Estudo sobre a Seleção Ótima de Resistência de Limitadores de Corrente de Falha Supercondutores Resistivos para Sistemas de Transmissão DC Flexível

1 Limitador de Corrente de Falha Supercondutor Resistivo

1.1 Princípio de Funcionamento

À medida que as redes de energia continuam a expandir-se, a capacidade de curto-circuito dos sistemas de energia domésticos está aumentando rapidamente, apresentando desafios significativos para a construção e operação da rede. Para abordar o problema de correntes de curto-circuito excessivas, os limitadores de corrente de falha supercondutores (SFCLs) baseados em princípios de supercondutividade estão recebendo cada vez mais atenção. Dependendo de suas características de amortecimento ao transitar para o estado de alta resistência, os SFCLs podem ser classificados como tipos resistivos e indutivos.

Dentre estes, o limitador de corrente de falha supercondutor resistivo destaca-se por sua estrutura simples, tamanho compacto e peso leve, com um princípio de funcionamento claro. Uma vez que entra no estado de alta resistência, sua impedância limitadora de corrente aumenta drasticamente, fornecendo uma forte capacidade de supressão de corrente de falha. Além disso, a capacidade do dispositivo pode ser ajustada flexivelmente através de configurações em série ou paralelo de supercondutores. Nos últimos anos, avanços em materiais supercondutores à temperatura ambiente surgiram, levando tanto a academia quanto a indústria a considerarem amplamente os SFCLs resistivos como a principal direção para o desenvolvimento futuro.

A corrente crítica, o campo magnético crítico e a temperatura crítica são parâmetros físicos-chave para determinar se um supercondutor está no estado supercondutor. Quando qualquer um desses parâmetros excede seu valor crítico, o supercondutor transita do estado supercondutor para o estado quenched. O processo de quench consiste em duas etapas: primeiro, o estado de fluxo de fluxo, seguido pelo estado resistivo normal. Quando a densidade de corrente através do supercondutor excede sua densidade de corrente crítica, o supercondutor entra no estado de fluxo de fluxo.

Onde: E é a intensidade do campo elétrico; EC é a intensidade do campo elétrico crítico; J é a densidade de corrente; JCT é a densidade de corrente crítica; α é uma constante; Tt1 e Tt2 são as temperaturas do supercondutor nos tempos t1 e t2, respectivamente; QRS é o calor gerado pela resistência Rs de t1 a t2; QC é o calor trocado entre o supercondutor e seu ambiente circundante durante o intervalo de tempo t1–t2; Cm é a capacidade térmica específica do supercondutor; JCT(77) é a densidade de corrente crítica a 77 K (77 K sendo a temperatura de um ambiente de nitrogênio líquido); TC é a temperatura crítica; T é a temperatura do supercondutor.

De acordo com a Eq. (1), quando a densidade de corrente J aumenta, a intensidade do campo elétrico E do supercondutor aumenta rapidamente, levando a um aumento em sua resistência. O aumento da resistência reforça o efeito térmico, e conforme mostrado na Eq. (2), a temperatura do supercondutor aumenta proporcionalmente.

A partir da Eq. (3), sabe-se que o aumento da temperatura reduz a densidade de corrente crítica, aumentando ainda mais a intensidade do campo elétrico E, fazendo com que a resistência do supercondutor cresça continuamente. Conforme a resistência aumenta, o calor gerado pelo supercondutor gradualmente equilibra-se com o calor dissipado para o ambiente, e a temperatura estabiliza, eventualmente atingindo um estado normal de resistência constante.

1.2 Aplicação de R-SFCL em Sistemas DC Flexíveis

Nos sistemas de transmissão DC flexível, a corrente DC não possui cruzamentos naturais por zero. Uma vez que ocorre uma falha de curto-circuito, a corrente de falha aumenta rapidamente, representando uma ameaça severa aos equipamentos elétricos no sistema. Para garantir a confiabilidade do sistema, os disjuntores devem isolar rapidamente a linha com falha. Atualmente, os disjuntores DC ainda não atenderam totalmente às exigências de aplicação prática.

Quando ocorre uma falha no lado DC, geralmente são acionados os disjuntores do lado AC, mas isso inevitavelmente causa o desligamento da estação conversora, e os dispositivos eletrônicos de potência podem ser danificados devido à sobrecorrente durante esse período. A proteção DC deve completar toda a sequência de proteção em poucos milissegundos, enquanto o tempo de operação mais rápido dos disjuntores AC é tipicamente de 50 ms, tornando-os incapazes de proteger efetivamente os dispositivos eletrônicos de potência no sistema.

A tecnologia atual permite que os R-SFCLs atinjam o estado resistivo normal em aproximadamente 3 ms. O limitador de corrente de falha supercondutor resistivo transita para o estado limitador de corrente muito mais rápido do que a proteção por relé opera, alcançando o estado de alta impedância antes da limpeza da falha, reduzindo assim efetivamente a corrente de curto-circuito.

