Limitazione della corrente di cortocircuito nei sistemi elettrici e l'applicazione dei limitatori di corrente di guasto (FCL)

0 Introduzione​
Con lo sviluppo dei sistemi elettrici e l'aumento della domanda di carico, l'integrazione di unità di generazione ad alta capacità e attrezzature di sottostazioni - in particolare l'insorgere di grandi centrali elettriche nei centri di carico e l'interconnessione di grandi sistemi elettrici - ha inevitabilmente portato a un costante aumento dei livelli di corrente di cortocircuito. Senza misure efficaci di limitazione, questa tendenza non solo aumenterebbe significativamente gli investimenti in attrezzature per le nuove sottostazioni, ma avrebbe anche un impatto severo sulle linee di comunicazione e sui condotti delle attuali strutture di sottostazione, potendo richiedere fondi sostanziosi per la ristrutturazione e l'aggiornamento.

Nelle fasi iniziali dello sviluppo del sistema, quando la capacità del sistema è piccola e i livelli di corrente di cortocircuito sono bassi, l'aumento delle correnti di cortocircuito può essere generalmente affrontato sostituendo i dispositivi di commutazione - le altre attrezzature di sottostazione spesso hanno un margine sufficiente in questa fase. Tuttavia, quando la capacità del sistema elettrico è grande, i livelli di cortocircuito sono elevati e le correnti di cortocircuito continuano a crescere a causa dell'interconnessione del sistema o ulteriori espansioni di capacità, la semplice sostituzione degli interruttori non è più sufficiente. Le sottostazioni esistenti potrebbero richiedere non solo la sostituzione degli interruttori, ma anche il miglioramento o la sostituzione di trasformatori principali, seccionatori, trasformatori strumentali, barre, isolatori, strutture, fondamenta e sistemi di messa a terra. Inoltre, le linee di comunicazione potrebbero necessitare di schermatura o persino di conversione in cavi di comunicazione sotterranei.

A causa di vari fattori, nuove unità di generazione ad alta capacità e centrali elettriche continuano ad essere integrate nella rete 220kV, portando a un aumento eccessivamente rapido dei livelli di corrente di cortocircuito. La capacità di interruzione e le prestazioni di stabilità dinamica di numerosi interruttori 220kV - e persino di intere sottostazioni - non possono più corrispondere ai crescenti livelli di cortocircuito, creando gravi sfide tecniche ed economiche. La ricerca sulla limitazione della corrente di cortocircuito è quindi urgente.

​1 Misure tradizionali di limitazione della corrente e le loro limitazioni​
La limitazione della corrente di cortocircuito può essere affrontata dal punto di vista della struttura del sistema, dell'operazione e dell'attrezzatura. Le misure tradizionali includono le seguenti categorie, ma ciascuna ha significative limitazioni:

• ​a. Ristrutturazione della rete​
  Includendo lo sviluppo di reti ad alta tensione, la divisione di reti/barramenti a bassa tensione e la separazione della rete.
• Sviluppo di reti ad alta tensione: Richiede investimenti elevati e comporta preoccupazioni ambientali.
• Divisione/separazione di reti a bassa tensione: Facile da implementare con effetti di limitazione della corrente significativi, ma riduce i margini di sicurezza del sistema e limita la flessibilità operativa, rendendolo adatto solo a scenari necessari.
• ​b. Tecnologia di interconnessione in corrente continua​
  L'interconnessione in corrente continua può ridurre significativamente le correnti di cortocircuito, ma l'investimento nelle stazioni convertitrici alle due estremità è estremamente elevato. Per interconnessioni brevi con scambio di potenza basso, questa soluzione risulta economicamente non conveniente.
• ​c. Trasformatori ad alta impedenza​
  L'uso di trasformatori ad alta impedenza per limitare le correnti di cortocircuito sul lato a bassa tensione è una misura comunemente adottata. Tuttavia, questi trasformatori presentano perdite più elevate durante l'operazione in stato stazionario, influendo sulla economia del sistema.
• ​d. Reattori in serie​
  I reattori in serie, con tecnologia di fabbricazione matura ed effetti di limitazione chiari, sono già utilizzati nei sistemi ausiliari delle centrali elettriche e nelle sottostazioni 10-35kV. Tuttavia, la loro applicazione in sistemi ad ultra-alta tensione aumenta le perdite di rete e riduce la stabilità del sistema, limitandone l'idoneità.
• ​e. Espansione della capacità e riconversione dell'attrezzatura​
  La sostituzione degli interruttori e la riconversione delle sottostazioni esistenti per gestire correnti di cortocircuito più elevate affrontano direttamente il problema, ma comportano investimenti elevati e costruzioni complesse, risultando in poca efficienza economica e tempestività.

