1 Limitador de Corrente de Falha Supercondutor do Tipo Ponte
1.1 Estrutura e Princípio de Funcionamento do SFCL do Tipo Ponte
A Figura 1 mostra o diagrama de circuito monofásico do SFCL do tipo ponte, que consiste em quatro diodos D₁ a D₄, uma fonte de tensão de polarização DC V_b e uma bobina supercondutora L. Um disjuntor CB está conectado em série com o limitador para interromper a corrente de falha após ela ter sido limitada. A fonte de polarização V_b fornece uma corrente de polarização i_b à bobina supercondutora L. A tensão de V_b é ajustada suficientemente alta para superar a queda de tensão direta dos pares de diodos (D₁ e D₃, ou D₂ e D₄), estabelecendo uma corrente de polarização i₀. O valor de i₀ é definido maior que o valor máximo da corrente da linha i_max, com margem para condições de sobrecarga.
Portanto, em condições normais, a ponte de diodos permanece continuamente condutiva, e o SFCL não exibe nenhuma impedância à corrente da linha i, desconsiderando a pequena queda de tensão direta através da ponte. Supondo que, durante a operação normal, as correntes passando pelos diodos D₁ a D₄ são iD1 a iD4, respectivamente, a corrente da linha é:
Isso é obtido de acordo com a Lei de Correntes de Kirchhoff (KCL):
Quando ocorre uma falha de curto-circuito na linha, a corrente da linha aumenta rapidamente para i₀. Durante os semiciclos positivos e negativos, um par de diodos se torna inversamente polarizado e desliga, inserindo automaticamente a bobina L no circuito. Assim, a corrente de curto-circuito é limitada pela reatância indutiva da bobina.
Ao ajustar corretamente a corrente crítica da bobina supercondutora, a bobina permanece no estado supercondutor durante a falha, evitando os efeitos do tempo de resposta e da recuperação do quench. No entanto, à medida que a falha persiste, a corrente através do indutor supercondutor continua a aumentar, eventualmente aproximando-se do valor de corrente de curto-circuito em estado estacionário que existiria sem o limitador. Portanto, a fonte de falha deve ser interrompida oportunamente por um disjuntor dentro de um tempo especificado. Para simplificar, assume-se que a falha de curto-circuito ocorre no instante em que a tensão da fonte passa por zero (t = t₀). De acordo com a Lei de Tensões de Kirchhoff (KVL), a seguinte equação é obtida:
Condição inicial I0, resolvendo esta equação diferencial, obtém-se:
A Figura 2 mostra as formas de onda da corrente do indutor e da corrente da linha durante a operação normal e após a ocorrência de uma falha, com a falha iniciada em t = 0,1 s. Os resultados da simulação indicam que a corrente de curto-circuito aumenta lentamente devido ao efeito limitador de corrente do indutor supercondutor. O processo de limitação de corrente é essencialmente a magnetização do indutor supercondutor. Uma vez que a corrente de falha se estabiliza, o limitador deixa de ser eficaz. Portanto, a falha deve ser eliminada pelo disjuntor antes que a corrente de curto-circuito atinja seu valor estacionário. Na figura, a falha é eliminada pelo disjuntor em t = 0,2 s.
1.2 Melhoria Estrutural dos Limitadores de Corrente de Falha Supercondutores do Tipo Ponte
Um limitador de corrente de falha supercondutor do tipo ponte convencional só pode suprimir a taxa de aumento das correntes de curto-circuito, mas é ineficaz no controle de seus valores estacionários. Para limitar o valor estacionário das correntes de curto-circuito, um SFCL híbrido combina as características de resistência zero no estado supercondutor e o rápido aumento da resistência durante o quench dos supercondutores. Isso é alcançado integrando limitadores de corrente de falha supercondutores resistivos com SFCLs do tipo ponte. O diagrama esquemático dessa abordagem híbrida é mostrado na Figura 3.
Em condições normais de operação, o interruptor K está aberto, então o SFCL resistivo não exibe nenhuma impedância externa, permitindo que a corrente i_L passe por ele sem resistência. Quando ocorre uma falha, o SFCL resistivo imediatamente apresenta alta impedância e opera em série com o indutor supercondutor para suprimir conjuntamente a corrente de falha. Após a eliminação da falha, o interruptor K é fechado; neste momento, devido à sua própria alta impedância, o SFCL resistivo é curto-circuitado e retorna rapidamente ao estado supercondutor.
