Studio sulla Selezione Ottimale della Resistenza per Limitatori di Corrente di Cortocircuito a Superconduttività Resistori nei Sistemi di Trasmissione DC Flessibili

1 Limite corrente di cortocircuito superconduttivo resistivo

1.1 Principio di funzionamento

Con l'espansione continua delle reti elettriche, la capacità di cortocircuito dei sistemi elettrici nazionali sta aumentando rapidamente, ponendo sfide significative alla costruzione e all'operazione della rete. Per affrontare il problema delle correnti di cortocircuito eccessive, i limitatori di corrente di cortocircuito superconduttivi (SFCL) basati sui principi della superconduttività stanno ricevendo sempre più attenzione. A seconda delle loro caratteristiche di smorzamento quando passano allo stato ad alta resistenza, gli SFCL possono essere classificati in tipi resistivi e induttivi.

Tra questi, il limite corrente di cortocircuito superconduttivo resistivo presenta una struttura semplice, dimensioni compatte e peso leggero, con un principio di funzionamento chiaro. Una volta entrato nello stato ad alta resistenza, la sua impedenza limitatrice di corrente aumenta drasticamente, fornendo una forte capacità di soppressione della corrente di difetto. Inoltre, la capacità del dispositivo può essere regolata flessibilmente attraverso configurazioni serie o parallele dei superconduttori. Negli ultimi anni, sono emerse svolte nei materiali superconduttivi a temperatura ambiente, portando sia l'ambito accademico che quello industriale a considerare ampiamente i limiti corrente di cortocircuito resistivi come la direzione principale per lo sviluppo futuro.

La corrente critica, il campo magnetico critico e la temperatura critica sono parametri fisici chiave per determinare se un superconduttore si trova nello stato superconduttore. Quando uno di questi parametri supera il suo valore critico, il superconduttore passa dallo stato superconduttore allo stato quenched. Il processo di quenching consiste in due fasi: prima, lo stato di flusso del flusso, seguito dallo stato resistivo normale. Quando la densità di corrente attraverso il superconduttore supera la sua densità di corrente critica, il superconduttore entra nello stato di flusso del flusso.

Dove: E è l'intensità del campo elettrico; EC è l'intensità del campo elettrico critico; J è la densità di corrente; JCT è la densità di corrente critica; α è una costante; Tt1 e Tt2 sono le temperature del superconduttore ai tempi t1 e t2, rispettivamente; QRS è il calore generato dalla resistenza Rs da t1 a t2; QC è il calore scambiato tra il superconduttore e l'ambiente circostante nell'intervallo di tempo t1–t2; Cm è la capacità termica specifica del superconduttore; JCT(77) è la densità di corrente critica a 77 K (77 K essendo la temperatura di un ambiente di azoto liquido); TC è la temperatura critica; T è la temperatura del superconduttore.

Secondo l'Eq. (1), quando la densità di corrente J aumenta, l'intensità del campo elettrico E del superconduttore aumenta rapidamente, portando a un aumento della sua resistenza. L'aumento della resistenza intensifica l'effetto termico, e come mostrato dall'Eq. (2), la temperatura del superconduttore aumenta di conseguenza.

Dall'Eq. (3), si sa che l'aumento della temperatura riduce la densità di corrente critica, aumentando ulteriormente l'intensità del campo elettrico E, causando un aumento continuo della resistenza del superconduttore. Con l'aumento della resistenza, il calore generato dal superconduttore si equilibra gradualmente con il calore dissipato all'ambiente, e la temperatura si stabilizza, raggiungendo infine uno stato normale a resistenza costante.

1.2 Applicazione dell'R-SFCL nei sistemi DC flessibili

Nei sistemi di trasmissione DC flessibili, la corrente continua manca di punti di zero naturale. Una volta che si verifica un difetto di cortocircuito, la corrente di difetto aumenta rapidamente, rappresentando una grave minaccia per le apparecchiature elettriche nel sistema. Per garantire l'affidabilità del sistema, gli interruttori devono isolare rapidamente la linea difettosa. Attualmente, gli interruttori DC non hanno ancora pienamente soddisfatto i requisiti di applicazione pratica.

Quando si verifica un difetto sul lato DC, vengono generalmente disattivati gli interruttori sul lato AC, ma ciò causa inevitabilmente la chiusura della stazione convertitrice, e i dispositivi elettronici di potenza possono essere danneggiati a causa di sovracorrenti durante questo periodo. La protezione DC deve completare l'intera sequenza di protezione entro pochi millisecondi, mentre il tempo di operazione più rapido degli interruttori AC è solitamente di 50 ms, rendendoli incapaci di proteggere efficacemente i dispositivi elettronici di potenza nel sistema.

La tecnologia attuale consente agli R-SFCL di raggiungere lo stato resistivo normale entro circa 3 ms. Il limite corrente di cortocircuito superconduttivo resistivo passa allo stato limitatore di corrente molto più velocemente rispetto al funzionamento della protezione a relè, e raggiunge lo stato ad alta impedenza prima del rilevamento del difetto, riducendo efficacemente la corrente di cortocircuito.

