ES2226781T3 - Limitador de la corriente con valvulas electronicas para limitar la corriente de cortocircuito en un circuito de potencia electrico. - Google Patents
Limitador de la corriente con valvulas electronicas para limitar la corriente de cortocircuito en un circuito de potencia electrico.Info
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Abstract
Limitador de corriente con válvulas eléctricas para la limitación de la corriente de cortocircuito en un circuito de corriente de potencia eléctrica, que está constituido por: dos inductividades / bobinas de reactancia (1, 2) conectadas en serie entre sí, dos válvulas (3, 4) conectadas en serie entre sí, que se encuentran paralelas a las bobinas de reactancia (1, 2) conectadas en serie, que están dirigidas opuestas entre sí en su dirección de paso, una conexión desde el punto de potencial común de las válvulas (3, 4) hasta el punto común de las dos inductividades (1, 2), caracterizado porque las válvulas (3, 4) son válvulas semicontroladas, que son activadas durante la puesta en funcionamiento del limitador de corriente a través de control externo y el limitador de la corriente limita de forma automática la corriente en el caso de fallo, cuando se excede un umbral predeterminado de la corriente, llevando las válvulas (3, 4) sin señales de control adicionales desde el exterior desde el estado conductor al estado de bloqueo y permaneciendo en éste.
Description
Limitador de la corriente con válvulas
electrónicas para limitar la corriente de cortocircuito en un
circuito de potencia eléctrico.
La invención se refiere a un limitador de
corriente para la limitación de las corrientes de cortocircuito en
redes de potencia.
Para la limitación de la corriente en la técnica
de energía se utilizan reactores calientes así como bobinas de
reactancia supraconductoras.
La activación del limitador de la corriente
consiste en que, en el caso de cortocircuito, se forma una
resistencia óhmica, una inductividad, o una combinación de ambas a
una altura adecuada. Se prefiere limitar la corriente de
cortocircuito a través de un elemento que se puede disparar a ser
posible pasivamente, el limitador de cortocircuito ("Fault Current
Limiter").
Los supraconductores son especialmente adecuados
para este cometido, puesto que, en el funcionamiento normal,
solamente tienen una caída pequeña de la tensión y la transición a
la línea normal provoca la formación de una resistencia eléctrica
alta y la penetración de flujos magnéticos. Esto se puede utilizar
para una función de limitación de la corriente resistiva o bien
inductiva. (Prof. Dr. Techn. P. Komarek, Hochstromanwendung der
Supraleitung, 1995).
Un alambre supraconductor no está libre de
pérdidas en el modo de corriente alterna, sino que están activos
siempre dos mecanismos de pérdida básicos, a saber, pérdidas de
corriente parásita en la matriz y pérdidas de inversión de la
polaridad magnética ("pérdidas de histéresis") en el
supraconductor duro propiamente dicho. En el modo de corriente
continua, las pérdidas en el alambre supraconductor son
prácticamente reducidas.
Se conoce a partir de la literatura un limitador
de corriente, cuya bobina de reactancia supraconductora es conmutada
al lado de la corriente continua a través de rectificadores (Boenig,
H. J., y D. A. Paice, 1983, Fault Current Limiter using a
Superconducting Coil, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 19, Nº 3,
página 1051, Mayo). En serie con la bobina de reactancia en el lado
de la corriente continua está conectada una fuente de tensión. Esta
fuente de tensión asegura el flujo de una corriente I_{0} en la
bobina de reactancia. El valor de la corriente I_{0} excede la
amplitud de la corriente alterna, que fluye a través del limitador,
con tal que no exista ningún caso de fallo, y es esencialmente menor
que la corriente de cortocircuito, pudiendo fluir entonces el puente
también a través de la corriente de carga. En este caso, la caída de
la tensión a través del limitador es igual a la caída de la tensión
a través de las válvulas en dos salientes de los puentes.
