Solución colaborativa para limitador de corriente de falla (FCL) e recierre automático monofásico (SPAR) nas redes eléctricas EHV do sudeste asiático

1. Introdución: Contexto e significado da investigación​
   Co rápido desenvolvemento económico no Sudeste Asiático, as escalas das redes eléctricas continúan a expandirse, e as cargas non paran de aumentar. Isto levou a que as correntes de cortocircuito do sistema se aproximen ou mesmo superen os límites de capacidade de interrupción dos interruptores. Esta situación ameaza seriamente a seguridade e a estabilidade das operacións da rede eléctrica. Ao mesmo tempo, as liñas de transmisión de extra alta tensión (EHV) sirven como esqueleto para as interconexións regionais de enerxía. Mais do 70% dos fallos son fallos de aterramento monofásico, e aproximadamente o 80% destes son fallos transitórios (por exemplo, golpes de raio, obxectos estranhos arrastrados polo vento). A tecnoloxía de recierre automático monofásico (SPAR) é un método clave para limpar rapidamente os fallos, restablecer o suministro de enerxía e garantir a estabilidade e fiabilidade da rede.

Os limitadores de corrente de fallo (FCLs), especialmente os FCLs do tipo varistor metálico-óxido (MOA) económicamente eficientes, son medidas efectivas para suprimir as correntes de cortocircuito e foron gradualmente aplicados nas redes EHV. No entanto, a investigación existente centrouse principalmente no impacto dos FCLs na estabilidade transitória do sistema e na protección por relés, ignorando os seus posibles efectos adversos nas taxas de éxito do SPAR. Esta proposta pretende colmar esta lacuna de investigación realizando unha análise en profundidade da interacción entre os FCLs e o SPAR, e propondo un conxunto de estratexias de control colaborativo adecuadas para as redes eléctricas do Sudeste Asiático. Estas estratexias aseguran tanto unha limitación efectiva da corrente como un suministro de enerxía fiable.

​1. Principio de funcionamento do FCL do tipo varistor metálico-óxido​
Este tipo de FCL consiste principalmente nos seguintes componentes, que traballan en coordinación para lograr a función central de "baixa impedancia durante a operación normal e alta impedancia durante os fallos":

Fluxo de traballo: Durante a operación normal do sistema, Lf e Cf resónan → a impedancia do FCL é case cero → non ten impacto no fluxo de potencia. Cando ocorre un fallo de cortocircuito, o MOA actúa rapidamente para curto-circuitar o Cf → o reactor limitador de corrente L é inserido no sistema para suprimir a corrente de cortocircuito → a fenda de disparo rompe e envía un sinal para cerrar o interruptor de bypass K → despois de que K se cerra, desvia a corrente para protexer o MOA.

​2. Análise do problema: Efectos adversos do FCL na corrente de arco secundario e no SPAR​
A corrente de arco secundario é a corrente que continua mantendo o punto de fallo despois de que o interruptor de fase de fallo se abre durante a operación do SPAR, sustentada pola acoplación electromagnética e electrostática das fases sanas. A magnitude e as características desta corrente determinan directamente se o arco de fallo pode extinguirse por si mesmo, o que é crítico para o éxito do SPAR.

A análise de simulación (baseada en EMTP, con parámetros de modelo que se refiren a un sistema de 500 kV no sur de China) mostra que a instalación dun FCL pode introducir novos problemas:

• Impacto do tempo de cierre do interruptor de bypass (K): Se o interruptor de bypass K está aberto cando o interruptor se dispara, a corrente de arco secundario incluirá un compoñente de gran amplitude (hasta 225 A), lenta decadencia e frecuencia moi baixa (aproximadamente 3–3.25 Hz). Este compoñente de baja frecuencia reduce significativamente o número de cruces de cero de corrente, dificultando a extinción do arco e reducindo marcadamente as taxas de éxito do SPAR.
• Impacto da resistencia do camiño de arco (Rg): Cando a resistencia de transición no punto de fallo é grande (por exemplo, 300 Ω), a corrente de cortocircuito é pequena, o que pode evitar que o FCL no final da liña se active (o MOA non alcanza a tensión de operación). Neste caso, o Cf permanece sen ser curto-circuitado e forma un circuito de oscilación de baja frecuencia co reactor de derivación da liña, xerando tamén un compoñente de baja frecuencia prejudicial para a extinción do arco.

​3. Investigación do mecanismo: Orixe do compoñente de baja frecuencia​
A análise teórica utilizando redes de impedancia equivalente e transformadas de Laplace revela o mecanismo detrás do compoñente de baja frecuencia:
A causa raíz é o capacitor Cf no FCL. Despois de que o interruptor se dispara e a fase de fallo está aislada, a enerxía almacenada en Cf se descarga a través do reactor de derivación e a resistencia do arco no punto de fallo. Este circuito de descarga forma un circuito de oscilación de baja frecuencia, con unha frecuencia de oscilación (aproximadamente 3 Hz) determinada principalmente por Cf e os parámetros do reactor de derivación da liña, independentemente en gran medida da localización do fallo. Esta oscilación de baja frecuencia só se elimina cando o interruptor de bypass K permanece cerrado, curto-circuitando completamente o Cf.

​4. Solución central: Estratexia de coordinación de tempo para FCL e SPAR​
Para asegurar unha limitación efectiva da corrente polo FCL sen afectar ao SPAR, esta proposta propón a seguinte estratexia de coordinación de tempo precisa, con unha duración total controlada dentro de 0.66–0.73 segundos:

Núcleo da estratexia: Utilizar o sinal de disparo do interruptor da protección por relés como unha orde para forzar o cierre rápido do interruptor de bypass K e manterlo cerrado durante todo o período de combustión do arco secundario (aproximadamente 0.2 segundos). Isto curto-circuita completamente o Cf, eliminando o compoñente de oscilación de baja frecuencia na corrente de arco secundario e creando condicións favorables para a extinción do arco.

​5. Eficiencia e vantaxes do esquema​
As simulacións EMTP verifican que esta estratexia de coordinación de tempo logra o seguinte:

1. Eliminación do dano de baja frecuencia: Elimina completamente o compoñente de 3 Hz de baja frecuencia na corrente de arco secundario, evitando os seus efectos adversos na extinción do arco.
2. Optimización das características de extinción do arco: Reduce o tempo de extinción do arco secundario aproximadamente o 4.5% e diminui a corrente de componente de frecuencia de rede o 10.5%, mellorando significativamente as taxas de éxito do SPAR.
3. Compatibilidade e fiabilidade: A estratexia non afecta as características de recuperación de tensión orixinais do sistema e equilibra a seguridade do FCL (protección do MOA) con as necesidades de rápida recuperación.
4. Fácil implementación: Basada en sinais de protección existentes, a estratexia require mínimas modificacións aos sistemas secundarios, é de baixo custo e é adecuada para proxectos EHV existentes ou novos nos países do Sudeste Asiático.

​6. Conclusión e recomendacións​
Para as redes eléctricas EHV do Sudeste Asiático que planean ou xa están equipadas con FCLs do tipo varistor metálico-óxido, é esencial prestar atención á posible cuestión da oscilación de baja frecuencia na corrente de arco secundario, que pode reducir as taxas de éxito do SPAR e ameazar a fiabilidade do suministro de enerxía.