Limitação da Corrente de Curto-Circuito em Sistemas Elétricos e a Aplicação de Limitadores de Corrente de Falha (FCL)

0 Introdução​
Com o desenvolvimento dos sistemas de energia e o aumento da procura, a integração de unidades geradoras de grande capacidade e equipamentos de subestações - particularmente a emergência de grandes centrais elétricas em centros de carga e a interconexão de grandes sistemas de energia - levou inevitavelmente a um aumento contínuo nos níveis de corrente de curto-circuito. Sem medidas eficazes de limitação, esta tendência não só aumentaria significativamente o investimento em equipamentos para novas subestações, mas também afetaria gravemente as linhas de comunicação e os oleodutos das instalações existentes, potencialmente exigindo fundos substanciais para renovação e atualização.

Nas fases iniciais do desenvolvimento do sistema, quando a capacidade do sistema é pequena e os níveis de corrente de curto-circuito são baixos, o aumento das correntes de curto-circuito pode ser geralmente abordado através da substituição de dispositivos comutadores - outros equipamentos de subestação geralmente têm margem suficiente nesta fase. No entanto, quando a capacidade do sistema de energia é grande, os níveis de curto-circuito são altos e as correntes de curto-circuito continuam a aumentar devido à interconexão do sistema ou à expansão adicional da capacidade, a mera substituição de disjuntores já não é suficiente. As subestações existentes podem necessitar não só da substituição de disjuntores, mas também do reforço ou substituição de transformadores principais, seccionadores, transformadores instrumentais, barras, isoladores, estruturas, fundações e sistemas de aterramento. Além disso, as linhas de comunicação podem precisar de blindagem ou mesmo de conversão para cabos de comunicação subterrâneos.

Devido a diversos fatores, novas unidades geradoras de grande capacidade e centrais elétricas continuam a ser integradas na rede de 220kV, levando a um aumento excessivamente rápido nos níveis de corrente de curto-circuito. A capacidade de interrupção e o desempenho de estabilidade dinâmica de numerosos disjuntores de 220kV - e até mesmo de subestações inteiras - já não conseguem acompanhar os níveis crescentes de curto-circuito, criando desafios técnicos e económicos sérios. Portanto, é urgentemente necessário pesquisar a limitação de corrente de curto-circuito.

​1 Medidas Tradicionais de Limitação de Corrente e Suas Limitações​
A limitação de corrente de curto-circuito pode ser abordada a partir das perspetivas da estrutura do sistema, operação e equipamento. As medidas tradicionais incluem as seguintes categorias, mas cada uma tem limitações significativas:

• ​a. Ajuste da Estrutura da Rede​
  Inclui o desenvolvimento de redes de tensão mais elevada, a divisão de redes de baixa tensão/barras e a separação da rede.
• Desenvolvimento de redes de tensão mais elevada: Requer investimentos elevados e implica preocupações ambientais.
• Divisão/separação de redes de baixa tensão: Fácil de implementar com efeitos significativos de limitação de corrente, mas reduz as margens de segurança do sistema e limita a flexibilidade operacional, sendo adequada apenas para cenários necessários.
• ​b. Tecnologia de Interconexão DC​
  A interconexão DC pode reduzir significativamente as correntes de curto-circuito, mas o investimento nas estações conversoras em ambas as extremidades é extremamente alto. Para interconexões curtas com troca de potência baixa, esta solução é economicamente inviável.
• ​c. Transformadores de Alta Impedância​
  O uso de transformadores de alta impedância para limitar as correntes de curto-circuito no lado de baixa tensão é uma medida comumente adotada. No entanto, esses transformadores apresentam perdas mais elevadas durante a operação em estado estacionário, afetando a economia do sistema.
• ​d. Reactores em Série​
  Os reactores em série, com tecnologia de fabricação madura e efeitos claros de limitação de corrente, já são utilizados nos sistemas auxiliares de centrais elétricas e em subestações de 10-35kV. No entanto, a sua aplicação em sistemas de ultra-alta tensão aumenta as perdas da rede e reduz a estabilidade do sistema, limitando a sua adequação.
• ​e. Expansão de Capacidade e Retrofit de Equipamentos​
  A substituição de disjuntores e o retrofit de subestações existentes para lidar com correntes de curto-circuito mais elevadas aborda diretamente o problema, mas envolve um investimento elevado e construção complexa, resultando em baixa eficiência económica e pontualidade.

Dadas as limitações significativas das medidas tradicionais, torna-se imperativo o desenvolvimento de novos dispositivos de limitação de corrente adaptados aos sistemas de energia modernos. O Limitador de Corrente de Falha (FCL) surge como uma solução e é também um componente importante dos Sistemas de Transmissão Alternada Flexível (FACTS).

​2 Aplicação de Limitadores de Corrente de Falha (FCL) em Sistemas de Energia​

​2.1 Modelo e Princípios Básicos do FCL​
O princípio básico do FCL deriva da tecnologia de limitação de corrente por reactores em série, melhorada com eletrónica de potência para superar as desvantagens dos reactores em série tradicionais (por exemplo, perdas elevadas em estado estacionário e impactos na estabilidade do sistema). O seu modelo central pode ser abstraído como: "Sem reatância em operação normal; inserção rápida de reatância durante falhas para limitar a corrente."

• Operação normal: Dispositivo de comutação fechado, impedância equivalente do FCL próxima de zero, sem impacto no sistema.
• Condição de falha: Dispositivo de comutação abre rapidamente, inserindo o reactor de limitação de corrente para suprimir a corrente de curto-circuito.

