Limitador de Corriente de Falla en Resonancia Serie Basado en Componentes Convencionales: Una Solución Económica y Fiable para la Corriente de Cortocircuito

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Introducción: Antecedentes de la Investigación y Objetivos Principales

Gravedad del Problema de la Corriente de Cortocircuito
Con la expansión continua de la escala de la red eléctrica y el crecimiento constante de su capacidad, el nivel de corriente de cortocircuito del sistema ha aumentado significativamente, acercándose o incluso superando los límites de resistencia del equipo existente.
• Soporte de Datos: La monitorización indica que la corriente de cortocircuito esperada en algunas subestaciones de 500kV, 220kV e incluso 10kV en el país ha superado los 100 kA; el componente periódico máximo de la corriente de cortocircuito en las principales fuentes de energía alcanza hasta 300 kA.
• Peligros Graves: Las corrientes de cortocircuito extremadamente altas resultan en la falta de modelos adecuados de interruptores de alta tensión, causan daños en el equipo eléctrico debido a la superación de los límites de fuerza térmica y electrodinámica, y también pueden provocar problemas de seguridad como la interferencia electromagnética en los sistemas de comunicación, el aumento del potencial de tierra y la tensión de paso. Esto se ha convertido en un cuello de botella técnico clave que restringe el desarrollo seguro y económico de la red eléctrica.
Limitaciones de las Tecnologías FCL Existentes
Las tecnologías actuales de limitadores de corriente de falla (FCL) tienen desventajas inherentes, lo que dificulta su aplicación a gran escala:
• FCL Superconductor: Se basa en materiales superconductores, una tecnología aún no madura, que ofrece baja confiabilidad, implica costos operativos y de mantenimiento elevados y es económicamente desfavorable, lo que impide su aplicación en ingeniería a corto y mediano plazo.
• FCL Electrónico de Potencia: Limitado por la capacidad de soportar voltaje y corriente de los dispositivos semiconductores de potencia, enfrenta desafíos en el control de la compartición de voltaje y corriente en serie/paralelo, presenta una estructura de sistema compleja (requiere componentes adicionales de limitación de corriente y circuitos de protección rápida) y es costoso.
Objetivo Principal de Esta Investigación
Para abordar los problemas mencionados, este estudio tiene como objetivo proponer una solución de limitador de corriente de falla en resonancia serie basada en componentes eléctricos convencionales, que no es superconductora ni electrónica de potencia. Específicamente, se estudian dos topologías:
Limitador de Corriente de Falla en Resonancia Serie Basado en un Reactor Saturable
Limitador de Corriente de Falla en Resonancia Serie Basado en un Aislante ZnO
Esta investigación utilizará la simulación del Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP) para analizar profundamente sus características transitorias de limitación de corriente, realizar una comparación y, finalmente, verificar sus ventajas significativas en factibilidad técnica, economía y confiabilidad operativa.

II. Limitador de Corriente de Falla en Resonancia Serie Basado en Reactor Saturable

Topología del Circuito y Principio de Funcionamiento
• Estructura Topológica: El núcleo consiste en un reactor saturable L_B, un condensador C y un reactor en serie L. L_B está conectado en paralelo con C, y esta combinación se conecta en serie con L al sistema.
• Principio de Funcionamiento:
o Operación Normal: La corriente de línea es pequeña. L_B opera en la región no saturada (su inductancia equivalente L_B1 es muy grande). Su combinación en paralelo con C se comporta inductivamente. Junto con el reactor en serie L, satisfacen la condición de resonancia en serie de frecuencia de potencia (ωL - 1/ωC ≈ 0). El dispositivo presenta una impedancia muy baja, resultando en pérdidas mínimas del sistema.
o Estado de Fallo: Un aumento repentino de la corriente de cortocircuito satura rápidamente L_B (su inductancia equivalente disminuye bruscamente a L_B2). Su rama en paralelo efectivamente cortocircuita el condensador C, rompiendo así la condición de resonancia. En este punto, el reactor en serie L y el reactor saturado L_B2 se insertan en el sistema, limitando eficazmente la corriente de cortocircuito.
o Limpieza de Fallos: Después de que se limpia el fallo, la corriente disminuye. L_B sale automáticamente de la saturación, el condensador se vuelve a conectar y el circuito vuelve al estado de resonancia, logrando un cambio automático sin fuente de alimentación externa.
• Principios de Selección de Parámetros:
o ω²L_B1C >> 1 (Asegura que la rama en paralelo se comporte inductivamente durante la operación normal)
o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisface la condición de resonancia para la operación normal)
o ω²L_B2C << 1 (Asegura que la rama en paralelo se comporte capacitivamente durante un fallo, efectivamente cortocircuitando el condensador)
Análisis de Simulación de Características de Limitación de Corriente (EMTP)
Se realizó una simulación bajo la condición de un fallo de cortocircuito monofásico a tierra en un sistema de 220kV (corriente de cortocircuito pico esperada: 110kA). Las conclusiones clave son las siguientes:

Factor Influyente	Conclusión Principal	Datos de Simulación Típicos (Ejemplo)
1. Inductancia No Saturada L_B1	Aumentar L_B1 reduce significativamente la sobretensión del condensador, pero tiene poco efecto en la corriente de cortocircuito; el efecto se satura.	L_B1=1317mH: Tensión del condensador 270kV; L_B1=1321mH: Tensión del condensador 157kV (disminución del 42%)
2. Inductancia Saturada L_B2	Existe un rango óptimo (1-7mH). Si es demasiado pequeño, la limitación es pobre; si es demasiado grande, causa una sobretensión severa del condensador.	L_B2=7mH (C=507μF, L=20mH): Corriente de cortocircuito 25kA, Tensión del condensador 157kV
3. Coordinación de Parámetros C/L	Existe una combinación óptima para controlar cooperativamente la corriente de cortocircuito y la sobretensión del condensador.	Combinación óptima (C=406μF, L=25mH): Corriente de cortocircuito 22kA, Tensión del condensador 142kV
4. Ángulo de Inicio del Cortocircuito	Las características transitorias están altamente influenciadas por el ángulo de fase; la sobretensión más severa ocurre a 0°/180°; el diseño debe considerar el peor caso.	Fase 0°: Corriente de cortocircuito 18kA, Tensión del condensador 201kV; Fase 90°: Corriente de cortocircuito 22kA, Tensión del condensador 142kV

III. Limitador de Corriente de Falla en Resonancia Serie Basado en Aislante ZnO

Topología del Circuito y Principio de Funcionamiento
• Estructura Topológica: El reactor saturable L_B se reemplaza por un aislante ZnO. La estructura restante (C en paralelo + L en serie) permanece inalterada.
• Principio de Funcionamiento: El principio es el mismo que el tipo de reactor saturable. Durante la operación normal, el ZnO exhibe una alta resistencia, y el circuito resuena. Durante un fallo, el aumento de la tensión del condensador hace que el ZnO conduzca (presentando una baja resistencia), cortocircuitando el condensador y rompiendo la resonancia. El reactor en serie L limita la corriente. El sistema se recupera automáticamente después de la limpieza del fallo. Todo el proceso utiliza las características no lineales voltamperométricas del ZnO para el cambio automático.
Análisis de Simulación de Características de Limitación de Corriente
La simulación bajo las mismas condiciones del sistema arrojó conclusiones clave:

Factor Influyente	Conclusión Principal	Datos de Simulación Típicos (Ejemplo)
1. Voltaje Residual del Aislante & Coordinación C/L	Es fácil limitar la sobretensión del condensador, pero aumentar L para buscar una corriente de cortocircuito más baja lleva a un exceso de tensión en el reactor en serie.	C=254μF, L=40mH: Corriente de cortocircuito 20kA, Tensión del reactor 246kV; C=507μF, L=20mH: Corriente de cortocircuito 35kA, Tensión del reactor 173kV
2. Ángulo de Inicio del Cortocircuito	Las características transitorias son insensibles al ángulo de fase del cortocircuito, solo afectan la magnitud de la corriente; la corriente máxima ocurre a 90°.	Fase 90° (C=507μF, L=20mH): Corriente de cortocircuito 35kA; Fase 0°: Corriente de cortocircuito 28kA

IV. Comparación Integral de las Dos Soluciones FCL

Dimensión de Comparación	FCL Basado en Reactor Saturable	FCL Basado en Aislante ZnO
Ventaja Principal	Efecto de limitación de corriente superior; se puede lograr un buen equilibrio entre la corriente de cortocircuito y la sobretensión de los componentes a través de la optimización de parámetros.	Facilidad para limitar la sobretensión del condensador; las características transitorias no se ven afectadas por el ángulo de fase del cortocircuito; diseño más simple.
Limitación Principal	Requiere una optimización precisa de las características de histéresis del núcleo y los parámetros C/L; difícil control de la sobretensión del condensador; afectado significativamente por la fase del cortocircuito.	Problema destacado de sobretensión en el reactor en serie cuando se busca una corriente de cortocircuito baja; requiere un control estricto del valor L.
Requisito de Parámetro Clave	Inductancia equivalente saturada óptima L_B2 ≈ 1/3 de la reactancia capacitiva.	El valor de inductancia del reactor en serie no debe ser demasiado grande.
Preferencia de Escenario Aplicable	Adecuado para niveles de tensión medio-bajo (por ejemplo, 110kV) en redes de alta tensión, donde se requiere un alto rendimiento de limitación de corriente.	Adecuado para escenarios sensibles a la sobretensión del condensador con requisitos moderados de limitación de corriente de cortocircuito.
Características Comunes	1. Estructura simple: Compuesta completamente por componentes eléctricos convencionales, sin control complejo; 2. Buena economía: Costo mucho menor que los tipos superconductores y electrónicos de potencia; 3. Alta confiabilidad: Operación automática basada en características físicas, sin necesidad de control externo; 4. Cambio automático: Recuperación instantánea después de la limpieza del fallo.

V. Conclusión

Este estudio propone dos soluciones innovadoras de limitadores de corriente de falla en resonancia serie basadas en componentes convencionales, superando exitosamente los cuellos de botella técnicos y económicos de los FCL superconductores y electrónicos de potencia tradicionales.

FCL de Reactor Saturable: A través de una meticulosa optimización de las características del bucle de histéresis del núcleo, estableciendo el valor de inductancia saturada (L_B2) a aproximadamente 1/3 de la reactancia capacitiva y asegurando una buena coordinación con los parámetros del condensador y el reactor en serie, puede suprimir eficazmente la sobretensión del condensador y lograr un excelente rendimiento de limitación de corriente transitorio. Es particularmente adecuado para redes de niveles de tensión medio-bajo como 110kV.
FCL de Aislante ZnO: Utilizando las características no lineales del ZnO, se puede limitar fácilmente la sobretensión del condensador, y su rendimiento no se ve afectado por el ángulo de fase del cortocircuito. Sin embargo, se debe prestar atención a evitar la sobretensión en el propio reactor en serie causada por valores excesivos de L. Es más adecuado para ocasiones con altos requisitos de seguridad del condensador y necesidades moderadas de limitación de corriente.

08/26/2025

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