Viste le significative limitazioni delle misure tradizionali, lo sviluppo di nuovi dispositivi di limitazione della corrente adatti ai moderni sistemi elettrici è diventato imperativo. Il Limitatore di Corrente di Fault (FCL) è emerso come soluzione ed è anche un componente importante dei Sistemi di Trasmissione Alternata Flessibile (FACTS).

​2 Applicazione dei Limitatori di Corrente di Fault (FCL) nei sistemi elettrici​

​2.1 Modello e principi basilari del FCL​
Il principio basilare del FCL deriva dalla tecnologia di limitazione della corrente mediante reattori in serie, migliorata con l'elettronica di potenza per superare i difetti dei tradizionali reattori in serie (ad esempio, perdite elevate in stato stazionario e impatto sulla stabilità del sistema). Il suo modello core può essere astratto come: "Nessuna reattività in funzionamento normale; rapida inserzione di reattività durante i guasti per limitare la corrente."

• Operazione normale: Dispositivo di commutazione chiuso, impedenza equivalente del FCL vicina allo zero, nessun impatto sul sistema.
• Condizione di guasto: Rapida apertura del dispositivo, inserimento del reattore limitatore di corrente per sopprimere la corrente di cortocircuito.

I componenti core del FCL includono quattro elementi chiave:

1. Elemento di rilevamento rapido della corrente di guasto: Monitora la corrente del sistema in tempo reale e identifica rapidamente i guasti di cortocircuito.
2. Dispositivo di commutazione rapido: Agisce rapidamente durante i guasti per commutare tra stati "senza reattività" e "con reattività".
3. Reattore limitatore di corrente: Componente core di limitazione della corrente, che sopprime la corrente di cortocircuito attraverso l'impedenza.
4. Elemento di protezione contro sovratensioni: Previene le sovratensioni durante la commutazione di guasto, proteggendo l'attrezzatura del sistema.

​2.2 Funzioni e requisiti di progettazione del FCL​

​2.2.1 Funzioni core del FCL​
Il FCL offre un nuovo approccio alla limitazione della corrente di guasto nei sistemi elettrici ed è un componente critico dei moderni sistemi elettrici. I suoi vantaggi includono:

• Riduzione del carico sugli interruttori: Livelli di tensione più elevati corrispondono a correnti di guasto più grandi e difficili da interrompere. Il FCL riduce direttamente la corrente di interruzione degli interruttori, prolungando la durata della vita dell'attrezzatura.
• Miglioramento della stabilità del sistema: La rapida limitazione della corrente di cortocircuito riduce le cadute di tensione sulle linee e le probabilità di disincronizzazione dei generatori, migliorando la stabilità dell'angolo di potenza, della tensione e della frequenza.
• Aumento dell'utilizzo dell'attrezzatura e delle linee: Se il FCL agisce prima che la corrente di cortocircuito raggiunga il picco, riduce i requisiti per i limiti di stabilità termica e dinamica, aumentando così la capacità effettiva di trasmissione delle linee.
• Ottimizzazione della qualità della tensione: La rapida limitazione della corrente prima della cancellazione del guasto riduce la durata della caduta di tensione sulle linee non colpite, garantendo la stabilità della tensione della rete.
• Riduzione dell'interferenza con le strutture circostanti: La limitazione delle correnti di cortocircuito nelle reti ad alta tensione riduce l'interferenza elettromagnetica con le linee di comunicazione e i sistemi di segnalazione ferroviaria nelle vicinanze.

