Soluzione Collaborativa per Limitatore di Corrente di Cortocircuito (FCL) e Ricostruzione Automatica Monofase (SPAR) nelle Reti Elettriche UHV del Sud-est Asiatico

1. Introduzione: Contesto e Rilevanza della Ricerca​
   Con lo sviluppo economico rapido in Asia Sudorientale, le dimensioni delle reti elettriche continuano a espandersi e i carichi aumentano costantemente. Ciò ha portato a correnti di cortocircuito nel sistema che si avvicinano o superano i limiti di interruzione dei disgiuntori, minacciando gravemente la sicurezza e la stabilità delle operazioni della rete elettrica. Nel frattempo, le linee di trasmissione ad alta tensione (EHV) fungono da spina dorsale per l'interconnessione regionale dell'energia. Più del 70% dei guasti sono guasti di terra monofase, e circa l'80% di questi sono guasti transitori (ad esempio, colpi di fulmine, oggetti stranieri trasportati dal vento). La tecnologia di ricollegamento automatico monofase (SPAR) è un metodo chiave per la rapida eliminazione dei guasti, il ripristino dell'approvvigionamento elettrico e la garanzia della stabilità e affidabilità della rete.

I limitatori di corrente di guasto (FCL), in particolare quelli di tipo arrestatore a ossidi metallici (MOA) cost-effective, sono misure efficaci per la soppressione delle correnti di cortocircuito e sono stati gradualmente applicati nelle reti EHV. Tuttavia, le ricerche esistenti si sono concentrate principalmente sull'impatto degli FCL sulla stabilità transitoria del sistema e sulla protezione a relè, trascurando gli effetti potenzialmente negativi sul tasso di successo dello SPAR. Questa proposta mira a colmare questa lacuna di ricerca conducendo un'analisi approfondita dell'interazione tra FCL e SPAR, e proponendo un set di strategie di controllo collaborativo adatte alle reti elettriche dell'Asia Sudorientale. Queste strategie assicurano sia una limitazione efficace della corrente che un approvvigionamento affidabile.

​1. Principio di Funzionamento del FCL di Tipo Arrestatore a Ossidi Metallici​
Questo tipo di FCL è composto principalmente dai seguenti componenti, che lavorano in coordinazione per realizzare la funzione centrale di "bassa impedenza durante l'operazione normale e alta impedenza durante i guasti":

Flusso di lavoro: Durante l'operazione normale del sistema, Lf e Cf risuonano → l'impedenza del FCL è quasi zero → nessun impatto sul flusso di potenza. Quando si verifica un guasto di cortocircuito, l'MOA agisce rapidamente per cortocircuitare Cf → il reattore limitatore di corrente L viene inserito nel sistema per sopprimere la corrente di cortocircuito → la fessura di accensione si rompe e invia un segnale per chiudere l'interruttore di bypass K → dopo che K si chiude, dirotta la corrente per proteggere l'MOA.

​2. Analisi del Problema: Effetti Negativi del FCL sulla Corrente dell'Arco Secondario e sullo SPAR​
La corrente dell'arco secondario è la corrente che continua a mantenere il punto di guasto dopo l'apertura del disgiuntore della fase difettosa durante l'operazione dello SPAR, sostenuta dalla couplage elettromagnetico ed elettrostatico dalle fasi sane. L'ampiezza e le caratteristiche di questa corrente determinano direttamente se l'arco di guasto può estinguersi spontaneamente, che è cruciale per il successo dello SPAR.