En el documento US 3.099.789 y en el documento FR
Nº 1.337.971, respectivamente, se presenta un circuito eléctrico,
que está constituido por una carga, que está conectada a través de
un circuito de protección en una fuente de energía eléctrica. El
circuito de protección sirve para la limitación de la modificación
de la corriente, para atenuar la aparición brusca de una
modificación de la corriente en la carga. El circuito de protección
está constituido por dos inductividades conectadas en serie, que
están puenteadas por dos válvulas no controladas, diodos, conectadas
en serie, y los diodos tienen una dirección de paso opuesta. El
punto común de los diodos y el de las inductividades están
conectados directamente entre sí.
Las válvulas solamente bloquean en el caso de
corrientes, que son mayores que la corriente de reacción de la
instalación de protección, es decir, la corriente inicial en las
inductividades, y conducen las porciones altas de la corriente a
través de las inductividades. En cambio, las corrientes menores, que
están presentes también siempre en las corrientes alternas, son
conducidas casi sin obstáculos a través de los diodos (resistencia
de los diodos en la dirección de paso). La corriente que fluye en
las inductividades no puede seguir a la corriente de la red que se
reduce de nuevo después del máximo de la corriente, puesto que es
cortocircuitada a través de los diodos, y se mantiene esencialmente
en el valor alcanzado.
La consideración de la semionda siguiente
respectiva es dividida en corrientes por debajo de la corriente de
reacción y por encima de la misma. Las corrientes menores toman el
camino sobre el diodo conductor, mientras que las corrientes más
altas fluyen a través de las inductividades y elevan la corriente
que ya fluye allí. Este proceso se repite con cada semionda para la
parte activa respectiva del circuito. Esto conduce en el caso de un
cortocircuito a una subida esencial de la corriente en las
inductividades y en los circuitos externos de la corriente durante
el intervalo de tiempo que es necesario al menos para la desconexión
de la instalación (100 - 150 ms) y especialmente durante el
intervalo de tiempo, que se necesita para la seguridad de la
reacción selectiva de las instalaciones de protección
(1 a 2 s).
(1 a 2 s).
A través de la utilización de válvulas
semicontroladas de forma activa, por ejemplo tiristores, en el
circuito de puente, se consigue una limitación más efectiva de la
corriente de cortocircuito (Boenig, H. J., y D. A. Paice, 1983,
Fault Current Limiter using a Superconducting Coil, IEEE
Transactions on Magnetics, Vol. 19, Nº 3, página 1051, Mayo; FR Nº
1-337-971). No obstante, en este
caso es necesario un aparato especial, que identifica un
cortocircuito y modifica el algoritmo de control para los tiristores
en el puente, es decir, que en este caso no se trata de un limitador
de la corriente que trabaja con seguridad con disparo pasivo, como
corresponde al planteamiento del cometido. El limitador de la
corriente no es en este caso ya un elemento que se puede disparar
pasivamente. El limitador de corriente desconectable necesita una
unidad de control especial para el tiristor, lo que reduce
esencialmente la fiabilidad del limitador de la corriente.
En el caso de fallo, cuando la amplitud de la
corriente alterna excede el valor I_{0} en la bobina de
reactancia, la corriente de cortocircuito es limitada a través de la
inductividad de la bobina de reactancia. La limitación de la
corriente de cortocircuito es determinada a través del valor de la
energía máxima, que es almacenada en la bobina de reactancia durante
el proceso transitorio:
W_{max} = \
^{1}/_{2} \ \text{*} \ L \ \text{*} \
I_{max}^{2}
Una optimización del limitador de la corriente
significa una reducción al mínimo de la energía almacenada en la
bobina de reactancia (W_{max}).
La invención tiene el cometido de acondicionar un
limitador de la corriente, constituido sencillo, fiable en el caso
de cortocircuito, que asegura una limitación de la corriente de
cortocircuito tanto en los primeros 100 - 150 mseg. como también en
los 1 a 2 segundos siguientes, lo que es decisivo para la
selectividad del disparo de la instalación de protección. En
resumen, debe reducirse el tiempo de reacción del limitador de la
corriente.
El cometido se soluciona a través de un limitador
de corriente según el preámbulo y los rasgos característicos de la
reivindicación 1.
Esto se consigue porque un limitador de corriente
conocido, que está constituido por dos inductividades / bobinas de
reactancia conectadas en serie, están puenteadas por dos válvulas
semicontroladas, conectadas en serie, con dirección de paso opuesta.
