Limitador de corriente de fallo en resonancia serie basado en componentes convencionales: Unha solución económica e fiable para a corrente de cortocircuito

1. Introdución: Antecedentes da investigación e obxectivos principais​

1. ​Gravedade do problema da corrente de cortocircuito​
   Conforme a continua expansión da escala da rede eléctrica e o crecemento constante da súa capacidade, o nivel de corrente de cortocircuito do sistema aumentou en forma significativa, aproximándose ou incluso superando os límites de resistencia do equipamento existente.
   • ​Soporte de datos:​​ A monitorización indica que a corrente de cortocircuito prevista en algúns subcentros de 500kV, 220kV e incluso 10kV no país superou os 100 kA; a compoñente periódica máxima da corrente de cortocircuito nas principais fontes de enerxía alcanza ata 300 kA.
   • ​Peligros graves:​​ As correntes de cortocircuito extremadamente altas resultan na falta de modelos adecuados de interruptores de alta tensión, causan danos no equipo eléctrico ao superar os límites térmicos e electrodinámicos, e tamén poden provocar problemas de seguridade como a interferencia electromagnética nos sistemas de comunicación, o aumento do potencial do terreo e a tensión de paso. Isto converteuse nun cuello de botella técnico clave que restrinxe o desenvolvemento seguro e económico da rede eléctrica.
2. ​Limitacións das tecnoloxías FCL existentes​
   As actuais tecnoloxías mainstream de limitadores de corrente de falla (FCL) teñen desvantaxes inerentes, dificultando a súa aplicación a gran escala:
   • ​FCL supercondutor:​​ Dependente de materiais superconductores, unha tecnoloxía que aínda non está madura, ofrece baixa fiabilidade, implica custos de operación e mantemento elevados e é económicamente desfavorable, impedindo a súa aplicación en xinería a curto e medio prazo.
   • ​FCL electrónico de potencia:​​ Limitado pola capacidade de soportar voltaxe e corrente dos dispositivos semiconductores de potencia, enfrenta desafíos no control de compartición de voltaxe e corrente en serie/paralelo, presenta unha estrutura de sistema complexa (que require componentes adicionais de limitación de corrente e circuitos de protección rápida) e é cara.
3. ​Obxectivo principal desta investigación​
   Para abordar as mencionadas cuestións, este estudo ten como obxectivo propoñer unha solución de limitador de corrente de falla en resonancia serie baseada en componentes eléctricos convencionais, que non é superconductora nin electrónica de potencia. Específicamente, estudanse dúas topoloxías:
4. FCL en resonancia serie baseado nun reactor saturable
5. FCL en resonancia serie baseado nun pararrayos ZnO
   Esta investigación utilizará a simulación do Programa de Transitorios Electromagnéticos (EMTP) para analizar profundamente as súas características transitorias de limitación de corrente, realizar unha comparación e, finalmente, verificar as súas significativas vantaxes en termos de viabilidade técnica, economía e fiabilidade operativa.

​II. FCL en Resonancia Serie Baseado en Reactor Saturable​

1. ​Topoloxía do circuito e principio de funcionamento​
   • ​Estrutura topolóxica:​​ O núcleo consiste nun reactor saturable L_B, un condensador C e un reactor en serie L. L_B está conectado en paralelo con C, e esta combinación está entón conectada en serie con L no sistema.
   • ​Principio de funcionamento:​​
   o ​Operación normal:​​ A corrente da liña é pequena. L_B opera na rexión insaturada (a súa inductancia equivalente L_B1 é moi grande). A súa combinación en paralelo con C se comporta inductivamente. Xunto co reactor en serie L, satisfacen a condición de resonancia serie en frecuencia de potencia (ωL - 1/ωC ≈ 0). O dispositivo presenta unha impedancia moi baixa, resultando en perdas mínimas do sistema.
   o ​Estado de falla:​​ Un aumento repentino da corrente de cortocircuito satura rapidamente L_B (a súa inductancia equivalente cae bruscamente a L_B2). A súa rama en paralelo efectivamente curta-circuita o condensador C, rompendo así a condición de resonancia. Nese momento, o reactor en serie L e o reactor saturado L_B2 están ambos inseridos no sistema, limitando eficazmente a corrente de cortocircuito.
   o ​Limpieza da falla:​​ Despois de limpar a falla, a corrente diminúe. L_B sai automaticamente da saturación, o condensador volve a conectarse, e o circuito volve ao estado de resonancia, logrando a conmutación automática sen fonte de enerxía externa.
   • ​Principios de selección de parámetros:​​
   o ω²L_B1C >> 1 (asegura que a rama en paralelo se comporte inductivamente durante a operación normal)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (satisfai a condición de resonancia para a operación normal)
   o ω²L_B2C << 1 (asegura que a rama en paralelo se comporte capacitivamente durante unha falla, efectivamente curta-circuitando o condensador)
2. ​Análise de simulación das características de limitación de corrente (EMTP)​​
   Realizouse a simulación baixo unha condición de falla de cortocircuito monofásico a terra nun sistema de 220kV (corriente de cortocircuito prevista pico: 110kA). As conclusións clave son as seguintes:

​III. FCL en Resonancia Serie Baseado en Pararrayos ZnO​

1. ​Topoloxía do circuito e principio de funcionamento​
   • ​Estrutura topolóxica:​​ O reactor saturable L_B é substituído por un pararrayos ZnO. A estrutura restante (C en paralelo + L en serie) permanece inalterada.
   • ​Principio de funcionamento:​​ O principio é o mesmo que o tipo de reactor saturable. Durante a operación normal, o ZnO exhibe unha alta resistencia, e o circuito resoa. Durante unha falla, o aumento da tensión do condensador fai que o ZnO conduza (presentando baixa resistencia), curta-circuitando o condensador e rompendo a resonancia. O reactor en serie L limita a corrente. O sistema recupérase automaticamente despois de limpar a falla. Todo o proceso utiliza as características non lineares de voltax-corriente do ZnO para a conmutación automática.
2. ​Análise de simulación das características de limitación de corrente​
   A simulación baixo as mesmas condicións do sistema produciu as seguintes conclusións clave:

​IV. Comparación comprehensiva dos dous esquemas FCL​

​V. Conclusión​

Este estudo propón dúas innovadoras soluciones de limitador de corrente de falla en resonancia serie baseadas en componentes convencionais, superando con éxito os cuellos de botella técnicos e económicos dos FCL superconductores e electrónicos de potencia tradicionais.

1. ​FCL baseado en reactor saturable:​​ A través dunha meticulosa optimización das características do bucle de histerese do núcleo, establecendo o valor de inductancia saturada (L_B2) a aproximadamente 1/3 da reactivancia capacitiva, e asegurando unha boa coordinación co parámetros do condensador e do reactor en serie, pode suprimir eficazmente a sobretensión do condensador e lograr un excelente rendemento de limitación de corrente transitoria. É especialmente apto para redes de media-baixa tensión como 110kV.
2. ​FCL baseado en pararrayos ZnO:​​ Utilizando as características non lineares do ZnO, limita facilmente a sobretensión do condensador, e o seu rendemento non está afectado polo ángulo de fase do cortocircuito. No entanto, debe prestar atención para evitar a sobretensión no propio reactor en serie causada por valores de L excessivos. É máis apto para ocasións con altos requisitos de seguridade do condensador e necesidades moderadas de limitación de corrente.