​2.2.2 Requisiti di progettazione per il FCL​
Per adattarsi alle caratteristiche operative del sistema elettrico, il FCL deve soddisfare i seguenti standard di progettazione:

• Nessun impatto sul sistema durante l'operazione normale (caduta di tensione vicina allo zero).
• Risposta rapida durante i guasti (entro 1-2 ms), limitando sia il picco che la corrente di cortocircuito in stato stazionario senza effetti collaterali come sovratensioni.
• Ripristino automatico dopo la cancellazione del guasto senza intervento manuale.
• Nessun interferenza con la logica operativa normale dei relè di protezione.
• Costo ragionevole e alto rapporto costo-beneficio, soddisfacendo le esigenze di applicazione dell'ingegneria di utilità.

​2.3 Confronto tra varie soluzioni di implementazione del FCL​

​2.3.1 Confronto delle soluzioni​

• ​Conclusione: I FCL basati su materiali nuovi (in particolare superconduttivi) e a elettronica di potenza sono attualmente le soluzioni ottimali. Il primo è semplice e affidabile ma limitato dalla tecnologia dei materiali; il secondo offre un forte controllo, e con il calo dei costi dell'elettronica di potenza, è diventato ingegneristicamente fattibile, rendendolo la direzione di R&S più promettente.

​2.5 Direzioni future di ricerca per il FCL​
Le future ricerche sul FCL dovrebbero concentrarsi su "ottimizzazione delle prestazioni, integrazione funzionale e adattamento ingegneristico." Le direzioni chiave includono:

1. Convertitori di impedenza regolabili in modo continuo: Andare oltre la limitazione attuale di "impedenza a due stati (zero o infinito)" per sviluppare convertitori di impedenza regolabili in modo continuo e reattivi, che abbiano impedenza maggiore con correnti di guasto più elevate. Questi dovrebbero anche incorporare compensazione del fattore di potenza e assorbimento di sovratensioni, combinati con teorie di controllo (ad esempio, feedback negativo, controllo PID) per migliorare l'automazione del sistema.
2. Integrazione con i controller FACTS: Sviluppare dispositivi di controllo complessivi che combinino FCL con altri componenti FACTS (ad esempio, SVG, SVC) per migliorare l'efficienza complessiva e avanzare verso sistemi di trasmissione e distribuzione controllati in corrente alternata.
3. Breakthrough tecnologici chiave:
• Mecanismi di impatto del FCL sulla stabilità del sistema elettrico.
• Logica di coordinazione tra FCL e relè di protezione.
• Ottimizzazione dei sistemi di rilevamento di segnali di guasto ultrarapidi e dei controller.
• Efetti del FCL sulla qualità dell'energia (ad esempio, armoniche, fluttuazioni di tensione) e misure di mitigazione.

​3 Conclusione​

• a. La limitazione della corrente di cortocircuito nei sistemi elettrici è diventata un problema critico che richiede una soluzione urgente. Come nuovo dispositivo di protezione, il Limitatore di Corrente di Fault (FCL) offre una soluzione efficace, e lo sviluppo di FCL adatti alle moderne reti ha un valore teorico e ingegneristico significativo.
• b. I FCL basati sull'elettronica di potenza possiedono già una base teorica e fattibilità ingegneristica. Le loro ottime prestazioni di controllo e la diminuzione dei costi dei dispositivi di elettronica di potenza indicano ampie prospettive di sviluppo.
• c. Con lo sviluppo avanzato delle tecnologie FACTS/CusPow, il FCL - come membro chiave della famiglia FACTS - non dovrebbe solo affrontare indipendentemente i problemi di limitazione della corrente nelle reti di trasmissione e distribuzione, ma anche collaborare con altri controller FACTS per promuovere ulteriormente lo sviluppo di sistemi di trasmissione e distribuzione controllati in corrente alternata.