Como o interruptor K tem resistência em estado ligado, será curto-circuitado pelo SFCL resistivo recuperado, fazendo com que o limitador híbrido do tipo ponte inteiro apareça como baixa impedância externa. Neste momento, abrir K conclui todo o processo de limitação de corrente. Para aumentar a capacidade do SFCL resistivo, geralmente são empregadas conexões em série e paralelo de unidades de SFCL resistivo para melhorar as classificações de tensão e corrente do dispositivo. A Figura 4 ilustra o esquema do circuito do limitador supercondutor resistivo, onde R₁ a R₆ representam resistores supercondutores, e R serve como um resistor de bypass que pode provocar o quench simultâneo de dois supercondutores no mesmo ramo em série durante uma falha de curto-circuito.
O papel do transformador de acoplamento entre fases é garantir que iL1 = iL2 = iL3, de modo que as unidades de SFCL em diferentes ramos paralelos possam sofrer quench simultaneamente após a ocorrência de uma falha de curto-circuito. O SFCL híbrido do tipo ponte limita efetivamente o valor estacionário das correntes de curto-circuito, utilizando as características de transição do supercondutor do estado supercondutor para o normal (S/N), engajando automaticamente o resistor limitador de corrente quando a falha é detectada, sem necessidade de mecanismos adicionais de detecção de falhas. No entanto, a adição do dispositivo limitador de corrente de falha supercondutor resistivo aumenta os custos operacionais globais e prolonga o tempo de recuperação do quench, complicando a coordenação com as operações de religamento do sistema.
2 Limitador de Corrente de Falha Não Supercondutor do Tipo Ponte
2.1 Limitador de Corrente Sólido-Estado
Nos últimos anos, os avanços rápidos na tecnologia de eletrônica de potência e nos dispositivos semicondutores de potência de alta capacidade, como SCR, GTO, GTR e IGBT, juntamente com sua aplicação generalizada em sistemas práticos, tornaram os limitadores de corrente de falha compostos por indutores, resistores, capacitores e componentes eletrônicos de potência um foco de pesquisa. O limitador de corrente de falha não supercondutor do tipo ponte é construído a partir de componentes convencionais, evitando a tecnologia complexa de supercondutividade, e oferece vantagens de alta confiabilidade e boa relação custo-benefício.
A Figura 5 mostra o diagrama esquemático de um limitador de corrente do tipo ponte monofásico ideal, composto por um circuito de ponte monofásico e um indutor limitador de corrente L. Em operação normal, pulsos de gatilho contínuos são aplicados aos quatro tiristores. Após um breve processo de magnetização, a corrente no indutor atinge o valor máximo da corrente de carga. Quando a queda de tensão nos tiristores T₁ a T₄ é negligenciada, o limitador não exibe nenhuma impedância externa.
Se uma falha de curto-circuito ocorrer durante o semiciclo positivo da tensão de alimentação, T₃ é forçado a desligar, inserindo o indutor limitador de corrente no circuito para suprimir a corrente de falha. Ao ajustar adequadamente o valor do indutor L, a corrente de curto-circuito pode ser limitada a qualquer nível desejado. Além disso, este limitador tem a capacidade de interromper instantaneamente a corrente de curto-circuito. No entanto, devido ao uso de quatro chaves controláveis, a lógica de controle para a interrupção instantânea é relativamente complexa. Durante a limitação de corrente de falha, harmônicos significativos são gerados; esses podem ser mitigados efetivamente conectando indutores de bypass em paralelo nos braços da ponte.
2.2 Limitador de Corrente de Curto-Circuito do Tipo Ponte Semi-Controlado
A Figura 6 ilustra a topologia de um limitador de corrente de curto-circuito monofásico baseado em uma ponte semi-controlada e dispositivos de desligamento automático. Este sistema compreende diodos D₁ a D₄, dispositivos de desligamento automático T₁ e T₂, um indutor supercondutor L, um indutor limitador de corrente Llim e um absorvedor de sobretensão ZnO, com us representando a fonte de energia AC e CB servindo como o disjuntor de linha.
Em condições normais de operação, os dois dispositivos de desligamento automático T₁ e T₂ são continuamente acionados. Na primeira alimentação, a corrente no indutor supercondutor gradualmente aumenta até o valor máximo da corrente da linha sob a influência da fonte de tensão. Uma vez que a carga se estabiliza, iL permanece constante. Desconsiderando as quedas de tensão direta nos diodos D₁ a D₄ e nos dispositivos de desligamento automático T₁ e T₂, a tensão sobre a ponte é zero, e a tensão sobre o indutor limitador de corrente Llim também é zero. Consequentemente, o limitador de corrente não exibe nenhuma impedância externa e não afeta o sistema.