El punto común de las válvulas 3 y 4 no está conectado
necesariamente de forma directa con el punto común de las
inductividades 1 y 2.
En caso de fallo, es decir, en el caso de que se
exceda una corriente alta predeterminada, que está por encima de la
corriente nominal, el limitador de corriente limita porque durante
la puesta en servicio o durante la conexión, las válvulas
semiconductoras han sido activadas a través de un control externo,
pasando de forma automática desde el estado conductor al estado de
bloqueo, es decir, sin señales de control adicionales desde el
exterior, y permanece en este estado.
Las dos válvulas están semicontroladas. Son
tiristores (reivindicación 2).
En la conexión del punto potencial común de las
válvulas al punto común de las bobinas de reactancia se asienta una
fuente de tensión controlable (reivindicación 3).
En el circuito respectivo, que está formado por
la inductividad con válvula conectada en paralelo, está conectada
una fuente de tensión controlable (reivindicación 4).
La ventaja del limitador de corriente es que se
trata de un circuito de corriente disparado de forma pasiva en el
caso de cortocircuito, que asegura una limitación de la corriente de
cortocircuito tanto en los primeros 100 - 150 ms como también en los
1 - 2 s siguientes, siendo limitada la corriente en el caso de
cortocircuito a través de la resistencia inductiva de las bobinas de
reactancia en el circuito de corriente alterna y correspondiendo la
caída de la tensión a través del limitador de la corriente, en el
funcionamiento normal, prácticamente a la caída de la tensión a
través de las válvulas.
En el caso de utilización de válvulas
semicontroladas, como tiristores, por ejemplo, se lleva a cabo una
limitación automática de la corriente de cortocircuito sin señales
de control adicionales desde el exterior. Las válvulas
semicontroladas modifican la función del circuito de una manera
decisiva. Bloquean automáticamente después de la aparición de un
cortocircuito dentro del intervalo de tiempo de uno o varios
periodos de la tensión alterna y permanecen bloqueadas hasta la
desconexión completa del circuito de corriente averiado. Esto
asegura una limitación efectiva de la corriente a través de dos
bobinas de reactancia conectadas en serie para las corrientes de la
red, independientemente de sus tamaños en todos los instantes.
Las válvulas totalmente controladas como los
transistores necesitan un circuito de activación especial. Las
válvulas totalmente controladas significan un gasto adicional
considerable desde el punto de vista de la técnica e circuitos.
Durante el funcionamiento normal, fluye una
corriente casi continua a través de las bobinas de reactancia
limitadoras e la corriente. Esto significa: pérdidas mínimas en
estos elementos.
Las ventajas del limitador de corriente son las
siguientes: una reducción del tamaño de la construcción de las
bobinas de reactancia, una resistencia interna de la red pequeña y
corrientes de cortocircuito pequeñas, dimensionado de las
instalaciones y medios de funcionamiento para corrientes de
cortocircuito pequeñas, elevación decisiva de la fiabilidad del
limitador de la corriente, prolongación de la duración de vida útil
de las instalaciones y de los medios de funcionamiento,
repercusiones reducidas en el punto de fallo, mayor efectividad en
la limitación de corrientes de cortocircuito, pérdidas reducidas en
el funcionamiento normal.
A continuación se explica la invención en detalle
con la ayuda de un ejemplo de realización y en conexión con los
dibujos.
La figura 1 muestra el esquema de principio del
limitador de la corriente.
La figura 2 muestra el limitador de la corriente
con la fuente de tensión entre el punto común de las válvulas y el
punto común de las bobinas de reactancia.
La figura 3 muestra el limitador de la corriente
con dos fuentes de tensión.
La figura 4 muestra la curva de tiempo de la
corriente en los elementos del limitador de la corriente.
La figura 5 muestra la curva de la corriente de
fallo en un limitador de la corriente con válvulas no
controladas.
La figura 6 muestra la ventana de tiempo de
aplicación de la corriente de fallo.
Los elementos habituales como el circuito de
protección y una electrónica de control acoplada en el mismo no se
representan en las figuras 1 a 6 para mayor claridad y debido a que
se trata de técnica conocida.
