Solución colaborativa para limitador de corriente de falla (FCL) y recierre automático monofásico (SPAR) en redes eléctricas EHV del Sudeste Asiático

1. Introducción: Antecedentes y Significancia de la Investigación​
   Con el rápido desarrollo económico en el Sudeste Asiático, las redes eléctricas continúan expandiéndose y las cargas siguen aumentando. Esto ha llevado a que las corrientes de cortocircuito del sistema se acerquen o incluso superen los límites de capacidad de interrupción de los interruptores, lo que amenaza seriamente la seguridad y estabilidad de las operaciones de la red eléctrica. Al mismo tiempo, las líneas de transmisión de muy alta tensión (EHV) sirven como el espinazo para las interconexiones regionales de energía. Más del 70% de las fallas son fallas de toma de tierra unifásica, y aproximadamente el 80% de estas son fallas transitorias (por ejemplo, rayos, objetos extraños arrastrados por el viento). La tecnología de Recierre Automático Unifásico (SPAR) es un método clave para eliminar rápidamente las fallas, restaurar el suministro de energía y garantizar la estabilidad y confiabilidad de la red.

Los Limitadores de Corriente de Falla (FCLs), especialmente los FCLs de tipo pararrayos de óxido metálico (MOA) costo-efectivos, son medidas eficaces para suprimir las corrientes de cortocircuito y han sido aplicados gradualmente en redes EHV. Sin embargo, la investigación existente se ha centrado principalmente en el impacto de los FCLs en la estabilidad transitoria del sistema y la protección por relés, descuidando sus posibles efectos adversos en las tasas de éxito del SPAR. Esta propuesta tiene como objetivo llenar este vacío de investigación mediante un análisis en profundidad de la interacción entre FCLs y SPAR, y proponiendo un conjunto de estrategias de control colaborativo adecuadas para las redes eléctricas del Sudeste Asiático. Estas estrategias aseguran tanto una limitación de corriente efectiva como un suministro de energía confiable.

​1. Principio de Funcionamiento del FCL de Tipo Pararrayos de Óxido Metálico​
Este tipo de FCL se compone principalmente de los siguientes componentes, que trabajan en coordinación para lograr la función central de "baja impedancia durante la operación normal y alta impedancia durante las fallas":

Flujo de trabajo: Durante la operación normal del sistema, Lf y Cf resuenan → la impedancia del FCL es casi cero → no hay impacto en el flujo de potencia. Cuando ocurre una falla de cortocircuito, el MOA actúa rápidamente para cortocircuitar Cf → el reactor limitador de corriente L se inserta en el sistema para suprimir la corriente de cortocircuito → el espacio de disparo se rompe y envía una señal para cerrar el interruptor de bypass K → después de que K se cierra, desvía la corriente para proteger al MOA.

​2. Análisis del Problema: Efectos Adversos del FCL en la Corriente de Arco Secundario y SPAR​
La corriente de arco secundario es la corriente que mantiene continuamente el punto de falla después de que el interruptor del circuito de la fase fallida se abre durante la operación de SPAR, sostenida por el acoplamiento electromagnético y electrostático de las fases sanas. La magnitud y características de esta corriente determinan directamente si el arco de falla puede extinguirse por sí solo, lo cual es crítico para el éxito del SPAR.

Análisis de simulación (basado en EMTP, con parámetros de modelo referenciando un sistema de 500 kV en el sur de China) muestra que instalar un FCL puede introducir nuevos problemas:

• Impacto del Tiempo de Cierre del Interruptor de Bypass (K): Si el interruptor de bypass K está abierto cuando el interruptor de circuito se desconecta, la corriente de arco secundario incluirá un componente de gran amplitud (hasta 225 A), lenta disipación y muy baja frecuencia (aproximadamente 3–3.25 Hz). Este componente de baja frecuencia reduce significativamente el número de cruces por cero de la corriente, dificultando la extinción del arco y reduciendo notablemente las tasas de éxito del SPAR.
• Impacto de la Resistencia del Camino de Arco (Rg): Cuando la resistencia de transición en el punto de falla es grande (por ejemplo, 300 Ω), la corriente de cortocircuito es pequeña, lo que puede impedir que el FCL en el extremo de la línea se active (el MOA no alcanza el voltaje de operación). En este caso, Cf permanece sin cortocircuitar y forma un circuito oscilatorio de baja frecuencia con el reactor shunt de la línea, generando también un componente de baja frecuencia perjudicial para la extinción del arco.

​3. Investigación del Mecanismo: Origen del Componente de Baja Frecuencia​
El análisis teórico utilizando redes de impedancia equivalente y transformadas de Laplace revela el mecanismo detrás del componente de baja frecuencia:
La causa raíz es el capacitor Cf en el FCL. Después de que el interruptor de circuito se desconecta y la fase de falla se aísla, la energía almacenada en Cf se descarga a través del reactor shunt y la resistencia del arco en el punto de falla. Este circuito de descarga forma un circuito oscilatorio de baja frecuencia, con una frecuencia de oscilación (aproximadamente 3 Hz) determinada principalmente por Cf y los parámetros del reactor shunt de la línea, independiente en gran medida de la ubicación de la falla. Esta oscilación de baja frecuencia se elimina solo cuando el interruptor de bypass K permanece cerrado, cortocircuitando completamente a Cf.

​4. Solución Central: Estrategia de Coordinación Temporal para FCL y SPAR​
Para garantizar una limitación de corriente efectiva por parte del FCL sin afectar al SPAR, esta propuesta sugiere la siguiente estrategia de coordinación temporal precisa, con una duración total controlada dentro de 0.66–0.73 segundos:

Núcleo de la Estrategia: Usar la señal de desconexión del interruptor de circuito de la protección por relés como comando para forzar el cierre rápido del interruptor de bypass K y mantenerlo cerrado durante todo el período de quema del arco secundario (aproximadamente 0.2 segundos). Esto cortocircuita completamente a Cf, eliminando el componente de oscilación de baja frecuencia en la corriente de arco secundario y creando condiciones favorables para la extinción del arco.

​5. Eficacia y Ventajas del Esquema​
Las simulaciones de EMTP verifican que esta estrategia de coordinación temporal logra lo siguiente:

1. Eliminación del Daño de Baja Frecuencia: Elimina completamente el componente de 3 Hz de baja frecuencia en la corriente de arco secundario, evitando sus efectos adversos en la extinción del arco.
2. Optimización de las Características de Extinción del Arco: Reduce el tiempo de extinción del arco secundario en aproximadamente 4.5% y disminuye la corriente del componente de frecuencia de red en 10.5%, mejorando significativamente las tasas de éxito del SPAR.
3. Compatibilidad y Confiabilidad: La estrategia no afecta las características originales de recuperación de voltaje del sistema y equilibra la seguridad del FCL (protegiendo el MOA) con las necesidades de rápida recuperación.
4. Fácil Implementación: Basada en señales de protección existentes, la estrategia requiere modificaciones mínimas a los sistemas secundarios, es de bajo costo y es adecuada para proyectos EHV existentes o nuevos en los países del Sudeste Asiático.

​6. Conclusión y Recomendaciones​
Para las redes eléctricas EHV del Sudeste Asiático que planean o ya están equipadas con FCLs de tipo pararrayos de óxido metálico, es esencial prestar mucha atención al problema potencial de oscilación de baja frecuencia en la corriente de arco secundario, lo que puede reducir las tasas de éxito del SPAR y amenazar la confiabilidad del suministro de energía.