Quando ocorre uma falha de curto-circuito no sistema, a corrente iL no indutor supercondutor aumenta. Ao detectar a falha de curto-circuito, T₁ e T₂ são imediatamente desligados, fazendo com que a ponte saia de operação. A corrente de curto-circuito então transfere-se para o indutor limitador de corrente de bypass Llim, enquanto a corrente no indutor supercondutor continua a fluir através dos diodos D₁ e D₄ até decrescer a zero. A Figura 7 mostra as curvas de corrente e tensão em estado estacionário e em estado de falha de um limitador de corrente de curto-circuito monofásico baseado em uma ponte semi-controlada.
O sistema é energizado em t=0,02 segundos e alcança o estado estacionário em um ciclo. Uma falha de curto-circuito ocorre em t=0,1 segundos, e T₁ é desligado dentro de um quarto de ciclo após a detecção da falha. Os parâmetros do circuito utilizados para a simulação são os seguintes: a tensão de fase máxima da fonte de alimentação é 100V/50Hz; a corrente nominal máxima de carga é 10A; a resistência de carga é 10Ω; o indutor DC supercondutor L é 10mH; a queda de tensão direta nos diodos e nas chaves controláveis é 0,8V; e o indutor limitador de corrente Llim é 10mH.
Um dos principais objetivos do uso de limitadores de corrente de falha supercondutores (SFCLs) em sistemas de energia é limitar as correntes de falha para que não excedam a capacidade de interrupção instantânea dos disjuntores de linha. Na análise, a razão de redução da corrente de falha D (0<D<1) é comumente usada para representar a porcentagem de redução da corrente de falha máxima, e a expressão para D é:
é a corrente máxima de inrush durante um curto-circuito sem o SFCL instalado, e seu valor está relacionado à relação equivalente X/R do sistema.
Na Equação (7), Ip denota a amplitude do componente periódico da corrente de curto-circuito, e Ta é a constante de tempo. ilim representa o valor máximo da corrente de curto-circuito limitada, que depende da magnitude do indutor limitador de corrente Llim. Ao selecionar adequadamente o valor de Llim, a redução percentual desejada da corrente de falha máxima pode ser alcançada. Foram realizadas simulações com Llim definido como 10 mH, 15 mH e 20 mH, e os resultados são mostrados na Figura 8. Pode-se observar que um maior Llim proporciona melhor desempenho de limitação de corrente, mas também leva a custos operacionais mais altos.
2.3 Melhoria do Limitador de Corrente de Curto-Circuito do Tipo Ponte Semi-Controlado
Na configuração mostrada na Figura 6, T₁ e T₂ são continuamente acionados em condições normais de operação. Uma vez detectada a falha de curto-circuito, o circuito de controle desliga T₁ e T₂. Ao colocar uma única chave controlável T no caminho comum da ponte para substituir T₁ e T₂, pode-se obter uma eficácia de limitação de corrente similar. Essa modificação reduz o número de componentes de chaves controláveis, diminui os custos e simplifica a complexidade do circuito. O diagrama esquemático é mostrado na Figura 9.
3 Conclusão
Este artigo apresenta vários tipos de limitadores de corrente de curto-circuito do tipo ponte. Ao cascatar um limitador de corrente de falha supercondutor do tipo ponte convencional com um limitador de corrente de falha supercondutor resistivo, tanto os valores máximos quanto os estacionários das correntes de curto-circuito podem ser limitados efetivamente. Além disso, aproveitando as características de transição S/N (supercondutor-para-normal) dos materiais supercondutores, o sistema integra a detecção de falhas, o disparo e a limitação de corrente em uma única unidade, oferecendo resposta rápida e alta confiabilidade.
Nos últimos anos, com o desenvolvimento rápido e a aplicação prática da tecnologia de eletrônica de potência e dos dispositivos eletrônicos de potência de alta capacidade, os limitadores de corrente de curto-circuito do tipo ponte não supercondutor, compostos por chaves eletrônicas de potência convencionais e indutores, ganharam vantagens em confiabilidade e custo-efetividade devido à ausência de tecnologia complexa de supercondutividade. Os resultados da simulação demonstram que ambos os tipos de limitadores de corrente alcançam excelente desempenho de limitação de corrente, confirmando a viabilidade das abordagens propostas de limitação de corrente.