Solução de Disjuntor Híbrido de Corrente Contínua de Alta Tensão do Tipo Retificador

I. Contexto do Projeto e Análise de Requisitos​
Com o aprofundamento da transição energética, a tecnologia de transmissão DC flexível baseada em conversores de fonte de tensão (VSC) tornou-se uma solução-chave para a integração em larga escala de energias renováveis e para melhorar as capacidades de transmissão de energia a longa distância, devido às suas vantagens como controle independente de potência ativa e reativa e baixo conteúdo harmônico. A construção de redes DC flexíveis é uma tendência inevitável. Neste contexto, os disjuntores DC de alta tensão, como dispositivos de proteção centrais para isolamento rápido de falhas e garantia da segurança e estabilidade da rede, são extremamente importantes. Sem disjuntores DC de alto desempenho, a flexibilidade operacional e a confiabilidade do fornecimento de energia das redes DC flexíveis seriam severamente limitadas.

As tecnologias atuais de disjuntores DC de alta tensão têm limitações significativas:

• ​Disjuntores Mecânicos: Embora ofereçam baixas perdas no estado de condução e alta tensão de suporte, seu tempo de interrupção é de dezenas de milissegundos, não atendendo ao rigoroso requisito de isolamento de falhas em milissegundos nas redes DC flexíveis.
• ​Disjuntores Totalmente Sólidos: Baseados em dispositivos semicondutores, eles proporcionam interrupção extremamente rápida, mas sofrem de perdas excessivas no estado de condução, altos custos operacionais e baixa eficiência econômica.
• ​Disjuntores Híbridos Tradicionais: Embora combinem as baixas perdas dos interruptores mecânicos e a rápida interrupção dos interruptores sólidos, sua topologia requer IGBTs conectados em série em ambas as direções, resultando em baixa utilização do dispositivo, complexidade do sistema e altos custos.

Para abordar esses gargalos técnicos, há uma urgente necessidade de uma nova solução de disjuntor DC que combine capacidade de interrupção rápida, baixas perdas operacionais, alta eficiência econômica e alta confiabilidade.

​II. Solução: Disjuntor DC Híbrido de Alta Tensão do Tipo Retificador​
Esta solução propõe uma topologia inovadora de disjuntor DC híbrido de alta tensão do tipo retificador, abordando fundamentalmente as limitações das tecnologias existentes.

​​(I) Tecnologia Central: Topologia de Circuito Inovadora​
A topologia deste disjuntor consiste em um ramo de condução de corrente e um ramo de interrupção de corrente conectados em paralelo.

1. ​Ramo de Condução de Corrente:
• ​Composição: Compreende um interruptor mecânico de alta velocidade (S1) e um grupo de válvulas de condução de corrente (Q1) conectados em série.
• ​Características: S1 tem uma resistência de contato extremamente baixa (apenas dezenas de micro-ohms), e Q1 consiste em um pequeno número de IGBTs com baixa queda de tensão de condução. Durante a operação normal, a corrente nominal flui por este ramo, garantindo perdas extremamente baixas no estado de condução.
2. ​Ramo de Interrupção de Corrente:
• ​Composição: Utiliza uma estrutura de retificador de ponte, composta por um grupo de válvulas de comutação de ponte (D1-D4, formado por múltiplos diodos em série), um grupo de válvulas de interrupção unidirecional (Q2, formado por múltiplos IGBTs em série) e um resistor não linear (MOV1, para-raios).
• ​Vantagem Central: A estrutura de retificador de ponte consegue de forma inteligente a comutação de corrente, permitindo que o grupo de válvulas de interrupção unidirecional de IGBT (Q2) interrompa correntes de falha DC bidirecionais. Comparado com topologias híbridas tradicionais, o número de IGBTs é reduzido pela metade aproximadamente. Dado que os IGBTs press-pack comerciais custam cerca de 10 vezes mais que diodos de mesma classificação, e a redução nos IGBTs também diminui o número de placas de driver associadas, esta topologia alcança uma redução significativa de custos e melhora geral na confiabilidade.

​​(II) Princípio de Interrupção Eficiente​
Tomando como exemplo a corrente fluindo da Porta 1 para a Porta 2, o processo de interrupção consiste em quatro etapas:

1. ​Etapas 1 (t0–t1, Ocorrência de Falha)​: Uma falha de curto-circuito ocorre na linha, causando uma elevação abrupta da corrente. Neste momento, S1 e Q1 estão conduzindo, Q2 está desligado, e a corrente de falha flui inteiramente pelo ramo de condução de corrente.
2. ​Etapas 2 (t1–t2, Transferência de Corrente)​: O sistema de controle emite um comando de abertura, ligando Q2 e desligando Q1. A condução de Q2 gera uma tensão de comutação no braço da ponte, forçando a corrente a transferir-se do ramo de condução de corrente para o ramo de interrupção de corrente (caminho: D1 → Q2 → D4).
3. ​Etapas 3 (t2–t3, Interrupção do Interruptor Mecânico)​: Após a corrente no ramo de condução de corrente ser completamente transferida, o interruptor mecânico de alta velocidade S1 interrompe sob condições de corrente zero e tensão zero, sem arco, estabelecendo a resistência à insulação.
4. ​Etapas 4 (t3–t4, Limpeza da Corrente de Falha)​: Após S1 ser totalmente interrompido, Q2 é desligado. A desativação de Q2 gera uma sobretensão transitória através do disjuntor, acionando MOV1 para conduzir e desviar a corrente de falha para MOV1 até que a energia seja esgotada, a corrente caia a zero e o isolamento da falha seja completado.

