador de Corriente de Falla (FCL) ofrece una solución efectiva, y el desarrollo de FCL adaptados a las redes modernas tiene un valor teórico e ingenieril significativo.
• b. Los FCL basados en electrónica de potencia ya poseen una base teórica y factibilidad ingenieril. Su excelente rendimiento de control y la disminución del costo de los dispositivos electrónicos de potencia indican amplias perspectivas de desarrollo.
• c. Con el avance del desarrollo de las tecnologías FACTS/CusPow, el FCL, como miembro clave de la familia FACTS, no solo debe abordar independientemente los problemas de limitación de corriente en las redes de transmisión y distribución, sino también colaborar con otros controladores FACTS para promover aún más el desarrollo de los sistemas de transmisión y distribución AC controlables.