Limitación da corrente de curto circuito nos sistemas eléctricos e a aplicación dos limitadores de corrente de fallo (FCL)

0 Introducción​
Con o desenvolvemento dos sistemas eléctricos e a crecente demanda de carga, a integración de unidades xeradoras de gran capacidade e equipos de subestación—especialmente a emerxencia de grandes centrais eléctricas en centros de carga e a interconexión de grandes sistemas eléctricos—ha levado inevitabelmente a un aumento continuo nos niveis de corrente de curto circuito. Sen medidas de limitación efectivas, esta tendencia non só aumentaría significativamente a inversión en equipos para novas subestacións, senón que tamén afectaría gravemente as liñas de comunicación e tuberías das instalacións existentes, posiblemente requirindo fondos substanciais para renovación e actualización.

Nas etapas iniciais do desenvolvemento do sistema, cando a capacidade do sistema é pequena e os niveis de corrente de curto circuito son baixos, o aumento da corrente de curto circuito pode abordarse xeralmente substituíndo os dispositivos de conmutación—outros equipos de subestación xeralmente teñen suficiente margen nesta etapa. No entanto, cando a capacidade do sistema eléctrico é grande, os niveis de curto circuito son altos e a corrente de curto circuito continua aumentando debido á interconexión do sistema ou á expansión adicional da capacidade, simplemente substituír os interruptores xa non é suficiente. As subestacións existentes poden requerir non só a substitución de interruptores, senón tamén a melora ou substitución de transformadores principais, interruptores de manobra, transformadores de instrumentos, barras, aisladores, estruturas, fundacións e sistemas de aterramento. Ademais, as liñas de comunicación poden precisar ser blindadas ou incluso convertidas en cables de comunicación subterraneos.

Debido a diversos factores, as novas unidades xeradoras de gran capacidade e as centrais eléctricas seguen integrándose na rede de 220kV, levando a un aumento excesivamente rápido nos niveis de corrente de curto circuito. A capacidade de interrupción e o desempeño de estabilidade dinámica de numerosos interruptores de 220kV—incluso de toda a subestación—xa non poiden coincidir coa elevación dos niveis de curto circuito, creando graves desafíos técnicos e económicos. Polo tanto, a investigación sobre a limitación da corrente de curto circuito é urgentemente necesaria.

​1 Medidas Tradicionais de Limitación de Corrente e as súas Limitacións​
A limitación da corrente de curto circuito pode abordarse desde as perspectivas da estrutura do sistema, a operación e o equipo. As medidas tradicionais inclúen as seguintes categorías, pero cada unha ten limitacións significativas:

• ​a. Axitación da Estrutura da Rede​
  Inclúe o desenvolvemento de redes de maior voltaxe, a división de redes de baixo voltaxe/barras e a separación da rede.
• Desenvolvemento de redes de maior voltaxe: Requiere grandes inversións e implica preocupacións ambientais.
• División/separación de redes de baixo voltaxe: Fácil de implementar con efectos significativos de limitación de corrente, pero reduce as márgenes de seguridade do sistema e limita a flexibilidade operativa, sendo adecuado só para escenarios necesarios.
• ​b. Tecnoloxía de Interconexión DC​
  A interconexión DC pode reducir significativamente as correntes de curto circuito, pero a inversión en estacións conversoras en ambos os extremos é extremadamente alta. Para interconexións curtas con baixo intercambio de potencia, esta solución non é económicamente viable.
• ​c. Transformadores de Alta Impedancia​
  O uso de transformadores de alta impedancia para limitar as correntes de curto circuito no lado de baixo voltaxe é unha medida comúnmente adoptada. No entanto, estes transformadores presentan maiores perdas durante a operación estable, afectando a economía do sistema.
• ​d. Reactores en Serie​
  Os reactores en serie, con tecnoloxía de fabricación madura e efectos claros de limitación de corrente, xa están en uso en sistemas auxiliares de centrais eléctricas e subestacións de 10–35kV. No entanto, a súa aplicación en sistemas de ultra-alto voltaxe aumenta as perdas da rede e reduce a estabilidade do sistema, limitando a súa idoneidade.
• ​e. Expansión de Capacidade de Equipos e Reforma​
  A substitución de interruptores e a reforma de subestacións existentes para manejar correntes de curto circuito máis altas abordan directamente o problema, pero implican unha alta inversión e construción complexa, resultando en baixa eficiencia económica e oportunidade.

Dadas as significativas limitacións das medidas tradicionais, o desenvolvemento de novos dispositivos de limitación de corrente adaptados aos sistemas eléctricos modernos se volviu imperativo. O Limitador de Corrente de Fallo (FCL) surxuiu como unha solución e tamén é un compoñente importante dos Sistemas Flexibles de Transmisión AC (FACTS).

​2 Aplicación de Limitadores de Corrente de Fallo (FCL) en Sistemas Eléctricos​

​2.1 Modelo e Principios Básicos do FCL​
O principio básico do FCL deriva da tecnoloxía de limitación de corrente por reactores en serie, mellorada con electrónica de potencia para superar as desvantaxes dos reactores en serie tradicionais (por exemplo, altas perdas en estado estable e impacto na estabilidade do sistema). O seu modelo central pode abstractarse como: "Ningunha reactividad en operación normal; rápida inserción de reactividad durante fallos para limitar a corrente."

• Operación normal: Dispositivo de conmutación pechado, impedancia equivalente do FCL preto de cero, sen impacto no sistema.
• Condición de fallo: O conmutador abre rapidamente, insertando o reactor de limitación de corrente para suprimir a corrente de curto circuito.