El principio de funcionamiento del limitador de
la corriente es investigado con la ayuda de la instalación que está
constituida con tiristores como válvulas 3 y 4 semicontroladas.
Durante la puesta en funcionamiento de la
instalación, se lleva a cabo una activación de los tiristores 3 y 4
y una elevación de la corriente a través de las bobinas de
reactancia 1 y 2 hasta la corriente I_{0}, cuyo valor excede la
amplitud de la corriente alterna I_{max}, que fluye a través del
limitador en el funcionamiento normal y que es menor que la
corriente de cortocircuito. Además de la elevación de la corriente
en las bobinas de reactancia 1 y 2, se modifica la corriente a
través de los tiristores 3 y 4 en el funcionamiento normal durante
un periodo de la corriente alterna de acuerdo con las ecuaciones
siguientes (1):
I_{3} = I_{0}+
I_{MAX} \ sen \ ( \omega t \ + \
\varphi_{o}),
I_{4} = I_{0}+
I_{MAX} \ sen \ ( \omega t \ + \
\varphi_{o}).
La corriente a través de las bobinas de
reactancia se mantiene en este caso igual I_{0}.
En el caso de que aparezca un cortocircuito,
bloquea (no conductor) en primer lugar uno de los tiristores, por
ejemplo el tiristor 3, puesto que aparece una tensión invertida en
el tiristor 3. Si el periodo de tiempo, durante el cual existe una
tensión invertida en el tiristor 3, es igual o mayor que el tiempo
del restablecimiento de la resistencia eléctrica del tiristor, como
se muestra en la figura 4, entonces el tiristor 3 permanece en este
estado, en otro caso surge una situación similar con el tiristor 4.
En este caso, se eleva la corriente en la bobina de reactancia 1 y
se excede el valor I0. Durante el periodo de tiempo, durante el que
solamente bloquea el tiristor 3, la tensión de entrada es
U = U_{MAX}
\sen \ ( \omega t +
\Psi_{01}),
Y la corriente en la bobina de reactancia 1 se
puede determinar a través de la siguiente ecuación:
(2)I_{1} =
(U_{MAX} / \ \omega L_{1}) \ \text{*} \ sen \ ( \omega t + \Psi_{1})
- (U_{MAX} / \omega L_{1}) \ \text{*} \ sen \Psi_{1} \ \text{*} \ e
^{-t/ \tau1} + I_{0} \ \text{*} \ e ^{-t/
\tau1}
en la
que
\Psi_{01} es el ángulo de las fases, que se
define desde el instante de bloqueo del tiristor 3,
\Psi_{1} es el ángulo de las fases, que se
define desde el instante de bloqueo del tiristor 3 y
\omegaL_{1}/R_{1}, y en concreto con
\vskip1.000000\baselineskip
\Psi_{1} =
\Psi_{01} -
\varphi_{1},
y, por lo
tanto,
\varphi_{1} =
arctg ( \omega
L_{1}/R_{1}).
R_{1} es la resistencia del circuito
cortocircuitado,
L_{1} es la inductividad L de la bobina de
reactancia 1 o bien de la bobina de reactancia 2, más la
inductividad de la fuente L_{Q}.
\tau_{1} = L_{1}/R_{1} es la constante de
tiempo.
En este periodo de tiempo se modifica la
corriente sobre el tiristor 4 de acuerdo con la siguiente
ecuación:
(3),I_{4} =
I_{L1} + I_{0} = (U_{MAX} / \omega L_{1}) \ \text{*} \ (sen ( \omega
t + \Psi_{1}) - sen \Psi_{1} \ \text{*} \ e ^{-t/ \tau1}) + (I_{0} \
\text{*} \ e ^{-t/
\tau1})
y la corriente en la bobina de
reactancia 2 es prácticamente igual a I_{0}. Como se ve a partir
de la ecuación (3), la corriente en el circuito cortocircuitado se
eleva en la otra dirección hasta el valor
I_{0}.