Os componentes principais do FCL incluem quatro elementos-chave:

1. Elemento de detecção rápida de corrente de falha: Monitoriza a corrente do sistema em tempo real e identifica rapidamente falhas de curto-circuito.
2. Dispositivo de comutação rápido: Actua rapidamente durante as falhas para alternar entre os estados "sem reatância" e "com reatância".
3. Reactor de limitação de corrente: Componente principal de limitação de corrente, suprime a corrente de curto-circuito através da impedância.
4. Elemento de protecção contra sobretensão: Previne sobretensões durante a comutação de falhas, protegendo o equipamento do sistema.

​2.2 Funções e Requisitos de Projecto do FCL​

​2.2.1 Funções Principais do FCL​
O FCL oferece uma nova abordagem para a limitação de corrente de falha em sistemas de energia e é um componente crítico dos sistemas de energia modernos. As suas vantagens incluem:

• Redução da carga nos disjuntores: Níveis de tensão mais elevados correspondem a correntes de falha maiores e mais difíceis de interromper. O FCL reduz directamente a corrente de interrupção dos disjuntores, prolongando a vida útil do equipamento.
• Melhoria da estabilidade do sistema: A limitação rápida de correntes de curto-circuito reduz as quedas de tensão nas linhas e as probabilidades de descompasso dos geradores, melhorando a estabilidade do ângulo de potência, tensão e frequência.
• Aumento da utilização de equipamentos e linhas: Se o FCL actuar antes que a corrente de curto-circuito atinja o pico, reduz os requisitos de limites de estabilidade térmica e dinâmica, aumentando assim a capacidade de transmissão real das linhas.
• Otimização da qualidade da tensão: A limitação rápida da corrente antes da eliminação da falha encurta a duração da queda de tensão nas linhas não afectadas, garantindo a estabilidade da tensão da rede.
• Redução da interferência com instalações vizinhas: A limitação de correntes de curto-circuito em redes de alta tensão reduz a interferência electromagnética com linhas de comunicação e sistemas de sinalização ferroviária próximos.

​2.2.2 Requisitos de Projecto para o FCL​
Para se adaptar às características de operação dos sistemas de energia, o FCL deve cumprir os seguintes padrões de projecto:

• Sem impacto no sistema durante a operação normal (queda de tensão próxima de zero).
• Resposta rápida durante as falhas (dentro de 1-2 ms), limitando tanto a corrente de pico quanto a corrente de estado estacionário de curto-circuito, sem efeitos colaterais como sobretensão.
• Redefinição automática após a eliminação da falha, sem intervenção manual.
• Sem interferência com a lógica de operação normal dos relés de protecção.
• Custo razoável e alta relação custo-benefício, atendendo às necessidades de aplicação em engenharia de utilidade.

​2.3 Comparação de Várias Soluções de Implementação do FCL​

​2.3.1 Comparação de Soluções​

• ​Conclusão: Os FCL baseados em novos materiais (especialmente supercondutores) e em eletrónica de potência são actualmente as soluções óptimas. O primeiro é simples e confiável, mas limitado pela tecnologia de materiais; o último oferece forte controlabilidade, e com o declínio dos custos da eletrónica de potência, tornou-se viável em engenharia, tornando-se a direção de P&D mais promissora.

​2.5 Direcções Futuras de Investigação para o FCL​
As investigações futuras sobre o FCL devem concentrar-se na "optimização de desempenho, integração funcional e adaptação à engenharia." As direcções-chave incluem:

1. Conversores de impedância ajustáveis contínuamente: Ultrapassar a limitação atual de "impedância de dois estados (zero ou infinito)" para desenvolver conversores de impedância ajustáveis contínuamente que correspondam dinamicamente a uma impedância maior com correntes de falha maiores. Estes devem também incorporar compensação do factor de potência e absorção de sobretensão, combinados com teorias de controlo (por exemplo, feedback negativo, controlo PID) para melhorar a automatização do sistema.
2. Integração com controladores FACTS: Desenvolver dispositivos de controlo abrangentes que combinem FCL com outros componentes FACTS (por exemplo, SVG, SVC) para melhorar a rentabilidade global e avançar os sistemas de transmissão e distribuição AC controláveis.
3. Avanços tecnológicos chave:
• Mecanismos de impacto do FCL na estabilidade do sistema de energia.
• Lógica de coordenação entre FCL e relés de protecção.
• Otimização de sistemas de detecção de sinais de falha ultra-rápidos e controladores.
• Efeitos do FCL na qualidade da energia (por exemplo, harmónicos, flutuações de tensão) e medidas de mitigação.

​3 Conclusão​

• a. A limitação de corrente de curto-circuito em sistemas de energia tornou-se uma questão crítica que requer resolução urgente. Como novo dispositivo de protecção, o Limitador de Corrente de Falha (FCL) oferece uma solução eficaz, e o desenvolvimento de FCLs adaptados a redes modernas tem valor teórico e de engenharia significativo.
• b. Os FCL baseados em eletrónica de potência já possuem uma base teórica e viabilidade de engenharia. O seu excelente desempenho de controlo e a diminuição dos custos dos dispositivos de eletrónica de potência indicam amplas perspectivas de desenvolvimento.
• c. Com o avanço do desenvolvimento de tecnologias FACTS/CusPow, o FCL - como membro-chave da família FACTS - não deve apenas abordar independentemente questões de limitação de corrente em redes de transmissão e distribuição, mas também colaborar com outros controladores FACTS para promover ainda mais o desenvolvimento de sistemas de transmissão e distribuição AC controláveis.