2 Características de Falhas DC em Sistemas DC Flexíveis

A localização do ponto de falha afeta apenas a impedância do sistema, não o caminho da corrente ou as características fundamentais da falha de curto-circuito. Para conveniência de modelagem, a falha é colocada no ponto médio da linha DC e assumida como um curto-circuito metálico. Um modelo de simulação de sistema DC flexível de dois terminais e um modelo de R-SFCL são construídos usando PSCAD/EMTDC, com uma tensão nominal do sistema de ±110 kV e uma potência nominal de 75 MW. A localização de instalação do R-SFCL é mostrada na Fig. 1.

Quando ocorre uma falha de curto-circuito DC, o IGBT é detectado e bloqueado imediatamente através de sua função de bloqueio ao detectar a corrente de falha. No entanto, os diodos conectados em paralelo com o IGBT e as linhas de transmissão formam um circuito retificador ponte não controlável, permitindo que a comutação continue mesmo após o IGBT ser bloqueado. Uma falha de curto-circuito polo a polo DC pode ser dividida principalmente em três estágios: o primeiro estágio ocorre imediatamente após a falha, durante o qual o capacitor do lado DC descarrega rapidamente e a corrente DC atinge seu valor máximo em alguns milissegundos.

No segundo estágio, após a tensão do capacitor cair a zero, a corrente fluindo pelos diodos pode atingir mais de dez vezes sua corrente nominal, tornando os dispositivos eletrônicos de potência altamente suscetíveis a danos. No terceiro estágio, quando a corrente de curto-circuito DC decresce abaixo da corrente da rede AC, a rede AC começa a alimentar a corrente de curto-circuito no ponto de falha DC. Uma falha de terra DC não tem um segundo estágio; caso contrário, suas características são semelhantes às de uma falha polo a polo.

Durante a alimentação de corrente AC, a corrente de falha pelos diodos é aproximadamente dez vezes sua corrente nominal. Os caminhos de corrente para esses dois tipos de falhas de curto-circuito DC no sistema DC flexível são ilustrados nas Figs. 2 e 3, respectivamente. Instalar um R-SFCL ao longo do caminho de corrente de falha pode aumentar rapidamente a resistência do loop de curto-circuito, fornecendo mais tempo para a limpeza da falha e reduzindo as exigências sobre o tempo intrínseco de abertura e a capacidade de interrupção dos disjuntores DC.

3 Análise de Simulação

Usando o software de simulação PSCAD/EMTDC, o modelo de R-SFCL desenvolvido é integrado no modelo de simulação de sistema DC flexível de dois terminais estabelecido com uma capacidade de 75 MW para verificação. O desempenho limitador de corrente sob falha polo a polo DC é mostrado na Fig. 4, e sob falha de linha DC a terra na Fig. 5. Como pode ser visto nas Figs. 4 e 5, a corrente de falha máxima diminui conforme a resistência no estado normal aumenta. É evidente que a resistência do R-SFCL e a corrente de falha máxima após a instalação exibem uma certa relação funcional de decaimento.

Para ampliar o escopo de aplicação, o modelo original foi gradualmente escalonado com base em três capacidades do sistema: 75 MW, 150 MW e 300 MW. Sob condições de curto-circuito polo a polo DC e curto-circuito de linha DC a terra, a relação entre o valor de resistência no estado normal do R-SFCL e a corrente de curto-circuito máxima foi estudada obtendo-se os valores máximos das correntes de curto-circuito. Os resultados são mostrados nas Figs. 6 e 7.

Usando a função de ajuste de curva no MATLAB, as curvas nas Figs. 6 e 7 foram ajustadas, resultando em expressões funcionais da forma f(x) = ae⁻ᵇˣ + c, com parâmetros específicos listados na Tabela 1. Diferenciando a função ajustada resulta em f'(x) = -abe⁻ᵇˣ. A partir da Tabela 1, pode-se observar que, para o mesmo tipo de falha, o parâmetro b permanece quase constante, enquanto o parâmetro a aumenta com a capacidade do sistema. Como b é relativamente pequeno, as expressões de inclinação das curvas para o mesmo tipo de falha são quase idênticas.Portanto, R-SFCLs com a mesma resistência no estado normal exibem a mesma taxa de variação na corrente de falha máxima em diferentes capacidades do sistema para o mesmo tipo de falha, indicando desempenho limitador de corrente consistente.

Além disso, conforme a resistência no estado normal do R-SFCL aumenta linearmente, sua eficácia limitadora de corrente diminui gradualmente. Com base nas inclinações das curvas nas Figs. 6 e 7, a faixa ótima de resistência no estado normal do R-SFCL para maximizar a taxa de redução na corrente de falha máxima é de 0 a 10 Ω.

4 Conclusão

Instalar um R-SFCL no lado de saída DC de uma estação conversora em um sistema de transmissão DC flexível pode reduzir efetivamente as correntes de falha de curto-circuito DC. Conforme o valor de resistência do R-SFCL aumenta linearmente, seu efeito limitador de corrente diminui gradualmente. Considerando o status atual da pesquisa, os custos de engenharia e os requisitos de área de terreno, recomenda-se que a faixa ótima de resistência no estado normal para o R-SFCL seja de 0 a 10 Ω.