L'analisi di simulazione (basata su EMTP, con parametri del modello che fanno riferimento a un sistema 500 kV del Sud della Cina) mostra che l'installazione di un FCL può introdurre nuovi problemi:

• Impatto del Tempismo dell'Interruttore di Bypass (K): Se l'interruttore di bypass K è aperto quando il disgiuntore si interrompe, la corrente dell'arco secondario includerà un componente ad ampiezza elevata (fino a 225 A), a decadimento lento e a frequenza molto bassa (circa 3-3,25 Hz). Questo componente a bassa frequenza riduce significativamente il numero di passaggi per zero della corrente, rendendo difficile l'estinzione spontanea dell'arco e abbassando notevolmente il tasso di successo dello SPAR.
• Impatto della Resistenza del Percorso dell'Arco (Rg): Quando la resistenza di transizione nel punto di guasto è elevata (ad esempio, 300 Ω), la corrente di cortocircuito è piccola, il che può impedire all'FCL nella fine della linea di attivarsi (l'MOA non raggiunge la tensione di funzionamento). In questo caso, Cf rimane non cortocircuitato e forma un circuito oscillante a bassa frequenza con il reattore parallelo della linea, generando analogamente un componente a bassa frequenza dannoso per l'estinzione dell'arco.

​3. Indagine sul Meccanismo: Origine del Componente a Bassa Frequenza​
L'analisi teorica utilizzando reti di impedenza equivalente e trasformate di Laplace rivela il meccanismo dietro il componente a bassa frequenza:
La causa principale è il condensatore Cf nell'FCL. Dopo l'interruzione del disgiuntore e l'isolamento della fase difettosa, l'energia accumulata in Cf si scarica attraverso il reattore parallelo e la resistenza dell'arco nel punto di guasto. Questo circuito di scarica forma un circuito oscillante a bassa frequenza, con una frequenza di oscillazione (circa 3 Hz) determinata principalmente da Cf e dai parametri del reattore parallelo della linea, indipendentemente dalla posizione del guasto. Questa oscillazione a bassa frequenza viene eliminata solo quando l'interruttore di bypass K rimane chiuso, cortocircuitando completamente Cf.

​4. Soluzione Chiave: Strategia di Coordinazione Tempistica per FCL e SPAR​
Per garantire una limitazione efficace della corrente da parte dell'FCL senza influire sullo SPAR, questa proposta suggerisce la seguente strategia di coordinazione temporale precisa, con una durata totale controllata entro 0,66-0,73 secondi:

Nucleo della Strategia: Utilizzare il segnale di interruzione del disgiuntore dalla protezione a relè come comando per chiudere rapidamente e mantenere chiuso l'interruttore di bypass K durante tutto il periodo di combustione dell'arco secondario (circa 0,2 secondi). Questo cortocircuita efficacemente Cf, eliminando completamente il componente oscillante a bassa frequenza nella corrente dell'arco secondario e creando condizioni favorevoli per l'estinzione spontanea dell'arco.

​5. Efficacia e Vantaggi del Piano​
Le simulazioni EMTP verificano che questa strategia di coordinazione temporale raggiunge quanto segue:

1. Eliminazione del Danno a Bassa Frequenza: Elimina completamente il componente a 3 Hz nella corrente dell'arco secondario, evitando i suoi effetti negativi sull'estinzione dell'arco.
2. Ottimizzazione delle Caratteristiche di Estinzione dell'Arco: Riduce il tempo di estinzione dell'arco secondario di circa il 4,5% e diminuisce la corrente del componente a frequenza di rete del 10,5%, migliorando significativamente il tasso di successo dello SPAR.
3. Compatibilità e Affidabilità: La strategia non influenza le caratteristiche di recupero della tensione originale del sistema e bilancia la sicurezza dell'FCL (proteggendo l'MOA) con le esigenze di recupero rapido.
4. Semplicità di Implementazione: Basata sui segnali di protezione esistenti, la strategia richiede modifiche minime ai sistemi secondari, è a basso costo e adatta a progetti EHV esistenti o nuovi nei paesi dell'Asia Sudorientale.

​6. Conclusione e Raccomandazioni​
Per le reti elettriche EHV dell'Asia Sudorientale in fase di pianificazione o già dotate di FCL di tipo arrestatore a ossidi metallici, è essenziale prestare grande attenzione al problema potenziale dell'oscillazione a bassa frequenza nella corrente dell'arco secondario, che può ridurre il tasso di successo dello SPAR e minacciare l'affidabilità dell'approvvigionamento elettrico.