Solució col·laborativa per a limitadors de corrent de falla (FCL) i rearmament automàtic monofàsic (SPAR) en xarxes elèctriques EHV del Sudest Asiàtic

1. Introducció: Context i importància de la recerca​
   Amb el ràpid desenvolupament econòmic a Sud-est Asiàtic, les xarxes elèctriques continuen expandint-se, i les càrregues no pararan d'augmentar. Això ha portat els corrents de curto-circuit del sistema a prop o fins i tot a superar els límits de capacitat d'interrupció dels interruptors, amenaçant greument la seguretat i estabilitat de l'operació de les xarxes elèctriques. Alhora, les línies de transmissió d'altíssima tensió (EHV) són l'espinada dorsal de les interconnexions regionals d'energia. Més del 70% de les avaries són avaries de terra monofàsiques, i aproximadament l'80% d'aquestes són avaries transitòries (p. ex., impacts de llamp, objectes estranys portats pel vent). La tecnologia de Recobrament Automàtic Monofàsic (SPAR) és un mètode clau per a esclatar ràpidament les avaries, restablir el subministrament d'energia i assegurar l'estabilitat i fiabilitat de la xarxa.

Els Limitadors de Corrent de Fault (FCL), especialment els FCL tipus absorbents de metal-òxid (MOA) cost-effective, són mesures eficients per a restringir els corrents de curto-circuit i han estat gradualment aplicats en xarxes EHV. No obstant això, la major part de la recerca existent s'ha centrada en l'impacte dels FCL en la estabilitat transitori del sistema i la protecció relè, negligint els seus possibles efectes adversos en les taxes de èxit del SPAR. Aquesta proposta pretén omplir aquest buit de recerca realitzant una anàlisi en profunditat de l'interacció entre els FCL i el SPAR, i proposant un conjunt de estratègies de control col·laboratiu adequades per a les xarxes elèctriques de Sud-est Asiàtic. Aquestes estratègies asseguren tant una limitació eficient de la corrent com un subministrament d'energia fiable.

​1. Principi de funcionament del FCL tipus absorbent de metal-òxid (MOA)​
Aquest tipus de FCL consta principalment dels següents components, que treballen coordinadament per aconseguir la funció bàsica de "baixa impedància durant l'operació normal i alta impedància durant les avaries":

Flux de treball: Durant l'operació normal del sistema, Lf i Cf ressonen → l'impedància del FCL és gairebé zero → no té impacte en el flux d'energia. Quan ocorre una avaria de curto-circuit, el MOA actua ràpidament per curtar el Cf → la reactança limitadora de corrent L s'introdueix al sistema per restringir la corrent de curto-circuit → la brecha de disparador es trenc i envia una senyal per tancar l'interruptor de bypass K → després de tancar K, desvia la corrent per protegir el MOA.

​2. Anàlisi del problema: Efectes adversos del FCL en la corrent de l'arc secundari i el SPAR​
La corrent de l'arc secundari és la corrent que continua mantenint el punt d'avaria després que l'interruptor de la fase avariada s'obre durant l'operació del SPAR, sostenida per acoblament electromagnètic i electroestàtic de les fases sanes. La magnitud i característiques d'aquesta corrent determinen directament si l'arc d'avaria pot extinguir-se per si mateix, el que és crucial per al èxit del SPAR.

L'anàlisi de simulació (basada en EMTP, amb paràmetres de model que referencien un sistema de 500 kV a Sud de Xina) mostra que instal·lar un FCL pot introduir nous problemes:

• Impacte del temps de sincronització de l'interruptor de bypass (K): Si l'interruptor de bypass K està obert quan l'interruptor salta, la corrent de l'arc secundari inclourà un component d'amplitud gran (fins a 225 A), decayment lent i freqüència molt baixa (aproximadament 3–3.25 Hz). Aquest component de baixa freqüència reduïx significativament el nombre de creuaments de zero de la corrent, dificultant l'extinció de l'arc i reduint marcadament les taxes d'èxit del SPAR.
• Impacte de la resistència del camí de l'arc (Rg): Quan la resistència de transició al punt d'avaria és gran (p. ex., 300 Ω), la corrent de curto-circuit és petita, el que pot evitar que el FCL al final de la línia s'activi (el MOA no arriba a la tensió de funcionament). En aquest cas, el Cf roman sense curtar i forma un circuit oscil·lant de baixa freqüència amb el reactor de bypass de la línia, generant també un component de baixa freqüència prejudicial per a l'extinció de l'arc.

​3. Investigació del mecanisme: Origen del component de baixa freqüència​
L'anàlisi teòrica utilitzant xarxes d'impedàncies equivalents i transformacions de Laplace revela el mecanisme darrere del component de baixa freqüència:
La causa arrel és el condensador Cf en el FCL. Després que l'interruptor salta i la fase avariada queda aïllada, l'energia emmagatzemada en el Cf es descarrega a través del reactor de bypass i la resistència de l'arc al punt d'avaria. Aquest circuit de descàrrega forma un circuit oscil·lant de baixa freqüència, amb una freqüència d'oscil·lació (aproximadament 3 Hz) principalment determinada per el Cf i els paràmetres del reactor de bypass de la línia, independent en gran part de la ubicació de l'avaria. Aquesta oscil·lació de baixa freqüència només es suprimeix quan l'interruptor de bypass K roman tancat, curtant completament el Cf.

​4. Solució central: Estratègia de sincronització temporal per al FCL i SPAR​
Per assegurar una limitació eficient de la corrent pel FCL sense afectar el SPAR, aquesta proposta proposa la següent estratègia de sincronització temporal precisa, amb una durada total controlada dins de 0.66–0.73 segons:

Nucli de la estratègia: Utilitza la senyal d'interrupció de l'interruptor de la protecció relè com a ordre per forçar el tancament ràpid de l'interruptor de bypass K i mantenir-lo tancat durant tot el període de cremació de l'arc secundari (aproximadament 0.2 segons). Això curta eficientment el Cf, eliminant completament el component d'oscil·lació de baixa freqüència en la corrent de l'arc secundari i creant condicions favorables per a l'extinció de l'arc.

​5. Efectivitat i avantatges de l'esquema​
Les simulacions EMTP verifiquen que aquesta estratègia de sincronització temporal aconsegueix el següent:

1. Eliminació del dany de baixa freqüència: Elimina completament el component de 3 Hz de baixa freqüència en la corrent de l'arc secundari, evitant els seus efectes adversos en l'extinció de l'arc.
2. Optimització de les característiques d'extinció de l'arc: Redueix el temps d'extinció de l'arc secundari en aproximadament un 4.5% i baixa la corrent del component de freqüència d'energia en un 10.5%, millorant significativament les taxes d'èxit del SPAR.
3. Compatibilitat i fiabilitat: La estratègia no afecta les característiques originals de recuperació de tensió del sistema i equilibra la seguretat del FCL (protegint el MOA) amb les necessitats de recuperació ràpida.
4. Fàcil implementació: Basada en senyals de protecció existents, la estratègia requereix modificacions mínimes als sistemes secundaris, és de baix cost i adequada per a projectes EHV existents o nous en països de Sud-est Asiàtic.

​6. Conclusió i recomanacions​
Per a les xarxes elèctriques EHV de Sud-est Asiàtic que planifiquen o ja estan equipades amb FCL tipus absorbents de metal-òxid, és essencial prestar atenció a l'possible problema d'oscil·lació de baixa freqüència en la corrent de l'arc secundari, que pot reduir les taxes d'èxit del SPAR i amenaçar la fiabilitat del subministrament d'energia.