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Solução Colaborativa para Limitador de Corrente de Falha (FCL) e Recolocação Automática Monofásica (SPAR) em Redes Elétricas EHV do Sudeste Asiático

  1. Introdução: Contexto e Significância da Pesquisa
    Com o rápido desenvolvimento económico no Sudeste Asiático, as redes elétricas continuam a expandir-se e as cargas a aumentar. Isto levou a que as correntes de curto-circuito do sistema se aproximem ou até excedam os limites de capacidade de interrupção dos disjuntores, ameaçando seriamente a segurança e a estabilidade das operações da rede elétrica. Ao mesmo tempo, as linhas de transmissão de extra-alta tensão (EAT) servem como espinha dorsal para as interconexões regionais de energia. Mais de 70% das falhas são falhas de aterramento monofásico, e cerca de 80% destas são falhas transitórias (por exemplo, raios, objetos estranhos levados pelo vento). A tecnologia de religação automática monofásica (SPAR) é um método chave para a rápida eliminação de falhas, restauração do fornecimento de energia e garantia da estabilidade e confiabilidade da rede.

Limitadores de Corrente de Falha (FCLs), particularmente os FCLs do tipo descarga de arrester de óxido metálico (MOA) custo-eficazes, são medidas eficazes para suprimir as correntes de curto-circuito e têm sido gradualmente aplicados em redes EAT. No entanto, a pesquisa existente tem-se concentrado principalmente no impacto dos FCLs na estabilidade transitória do sistema e na proteção relé, negligenciando seus possíveis efeitos adversos sobre as taxas de sucesso da SPAR. Esta proposta visa preencher essa lacuna de pesquisa, realizando uma análise aprofundada da interação entre FCLs e SPAR, e propondo um conjunto de estratégias de controle colaborativo adequadas para as redes elétricas do Sudeste Asiático. Essas estratégias garantem tanto a limitação eficaz da corrente quanto o fornecimento confiável de energia.

1. Princípio de Funcionamento do FCL do Tipo Descarga de Arrester de Óxido Metálico
Este tipo de FCL consiste principalmente nos seguintes componentes, que trabalham em coordenação para alcançar a função central de "baixa impedância durante a operação normal e alta impedância durante as falhas":

Componente

Descrição da Função

Reator Lf (Lf = Lc + L)

Durante a operação normal, ressoa em série com o capacitor Cf, apresentando baixa impedância; durante as falhas, o reator limitador de corrente L é inserido no sistema.

Capacitor Cf

Participa na ressonância durante a operação normal; durante as falhas, é rapidamente curto-circuitado pelo MOA e sai do circuito ressonante.

Arrester de Óxido Metálico (MOA)

Aciona imediatamente ao detectar uma falha de curto-circuito, conduzindo para curto-circuitar o capacitor Cf.

Interruptor de Bypass K

Fecha rapidamente após a falha para compartilhar a corrente e proteger o MOA de absorver energia excessiva. Seu timing é crítico.

Reator Limitador de Corrente Lc

Principalmente limita a corrente de descarga do capacitor Cf através da lacuna de disparo.

Fluxo de Trabalho: Durante a operação normal do sistema, Lf e Cf ressoam → impedância do FCL é quase zero → sem impacto no fluxo de potência. Quando ocorre uma falha de curto-circuito, o MOA age rapidamente para curto-circuitar o Cf → o reator limitador de corrente L é inserido no sistema para suprimir a corrente de curto-circuito → a lacuna de disparo rompe e envia um sinal para fechar o interruptor de bypass K → após K fechar, ele desvia a corrente para proteger o MOA.

2. Análise do Problema: Efeitos Adversos do FCL na Corrente do Arco Secundário e na SPAR
A corrente do arco secundário é a corrente que continua a manter o ponto de falha após o disjuntor da fase de falha abrir durante a operação da SPAR, sustentada por acoplamento eletromagnético e eletrostático das fases saudáveis. A magnitude e características desta corrente determinam diretamente se o arco de falha pode extinguir-se sozinho, o que é crucial para o sucesso da SPAR.

Análise de simulação (baseada em EMTP, com parâmetros do modelo referenciando um sistema de 500 kV do sul da China) mostra que a instalação de um FCL pode introduzir novos problemas:

  • Impacto do Timing do Interruptor de Bypass (K): Se o interruptor de bypass K estiver aberto quando o disjuntor dispara, a corrente do arco secundário incluirá um componente de grande amplitude (até 225 A), decaimento lento e frequência muito baixa (aproximadamente 3–3.25 Hz). Este componente de baixa frequência reduz significativamente o número de cruzamentos de zero de corrente, tornando difícil a extinção do arco e diminuindo notavelmente as taxas de sucesso da SPAR.
  • Impacto da Resistência do Caminho do Arco (Rg): Quando a resistência de transição no ponto de falha é grande (por exemplo, 300 Ω), a corrente de curto-circuito é pequena, o que pode impedir que o FCL no final da linha seja ativado (o MOA não atinge a tensão de operação). Neste caso, o Cf permanece sem ser curto-circuitado e forma um circuito de oscilação de baixa frequência com o reator shunt da linha, gerando um componente de baixa frequência prejudicial à extinção do arco.

