Limitador de Corrente de Falha em Ressonância Série Baseado em Componentes Convencionais: Uma Solução Económica e Confiável para a Corrente de Curto-Circuito

1. Introdução: Contexto de Pesquisa e Objetivos Principais

1. Gravidade do Problema da Corrente de Curto-Circuito
   Com a expansão contínua da escala da rede elétrica e o constante crescimento de sua capacidade, o nível de corrente de curto-circuito do sistema aumentou significativamente, aproximando-se ou até mesmo excedendo os limites de resistência do equipamento existente.
   • Suporte de Dados: A monitorização indica que a corrente de curto-circuito prevista em algumas subestações de 500kV, 220kV e até 10kV no país ultrapassou 100 kA; a componente periódica máxima da corrente de curto-circuito nas principais fontes de energia atinge até 300 kA.
   • Riscos Graves: As correntes de curto-circuito extremamente elevadas resultam na falta de modelos adequados de disjuntores de alta tensão, causam danos ao equipamento elétrico devido à superação dos limites de força térmica e eletrodinâmica, e podem também levar a problemas de segurança como interferência eletromagnética nos sistemas de comunicação, elevação do potencial do solo e tensão de passo. Isso se tornou um gargalo técnico-chave que restringe o desenvolvimento seguro e econômico da rede elétrica.
2. Limitações das Tecnologias FCL Existentes
   As tecnologias atuais de limitadores de corrente de falha (FCL) têm desvantagens inerentes, tornando difícil sua aplicação em larga escala:
   • FCL Supercondutor: Baseia-se em materiais supercondutores, uma tecnologia ainda não madura, com baixa confiabilidade, altos custos de operação e manutenção, e desfavorável economicamente, impedindo sua aplicação em engenharia a curto e médio prazo.
   • FCL Eletrônico de Potência: Limitado pela capacidade de suportar tensão e corrente dos dispositivos semicondutores de potência, enfrenta desafios no controle de compartilhamento de tensão e corrente em série/paralelo, possui uma estrutura de sistema complexa (necessitando de componentes adicionais de limitação de corrente e circuitos de proteção rápida), e é caro.
3. Objetivo Principal desta Pesquisa
   Para abordar as questões acima, este estudo visa propor uma solução de limitador de corrente de falha em ressonância série baseada em componentes elétricos convencionais, que não é supercondutora nem eletrônica de potência. Especificamente, são estudadas duas topologias:
4. FCL em Ressonância Série baseado em Reator Saturável
5. FCL em Ressonância Série baseado em Descarregador ZnO
   Esta pesquisa utilizará simulação de Programa de Transientes Eletromagnéticos (EMTP) para analisar profundamente suas características de limitação de corrente transitória, realizar uma comparação e, finalmente, verificar suas vantagens significativas em viabilidade técnica, economia e confiabilidade operacional.

II. FCL em Ressonância Série Baseado em Reator Saturável

1. Topologia do Circuito e Princípio de Funcionamento
   • Estrutura Topológica: O núcleo consiste em um reator saturável L_B, um capacitor C e um reator em série L. L_B está conectado em paralelo com C, e esta combinação é então conectada em série com L no sistema.
   • Princípio de Funcionamento:
   o Operação Normal: A corrente da linha é pequena. L_B opera na região não saturada (sua indutância equivalente L_B1 é muito grande). Sua combinação em paralelo com C comporta-se indutivamente. Juntamente com o reator em série L, eles satisfazem a condição de ressonância série na frequência de alimentação (ωL - 1/ωC ≈ 0). O dispositivo apresenta impedância muito baixa, resultando em perdas mínimas no sistema.
   o Estado de Falha: Um aumento repentino da corrente de curto-circuito satura rapidamente L_B (sua indutância equivalente cai drasticamente para L_B2). Seu ramo paralelo efetivamente curta-circuita o capacitor C, rompendo a condição de ressonância. Neste ponto, o reator em série L e o reator saturado L_B2 são ambos inseridos no sistema, limitando efetivamente a corrente de curto-circuito.
   o Limpeza de Falha: Após a limpeza da falha, a corrente diminui. L_B sai automaticamente da saturação, o capacitor é reengatado, e o circuito retorna ao estado de ressonância, alcançando a comutação automática sem fonte de alimentação externa.
   • Princípios de Seleção de Parâmetros:
   o ω²L_B1C >> 1 (Garante que o ramo paralelo se comporte indutivamente durante a operação normal)
   o ωL - 1/ωC ≈ 0 (Satisfaz a condição de ressonância para a operação normal)
   o ω²L_B2C << 1 (Garante que o ramo paralelo se comporte capacitivamente durante a falha, curto-circuitando efetivamente o capacitor)
2. Análise de Simulação de Características de Limitação de Corrente (EMTP)
   A simulação foi realizada sob condições de falha de curto-circuito unifásico-terra em um sistema de 220kV (corrente de curto-circuito prevista pico: 110kA). As conclusões principais são as seguintes:

III. FCL em Ressonância Série Baseado em Descarregador ZnO

1. Topologia do Circuito e Princípio de Funcionamento
   • Estrutura Topológica: O reator saturável L_B é substituído por um descarregador ZnO. A estrutura restante (paralelo C + série L) permanece inalterada.
   • Princípio de Funcionamento: O princípio é o mesmo do tipo com reator saturável. Durante a operação normal, o ZnO exibe alta resistência, e o circuito ressona. Durante a falha, o aumento da tensão do capacitor faz com que o ZnO conduza (apresentando baixa resistência), curta-circuitando o capacitor e rompendo a ressonância. O reator em série L limita a corrente. O sistema recupera-se automaticamente após a limpeza da falha. O processo inteiro utiliza as características não lineares de voltagem-corrente do ZnO para a comutação automática.
2. Análise de Simulação de Características de Limitação de Corrente
   A simulação sob as mesmas condições do sistema produziu as seguintes conclusões principais:

IV. Comparação Abrangente dos Dois Esquemas FCL

V. Conclusão

Este estudo propõe duas soluções inovadoras de limitadores de corrente de falha em ressonância série baseadas em componentes convencionais, superando com sucesso os gargalos técnicos e econômicos dos FCLs tradicionais supercondutores e eletrônicos de potência.

1. FCL com Reator Saturável: Através da otimização meticulosa das características do ciclo de histerese do núcleo, definindo o valor de indutância saturada (L_B2) para aproximadamente 1/3 da reatância capacitiva, e garantindo boa coordenação com os parâmetros do capacitor e do reator em série, pode-se suprimir efetivamente a sobretensão do capacitor e obter excelente desempenho de limitação de corrente transitória. É particularmente adequado para redes de tensão média-baixa, como 110kV.
2. FCL com Descarregador ZnO: Utilizando as características não lineares do ZnO, limita facilmente a sobretensão do capacitor, e seu desempenho não é afetado pelo ângulo de fase do curto-circuito. No entanto, deve-se prestar atenção para evitar a sobretensão no próprio reator em série causada por valores excessivos de L. É mais adequado para ocasiões com altos requisitos de segurança do capacitor e necessidades moderadas de limitação de corrente.