Limitador de corrent de falla en sèrie resonant basat en components convencionals: una solució econòmica i fiable per a la corrent de curtcircuït

1. Introducció: Context de la recerca i objectius principals​

1. ​Gravetat del problema de la corrent d'aturada​
   Amb l'expansió contínua de l'escala de la xarxa elèctrica i el creixement constant de la seva capacitat, el nivell de corrent d'aturada del sistema ha augmentat dràsticament, aproximant-se o superant els límits de resistència dels equips existents.
   • ​Suport de dades:​​ La monitorització indica que la corrent d'aturada prevista en algunes subestacions de 500kV, 220kV i fins i tot 10kV a nivell domèstic ha superat els 100 kA; el component periòdic màxim de la corrent d'aturada en les fonts d'energia principals arriba a 300 kA.
   • ​Riscos greus:​​ Les corrents d'aturada extremadament altes resulten en una falta de models adequats de circuit breakers d'alta tensió, causen danys als equips elèctrics per superar els límits tèrmics i eletrodinàmics, i també poden conduir a problemes de seguretat com la interferència electromagnètica en sistemes de comunicació, l'augment del potencial terra i la tensió de pas. Això ha esdevingut un coll d'ampolla tècnic clau que restringeix el desenvolupament segur i econòmic de la xarxa elèctrica.
2. ​Limitacions de les tecnologies FCL existents​
   Les tecnologies actuals de limitadors de corrent d'aturada (FCL) tenen defectes inerents, dificultant la seva aplicació a gran escala:
   • ​FCL superconductors:​​ Es basen en materials superconductors, una tecnologia encara no madura, amb baixa fiabilitat, costos d'operació i manteniment elevats, i desfavorables econòmicament, impediint-ne l'aplicació en enginyeria a curt i mig termini.
   • ​FCL electrònics de potència:​​ Limitats per la capacitat de suport de tensió i portada de corrent dels dispositius semiconductors de potència, enfronten reptes en el control de la compartició de tensió i corrent en sèrie/paral·lel, tenen una estructura de sistema complexa (requereixen components addicionals de limitació de corrent i circuits de protecció ràpida), i són caros.
3. ​Objectiu principal d'aquesta recerca​
   Per abordar aquests problemes, aquest estudi pretén proposar una solució de limitador de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basada en components elèctrics convencionals, sense superconductors ni electrònica de potència. Específicament, s'estudien dues topologies:
4. Limitador de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basat en un reactor saturable
5. Limitador de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basat en un paràlit ZnO
   Aquesta recerca utilitzarà la simulació del Programa de Transients Elèctromagnètics (EMTP) per analitzar profundament les seves característiques de limitació de corrent transitories, realitzar una comparació, i finalment verificar les seves avantatges significatius en termes de viabilitat tècnica, economia i fiabilitat operativa.

​II. Limitador de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basat en un reactor saturable​

1. ​Topologia del circuit i principi de funcionament​
   • ​Estructura topològica:​​ El nucli consisteix en un reactor saturable L_B, un condensador C, i un reactor en sèrie L. L_B està connectat en paral·lel amb C, i aquesta combinació es connecta en sèrie amb L al sistema.
   • ​Principi de funcionament:​​
   o ​Operació normal:​​ La corrent de línia és petita. L_B opera en la regió no saturada (la seva inductància equivalent L_B1 és molt gran). La seva combinació en paral·lel amb C comporta inductivament. Junts amb el reactor en sèrie L, satisfan la condició de rèsonància en sèrie a freqüència d'ona (ωL - 1/ωC ≈ 0). El dispositiu presenta una impedància molt baixa, resultant en pèrdues mínimes del sistema.
   o ​Estat de fallada:​​ Un increment brusc de la corrent d'aturada satura ràpidament L_B (la seva inductància equivalent disminueix bruscament a L_B2). La seva branca en paral·lel efectivament curta-circuita el condensador C, rompent així la condició de rèsonància. En aquest moment, el reactor en sèrie L i el reactor saturat L_B2 s'inserten al sistema, limitant efectivament la corrent d'aturada.
   o ​Eliminació de la fallada:​​ Després de la eliminació de la fallada, la corrent disminueix. L_B surt automàticament de la saturació, el condensador es reincorpora, i el circuit torna a l'estat de rèsonància, assolint un commutació autotriggered sense font d'alimentació externa.
   • ​Principis de selecció de paràmetres:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (Assegura que la branca en paral·lel comporti inductivament durant l'operació normal)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisfà la condició de rèsonància per a l'operació normal)
   o ω²L_B2C << 1 (Assegura que la branca en paral·lel comporti capacitivament durant una fallada, efectivament curt-circuitant el condensador)
2. ​Anàlisi de simulació de la característica de limitació de corrent (EMTP)​​
   Es va realitzar una simulació sota una condició de fallada de fàsica a terra en un sistema de 220kV (corrent d'aturada prevista pico: 110kA). Les conclusions principals són les següents:

​III. Limitador de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basat en un paràlit ZnO​

1. ​Topologia del circuit i principi de funcionament​
   • ​Estructura topològica:​​ El reactor saturable L_B es substitueix per un paràlit ZnO. La resta de l'estructura (C en paral·lel + L en sèrie) roman inalterada.
   • ​Principi de funcionament:​​ El principi és el mateix que el del tipus de reactor saturable. Durant l'operació normal, el ZnO exhibeix una alta resistència, i el circuit resona. Durant una fallada, la tensió creixent del condensador fa que el ZnO conduïsca (presentant una baixa resistència), curt-circuitant el condensador i trencant la rèsonància. El reactor en sèrie L limita la corrent. El sistema es recupera automàticament després de la eliminació de la fallada. Tot el procés utilitza les característiques no lineals volt-amper de ZnO per a la commutació automàtica.
2. ​Anàlisi de simulació de la característica de limitació de corrent​
   La simulació sota les mateixes condicions del sistema va produir les conclusions principals següents:

​IV. Comparació global de les dues solucions FCL​

​V. Conclusió​

Aquest estudi proposa dues solucions innovadores de limitadors de corrent d'aturada en rèsonància sèrie basades en components convencionals, superant amb èxit els colls d'ampolla tècnics i econòmics dels FCL superconductors i electrònics de potència tradicionals.

1. ​FCL de reactor saturable:​​ A través de l'optimització meticulosa de les característiques de l'histeresis del nucli, establint el valor de la inductància saturada (L_B2) a aproximadament 1/3 de la reactància capacitiva, i assegurant una bona coordinació amb els paràmetres del condensador i el reactor en sèrie, pot suprimir eficàciam ent la sobretensió del condensador i assolir un excel·lent rendiment de limitació de corrent transitori. És particularment adequat per a xarxes de nivell de tensió mitjà-baix com ara 110kV.
2. ​FCL de paràlit ZnO:​​ Utilitzant les característiques no lineals del ZnO, limita fàcilment la sobretensió del condensador, i el seu rendiment no està afectat pel angle de fase de la fallada. No obstant això, cal prestar atenció a evitar la sobretensió en el propi reactor en sèrie causada per valors excessius de L. És més adequat per a ocasions amb requisits elevats de seguretat del condensador i necessitats moderades de limitació de corrent.