Os compoñentes centrais do FCL inclúen catro elementos clave:

1. Elemento de detección rápida de corrente de fallo: Monitoriza a corrente do sistema en tempo real e identifica rapidamente os fallos de curto circuito.
2. Dispositivo de conmutación rápido: Actúa rapidamente durante os fallos para cambiar entre os estados "sin reactividad" e "con reactividad".
3. Reactor de limitación de corrente: Componente central de limitación de corrente, suprimindo a corrente de curto circuito a través da impedancia.
4. Elemento de protección contra sobretensión: Previne a sobretensión durante a conmutación de fallos, protexendo o equipo do sistema.

​2.2 Funcións e Requisitos de Diseño do FCL​

​2.2.1 Funcións Centrais do FCL​
O FCL ofrece un novo enfoque para a limitación de corrente de fallo en sistemas eléctricos e é un compoñente crítico dos sistemas eléctricos modernos. As súas vantaxes inclúen:

• Reducción da carga nos interruptores: Os niveis de voltaxe máis altos corresponden a correntes de fallo maiores e máis difíciles de interromper. O FCL reduce directamente a corrente de interrupción dos interruptores, alargando a vida útil do equipo.
• Melhora da estabilidade do sistema: A rápida limitación da corrente de curto circuito reduce as caídas de tensión nas liñas e as probabilidades de desincronización dos xeradores, mellorando a estabilidade do ángulo de potencia, a tensión e a frecuencia.
• Aumento da utilización do equipo e das liñas: Se o FCL actúa antes de que a corrente de curto circuito atinja o seu pico, reduce os requisitos de límites de estabilidade térmica e dinámica, aumentando así a capacidade real de transmisión das liñas.
• Optimización da calidade da tensión: A rápida limitación da corrente antes da limpeza do fallo acorta a duración da caída de tensión nas liñas non fallecidas, asegurando a estabilidade da tensión da rede.
• Reducción da interferencia con as instalacións circundantes: A limitación da corrente de curto circuito en redes de alto voltaxe reduce a interferencia electromagnética con as liñas de comunicación e os sistemas de señalización ferroviaria próximos.

​2.2.2 Requisitos de Diseño para o FCL​
Para adaptarse ás características de operación do sistema eléctrico, o FCL debe cumprir os seguintes estándares de deseño:

• Non ter impacto no sistema durante a operación normal (caída de tensión preto de cero).
• Resposta rápida durante os fallos (dentro de 1-2 ms), limitando tanto a corrente de pico como a corrente de estado estable de curto circuito, sen efectos secundarios como sobretensión.
• Reinicio automático despois da limpeza do fallo sen intervención manual.
• Non interferir coa lóxica de operación normal dos relés de protección.
• Costo razonable e alta relación coste-beneficio, satisfacendo as necesidades de aplicación de enxeñaría utilitaria.

​2.3 Comparación de Varios Esquemas de Implementación de FCL​

​2.3.1 Comparación de Esquemas​

• ​Conclusión: Os FCL baseados en novos materiais (especialmente superconductores) e os FCL baseados en electrónica de potencia son actualmente as soluciones óptimas. O primeiro é simple e fiable, pero limitado pola tecnoloxía de materiais; o último ofrece un forte control, e con a diminución do costo da electrónica de potencia, xa se tornou factible en enxeñaría, sendo a dirección de I+D máis prometedora.

​2.5 Direccións Futuras de Investigación para o FCL​
A investigación futura sobre o FCL debe centrarse en "optimización de rendemento, integración de funcións e adaptación en enxeñaría." As direccións clave inclúen:

1. Convertidores de impedancia continuamente axustables: Ir máis alá da actual limitación de "impedancia de dous estados (cero ou infinito)" para desenvolver convertidores de impedancia axustables de forma continua que se adapten dinamicamente a unha impedancia máis alta con corrientes de fallo maiores. Estes deben incorporar tamén compensación do factor de potencia e absorción de sobretensión, combinados con teorías de control (por exemplo, retroalimentación negativa, control PID) para mellorar a automatización do sistema.
2. Integración con controladores FACTS: Desenvolver dispositivos de control comprehensivos que combinen o FCL con outros componentes FACTS (por exemplo, SVG, SVC) para mellorar a rentabilidade global e avanzar nos sistemas de transmisión y distribución AC controlables.
3. Avances tecnolóxicos clave:
• Mecanismos de impacto do FCL na estabilidade do sistema eléctrico.
• Lóxica de coordinación entre o FCL e os relés de protección.
• Optimización de sistemas de detección de señales de fallo ultrarrápidos e controladores.
• Efectos do FCL na calidade da enerxía (por exemplo, armónicos, fluctuacións de tensión) e medidas de mitigación.

​3 Conclusión​

• a. A limitación da corrente de curto circuito en sistemas eléctricos converteuse nun tema crítico que require resolución urgente. Como novo dispositivo de protección, o Limitador de Corrente de Fallo (FCL) ofrece unha solución efectiva, e o desenvolvemento de FCL adaptados a redes modernas ten un valor teórico e enxeñeirol significativo.
• b. Os FCL baseados en electrónica de potencia xa posúen unha base teórica e factibilidad en enxeñaría. O seu excelente rendemento de control e a diminución do costo dos dispositivos de electrónica de potencia indican amplias perspectivas de desenvolvemento.
• c. Con o avance do desenvolvemento de tecnoloxías FACTS/CusPow, o FCL—como membro clave da familia FACTS—non debe só abordar independentemente os problemas de limitación de corrente en redes de transmisión e distribución, senón tamén colaborar con outros controladores FACTS para promover o desenvolvemento de sistemas de transmisión e distribución AC controlables.