Cuando se cumple la condición |I_{1}| \geq
|I_{0}|, existe también en la segunda válvula (4) una tensión
invertida y bloquea. Si el periodo de tiempo durante el que existe
una tensión invertida en el tiristor 4, es igual o mayor que el
tiempo del restablecimiento de la resistencia eléctrica del
tiristor, entonces el tiristor 4 permanece en este estado. En otro
caso, se produce esta situación más tarde en uno o varios periodos
de la corriente alterna.
En el periodo de tiempo, durante el que los dos
tiristores están cerrados, con la tensión de entrada
U = U_{MAX} \
sen (\omega t +
\Psi_{02}),
se puede determinar la corriente en
las bobinas de reactancia 1 y 2 a través de la ecuación
siguiente:
\vskip1.000000\baselineskip
(4),I_{1} =
I_{2} = (U_{MAX} / \omega L_{2}) \ \text{*} \ (sen ( \omega t +
\Psi_{2}) - sen \Psi_{1} \ \text{*} \ e ^{-t/ \tau2}) - I_{0} \
\text{*} \ e ^{-t/
\tau2}
en la que
es
L_{2} = 2L +
L_{Q} \ y \ \tau_{2} =
L_{2}/R_{2}.
R_{2} es la resistencia del circuito
cortocircuitado en el caso de dos bobinas de reactancia conectadas
en serie.
\Psi_{02} es el ángulo de las fases, que se
define desde el instante de bloqueo del tiristor 4,
\Psi_{2} es el ángulo de las fases, que se
define desde el instante de bloqueo del tiristor 4 y también
\omegaL_{2}/R_{2}, y en concreto
\Psi_{2} =
\Psi_{02} - \varphi_{2}, \ con \ \varphi_{2} = arctg \ ( \omega
L_{2}/R_{2}).
La duración de tiempo entre la aparición del
cortocircuito y el cierre de la primera válvula puede oscilar, en
función de la posición de las fases \Psi_{01} y el dimensionado
de los elementos del limitador de corriente, entre aproximadamente
0,5 ms y aproximadamente 20 ms.
La duración de tiempo desde el bloqueo del primer
tiristor hasta el bloqueo del segundo tiristor puede oscilar, en
función de la posición de las fases \Psi_{02} y el dimensionado
de los elementos del limitador de corriente entre aproximadamente 3
ms y aproximadamente 260 ms. Después del bloqueo de los dos
tiristores, se determina la corriente de cortocircuito a través de
la inductividad de dos bobinas de reactancia conectadas en serie.
Como se deduce a partir de la figura 4, la corriente de
cortocircuito se eleva en el periodo de tiempo, en el que solamente
un tiristor está bloqueado, hasta aproximadamente 2 a 3 veces el
valor de I_{max}. Después del bloqueo de la segunda válvula, se
reduce la amplitud de la corriente hasta un valor en la proximidad
de I_{max}. Es decir, en este ejemplo hasta un valor, que
corresponde prácticamente al funcionamiento normal.
El limitador de corriente con los dos tiristores
según el circuito de las figuras 2 ó 3 es investigado a continuación
en un diseño especial. La dimensión de los componentes del limitador
de la corriente y los parámetros de la línea de transmisión de
energía y de la carga son los siguientes:
| Tensión de la fuente | U_{MAX} = 410 kV, |
| Resistencia óhmica de la fuente | R_{Q} = 0,24 \Omega, |
| Resistencia inductiva de la fuente | L_{Q} = 6 mH, |
| Resistencia cómica de la carga | R_{L} = 100 \Omega |
| Inductividad de la bobina de reactancia 1 | L = 0,2 H, |
| Inductividad de la bobina de reactancia 2 | L = 0,2 H. |
En la figura 4 se muestran las curvas de las
corrientes, que fluyen a través de las bobinas de reactancia 1 y 2
así como a través del circuito a proteger, que cortocircuita la
bobina de reactancia 2. En este caso, la amplitud de la corriente,
si se produce un cortocircuito en la carga, excede la corriente
normal aproximadamente en la medida de 2,7 veces. Aproximadamente 50
ms después de la aparición del cortocircuito, se ajusta en el
limitador de la corriente un estado, en el que la corriente es
prácticamente igual a la corriente normal. En este caso, se lleva a
cabo de una forma automática la transición al régimen de limitación
de la corriente, sin señales de control externas de ningún tipo para
los tiristores 3 y 4. El limitador de la corriente se dispara de
forma automática o pasiva en virtud del estado de fallo.