3. Investigação do Mecanismo: Origem do Componente de Baixa Frequência
Análise teórica usando redes de impedância equivalente e transformadas de Laplace revela o mecanismo por trás do componente de baixa frequência:
A causa raiz é o capacitor Cf no FCL. Após o disjuntor disparar e a fase de falha ser isolada, a energia armazenada no Cf descarrega-se através do reator shunt e da resistência do arco no ponto de falha. Este circuito de descarga forma um circuito de oscilação de baixa frequência, com uma frequência de oscilação (aproximadamente 3 Hz) determinada principalmente pelo Cf e pelos parâmetros do reator shunt da linha, independentemente da localização da falha. Esta oscilação de baixa frequência só é eliminada quando o interruptor de bypass K permanece fechado, curto-circuitando completamente o Cf.

4. Solução Central: Estratégia de Coordenação de Timing para FCL e SPAR
Para garantir a limitação eficaz da corrente pelo FCL sem afetar a SPAR, esta proposta sugere a seguinte estratégia de coordenação de timing precisa, com duração total controlada em 0.66–0.73 segundos:

Nó de Timing

Intervalo de Tempo (s)

Descrição do Processo

t0

-

Ocorre uma falha de aterramento monofásico no sistema.

t1

0.002

O MOA atinge a tensão de operação, age para curto-circuitar o Cf, e o reator limitador de corrente L é inserido no sistema.

t2

0.002

O sistema de monitorização do FCL dispara a lacuna de descarga G e simultaneamente envia um sinal para iniciar o fechamento do interruptor de bypass K.

t3

0.016

A proteção relé da linha opera, emitindo um sinal de disparo do disjuntor, que também serve como um comando para forçar o fechamento de K.

t4

≤0.024

Garante que o interruptor de bypass K esteja completamente fechado. Isso deve ser concluído antes da interrupção do disjuntor.

t5

0.016–0.036

Contatos principais dos disjuntores de linha em ambas as extremidades abrem, cortando a corrente de falha.

t6

0.02

Resistores de abertura dos disjuntores desconectam, isolando completamente a linha da fase de falha do sistema; o arco secundário começa a queimar.

t7

0.20

Durante a queima do arco secundário, mantém K fechado para eliminar o componente de baixa frequência. Após a extinção do arco, emite um sinal para abrir K.

t8

0.045

O interruptor de bypass K abre.

t9

0.015

Tempo de desionização do caminho do arco no ponto de falha, garantindo a recuperação da isolação.

t10

0.10

A bobina de fechamento do disjuntor é energizada, preparando-se para a religação.

t11

0.20–0.25

O disjuntor fecha, com resistores de fechamento engajados para suprimir sobretensões de comutação.

t12

0.02

Os contatos principais do disjuntor fecham, os resistores de fechamento saem, e a linha retoma o fornecimento de energia com sucesso.

Cerne da Estratégia: Use o sinal de disparo do disjuntor da proteção relé como um comando para forçar o fechamento rápido do interruptor de bypass K e mantê-lo fechado durante todo o período de queima do arco secundário (aproximadamente 0.2 segundos). Isso curto-circuita eficazmente o Cf, eliminando completamente o componente de oscilação de baixa frequência na corrente do arco secundário e criando condições favoráveis para a extinção do arco.

5. Eficácia e Vantagens do Esquema
Simulações EMTP verificam que esta estratégia de coordenação de timing alcança o seguinte:

  1. Eliminação do Dano de Baixa Frequência: Elimina completamente o componente de 3 Hz de baixa frequência na corrente do arco secundário, evitando seus efeitos adversos na extinção do arco.
  2. Otimização das Características de Extinção do Arco: Reduz o tempo de extinção do arco secundário em aproximadamente 4.5% e diminui a corrente do componente de frequência de rede em 10.5%, melhorando significativamente as taxas de sucesso da SPAR.
  3. Compatibilidade e Confiabilidade: A estratégia não afeta as características originais de recuperação de tensão do sistema e equilibra a segurança do FCL (protegendo o MOA) com as necessidades de recuperação rápida.
  4. Fácil Implementação: Baseada em sinais de proteção existentes, a estratégia requer modificações mínimas aos sistemas secundários, é de baixo custo e adequada para projetos EAT existentes ou novos nos países do Sudeste Asiático.

6. Conclusão e Recomendações
Para as redes EAT do Sudeste Asiático planejadas ou já equipadas com FCLs do tipo descarga de arrester de óxido metálico, é essencial dar alta importância ao potencial problema de oscilação de baixa frequência nas correntes de arco secundário, que pode reduzir as taxas de sucesso da SPAR e ameaçar a confiabilidade do fornecimento de energia.

08/26/2025
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