O princípio de interrupção para corrente reversa é o mesmo, orientado pela ponte de diodos (D2, D3) para fluir através de Q2.

​​(III) Estratégia de Controle Inteligente​

1. ​Estratégia de Controle Pré-Interrupção:
• ​Objetivo: Para superar o gargalo do alto tempo de abertura do interruptor mecânico de alta velocidade (cerca de 2 ms), encurtar o tempo total de interrupção e suprimir a corrente de falha de pico.
• ​Lógica: Por meio do monitoramento em tempo real da tensão da barra, tensão da linha e corrente da linha (um total de 6 critérios, conforme mostrado na Tabela 1), assim que qualquer critério anormal for acionado, a operação pré-interrupção é iniciada antecipadamente (transferindo a corrente para o ramo de interrupção de corrente e abrindo S1). Se um comando formal de abertura for recebido posteriormente, a interrupção será concluída; se for um falso alarme, a corrente será transferida de volta para o ramo de condução de corrente para retomar a operação normal.
• ​Efeito: Simulações mostram que esta estratégia pode suprimir a corrente de falha de 25 kA para 17 kA, com o tempo total de interrupção estabilizado em menos de 3 ms.

​Tabela 1: Critérios de Ativação Pré-Interrupção​

1. ​Estratégia de Controle de Fechamento Suave:
• ​Objetivo: Para abordar os problemas potenciais de sobretensão e oscilação do sistema no momento do fechamento, sem a necessidade de resistores e interruptores adicionais, economizando custos e espaço.
• ​Lógica: O ramo de interrupção de corrente é tratado como composto por múltiplas unidades de média tensão conectadas em série. Durante o fechamento, essas unidades de média tensão são ligadas sequencialmente e controlavelmente para estabelecer gradualmente um caminho. Após cada etapa, é realizada a detecção de falhas. Se nenhuma falha for detectada, o processo continua até que todas as unidades sejam ligadas. Finalmente, o ramo de condução de corrente é fechado, e o ramo de interrupção de corrente é desligado. Se uma falha for detectada durante o processo, o fechamento é imediatamente abortado.
• ​Adequação: Adequado para fechamento normal e recolocação automática após a limpeza de falha. Simulações verificam a ausência de sobretensão ou oscilação.

​III. Desenvolvimento do Protótipo e Verificação Experimental​

​​(I) Parâmetros e Estrutura Chaves do Protótipo​
Foi desenvolvido um protótipo de engenharia de disjuntor DC de 500 kV com os seguintes parâmetros chaves:

• ​Design Estrutural:
• ​Ramo de Condução de Corrente: Como carrega corrente por períodos prolongados, Q1 é equipado com um sistema de resfriamento a água e colocado na parte inferior da torre de válvulas; S1 consiste em múltiplos interruptores a vácuo em série, impulsionados por um mecanismo de repulsão eletromagnética, e colocado na parte superior da torre de válvulas.
• ​Ramo de Interrupção de Corrente: Composto por 10 unidades de média tensão de 50 kV em série, instaladas em 2 torres de válvulas (5 camadas cada). Q2 adota um design de IGBT duplo-paralelo para atender à capacidade de interrupção. Este ramo não carrega corrente durante a operação normal, portanto, não requer resfriamento, resultando em um design mais simplificado.

​​(II) Resultados da Verificação Experimental​
O protótipo foi submetido a testes rigorosos usando um circuito experimental equivalente (circuito LC oscilante):

• ​Tempo de Comutação: O tempo de transferência de corrente do ramo de condução de corrente para o ramo de interrupção de corrente foi < 300 μs.
• ​Tempo Total de Interrupção: Do recebimento do comando de abertura até o início da queda da corrente, levou cerca de 2,9 ms, atendendo ao objetivo de projeto de <3 ms.
• ​Sobretensão Transitória: Foi gerada uma sobretensão instantânea de cerca de 800 kV durante a interrupção, consistente com o nível de proteção MOV, controlada e segura.
• ​Conclusão: Os experimentos validaram com sucesso a viabilidade, eficácia e excelente desempenho da topologia de disjuntor DC híbrido de alta tensão do tipo retificador.

​IV. Conclusões Principais:

1. A topologia híbrida do tipo retificador proposta nesta solução utiliza um design inovador com uma ponte de diodos para alcançar o controle de corrente bidirecional, reduzindo o uso de IGBTs em aproximadamente 50% em comparação com soluções tradicionais, oferecendo vantagens significativas em termos de eficiência econômica e confiabilidade.
2. As estratégias de controle inteligente de pré-interrupção e fechamento suave abordam efetivamente os problemas de atraso na ação do interruptor mecânico e impacto no fechamento, melhorando o desempenho dinâmico geral do sistema.
3. O desenvolvimento e teste bem-sucedidos do protótipo de engenharia de 500 kV/25 kA demonstram plenamente a viabilidade de engenharia e conformidade de desempenho desta abordagem técnica.