Para mostrar la capacidad de potencia del
limitador de la corriente con tiristores, se confronta el limitador
de la corriente con las mismas dimensiones estructurales, pero con
diodos como válvulas no controladas.
El resultado se representa en la figura 5 con
ventana de tiempo grande, 2 s, y en la figura 6 con ventana de
tiempo pequeña, 160 ms, en torno al instante de empleo de la
corriente de fallo. Una comparación de las curvas de las figuras 4 y
5 muestra que con los mismos parámetros del circuito de corriente,
incluida la inductividad de las bobinas 1 y 2, la corriente a través
del circuito de corriente a proteger a 150 ms después del inicio del
cortocircuito en la forma de realización según la invención es 9
veces menos y después de 1,5 s es 50 menos menor que en el caso de
aplicación de diodos. En el caso de la desconexión del circuito de
corriente perturbado después de 2 s o más tarde, la efectividad del
limitador de la corriente con tiristores es todavía mayor.
Otra investigación muestra que cuando se eleva en
el limitador de la corriente con diodos como válvulas, la
inductividad de las bobinas de reactancia hasta el punto de que se
consigue la misma limitación de la corriente que los valores máximos
con el limitador de la corriente según la invención con tiristores,
debe elevarse la inductividad de las bobinas de reactancia de 0,2 H
a 20 H. Es decir, dos órdenes de magnitud más.
Para la seguridad de la selectividad de la
reacción de las instalaciones de protección en el caso de un
cortocircuito, es necesario un retraso de la desconexión de la
corriente de 1,5 a 2 s. El limitador de la corriente según la
invención tiene, con un retraso de desconexión de este tipo, una
capacidad total de energía de las válvulas de reactancia de
limitación de la corriente más de 2 órdenes de magnitud menor que
con limitadores de la corriente con diodos. Esto es una ventaja
decisiva desde el punto de vista económico en la concepción y
realización.
Claims (4)
1. Limitador de corriente con válvulas eléctricas
para la limitación de la corriente de cortocircuito en un circuito
de corriente de potencia eléctrica, que está constituido por:
dos inductividades / bobinas de reactancia (1, 2)
conectadas en serie entre sí,
dos válvulas (3, 4) conectadas en serie entre sí,
que se encuentran paralelas a las bobinas de reactancia (1, 2)
conectadas en serie, que están dirigidas opuestas entre sí en su
dirección de paso,
una conexión desde el punto de potencial común de
las válvulas (3, 4) hasta el punto común de las dos inductividades
(1, 2),
caracterizado
porque
las válvulas (3, 4) son válvulas semicontroladas,
que son activadas durante la puesta en funcionamiento del limitador
de corriente a través de control externo y el limitador de la
corriente limita de forma automática la corriente en el caso de
fallo, cuando se excede un umbral predeterminado de la corriente,
llevando las válvulas (3, 4) sin señales de control adicionales
desde el exterior desde el estado conductor al estado de bloqueo y
permaneciendo en éste.
2. Limitador de corriente según la reivindicación
1, caracterizado porque las dos válvulas (3, 4) son
tiristores.
3. Limitador de corriente según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque en la conexión
desde el punto de potencial común de las válvulas (3, 4) al punto
común de las dos bobinas de reactancia (1, 2) se encuentra una
fuente de tensión (5) controlable.
4. Limitador de corriente según las
reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque en serie con las
dos válvulas
(3, 4) y en la dirección de paso de la válvula (3 ó 4) respectiva está conectada, respectivamente, una fuente de tensión (6, 7) controlable y el punto común de las válvulas de reactancia (1, 2) está conectado directamente con el punto común de las válvulas (3, 4).
(3, 4) y en la dirección de paso de la válvula (3 ó 4) respectiva está conectada, respectivamente, una fuente de tensión (6, 7) controlable y el punto común de las válvulas de reactancia (1, 2) está conectado directamente con el punto común de las válvulas (3, 4).
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