2 Caratteristiche dei difetti DC nei sistemi DC flessibili

La posizione del punto di difetto influenza solo l'impedenza del sistema, non il percorso della corrente o le caratteristiche fondamentali del difetto di cortocircuito. Per comodità di modellizzazione, il difetto viene collocato al centro della linea DC e si assume che sia un cortocircuito metallico. Vengono costruiti un modello di simulazione di un sistema DC flessibile a due terminali e un modello R-SFCL utilizzando PSCAD/EMTDC, con una tensione nominale del sistema di ±110 kV e una potenza nominale di 75 MW. La posizione di installazione dell'R-SFCL è mostrata nella Fig. 1.

Quando si verifica un difetto di cortocircuito DC, l'IGBT viene rilevato e bloccato immediatamente tramite la sua funzione di blocco al rilevamento della corrente di difetto. Tuttavia, i diodi collegati in parallelo all'IGBT e le linee di trasmissione formano un circuito rettificatore non controllabile, permettendo la commutazione anche dopo il blocco dell'IGBT. Un cortocircuito polare-polare DC può essere principalmente diviso in tre fasi: la prima fase avviene immediatamente dopo il difetto, durante la quale il condensatore sul lato DC scarica rapidamente e la corrente DC raggiunge il suo valore massimo entro pochi millisecondi.

Nella seconda fase, dopo che la tensione del condensatore scende a zero, la corrente che scorre attraverso i diodi può raggiungere più di dieci volte la loro corrente nominale, rendendo i dispositivi elettronici di potenza altamente suscettibili a danni. Nella terza fase, quando la corrente di cortocircuito DC decresce sotto la corrente della rete AC, la rete AC inizia a fornire corrente di cortocircuito al punto di difetto DC. Un difetto a terra DC non ha una seconda fase; altrimenti, le sue caratteristiche sono simili a quelle di un difetto polare-polare.

Durante l'alimentazione della corrente AC, la corrente di difetto attraverso i diodi è approssimativamente dieci volte la loro corrente nominale. I percorsi di corrente per questi due tipi di difetti di cortocircuito DC nel sistema DC flessibile sono illustrati nelle Fig. 2 e Fig. 3, rispettivamente. Installando un R-SFCL lungo il percorso di corrente di difetto, si può aumentare rapidamente la resistenza del circuito di cortocircuito, fornendo più tempo per il rilevamento del difetto e riducendo i requisiti sul tempo intrinseco di apertura e sulla capacità di interruzione degli interruttori DC.

3 Analisi di simulazione

Utilizzando il software di simulazione PSCAD/EMTDC, il modello R-SFCL sviluppato viene integrato nel modello di simulazione di un sistema DC flessibile a due terminali con una capacità di 75 MW per la verifica. Le prestazioni limitatrici di corrente in caso di difetto polare-polare DC sono mostrate nella Fig. 4, e quelle in caso di difetto tra linea DC e terra sono mostrate nella Fig. 5. Come si può vedere dalla Fig. 4 e Fig. 5, la corrente di picco del difetto diminuisce al crescere della resistenza a stato normale. È evidente che la resistenza dell'R-SFCL e la corrente di picco del difetto dopo l'installazione presentano una certa relazione funzionale decrescente.

Per ampliare il campo di applicazione, il modello originale è stato gradualmente scalato su tre capacità di sistema: 75 MW, 150 MW e 300 MW. Sotto condizioni di cortocircuito polare-polare DC e cortocircuito tra linea DC e terra, la relazione tra il valore di resistenza a stato normale dell'R-SFCL e la corrente di picco del cortocircuito è stata studiata ottenendo i valori di picco delle correnti di cortocircuito. I risultati sono mostrati nelle Fig. 6 e Fig. 7.

Utilizzando la funzione di fitting di curve in MATLAB, le curve nelle Fig. 6 e Fig. 7 sono state fitte rispettivamente, ottenendo espressioni funzionali della forma f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, con parametri specifici elencati nella Tab. 1. Differenziando la funzione fittata si ottiene f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. Dalla Tab. 1, si può osservare che per lo stesso tipo di difetto, il parametro b rimane quasi costante, mentre il parametro a aumenta con la capacità del sistema. Poiché b è relativamente piccolo, le espressioni della pendenza delle curve per lo stesso tipo di difetto sono quasi identiche.Pertanto, gli R-SFCL con la stessa resistenza a stato normale mostrano lo stesso tasso di cambiamento della corrente di picco del difetto in diverse capacità di sistema per lo stesso tipo di difetto, indicando prestazioni limitatrici di corrente coerenti.

Inoltre, con l'aumento lineare della resistenza a stato normale dell'R-SFCL, la sua efficacia limitatrice di corrente diminuisce gradualmente. Basandosi sulle pendenze delle curve nelle Fig. 6 e Fig. 7, l'intervallo ottimale della resistenza a stato normale dell'R-SFCL per massimizzare il tasso di riduzione della corrente di picco del difetto è 0–10 Ω.

4 Conclusione

L'installazione di un R-SFCL sul lato di uscita DC di una stazione convertitrice in un sistema di trasmissione DC flessibile può ridurre efficacemente le correnti di difetto di cortocircuito DC. Con l'aumento lineare del valore di resistenza dell'R-SFCL, il suo effetto limitatore di corrente diminuisce gradualmente. Considerando lo stato attuale della ricerca, i costi ingegneristici e i requisiti di superficie, si raccomanda che l'intervallo ottimale di resistenza a stato normale per l'R-SFCL sia 0–10 Ω.