novas perspectivas de utilização da tecnologia

http://dx.doi.org/10.5540/DINCON.2011.001.1.0016
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NOVAS PERSPECTIVAS DE UTILIZAÇÃO DA TECNOLOGIA SUPERCONDUTORA
EM LIMITADORES DE CORRENTE DE CURTO-CIRCUITO
Laura de Oliveira Carraro 1, Marlon José do Carmo 2, José Evaristo Rodrigues Costa 3, Ângelo Rocha Oliveira 4
1
CEFET-MG Campus III, Leopoldina, Brasil,
[email protected], 2 [email protected], 3 [email protected], 4 [email protected]
Resumo: Nesse artigo a presenta-se uma proposta de duas
topologias de circuitos ressonantes ideais como FCL
utilizando bobinas supercondutoras de fit a YBCO. Estes
circuitos serão usados
para derivar uma topologia
alternativa para o limitador, baseada da cone xão de um
circuito ressonante série e out ro paralelo. Discute-se,
também, uma nova abordagem utilizando SMES.
Palavras-Chave: Aplicações em Engenharia, SMES,
SCFCL.
1. INTRODUÇÃO
Vários
projetos
e
pesquisas
têm u tilizado
supercondutores para limitar correntes de curto circuito.
Estes projetos são denomidados SCFCL (Sup erconducting
Fault Current Limiters). Motivados pela busca por melhorias
na qualidade da produção, transmissão e di stribuição de
energia elétrica (com o intuito de reduzir ao m áximo as
falhas e os prejuízos financeiros) aumentaram-se
significativamente as pesquisas com dispositivos
supercondutores FCL (Faul t Current Li miters), que são
capazes de reduzir os níveis de correntes de curto circuito.
Um curto circuito é um a ligação de bai xa impedância
entre dois pontos de potenciais diferentes. No momento do
curto circuito acontece um a rápida ele vação da c orrente
atingindo valores superiores a dez vezes a corrente nominal
do circuito. Com a elevação da corrente, surgem efeitos
mecânicos e efeitos térmicos, que
prejudicam os
componentes dos equipamentos.
Atualmente, a medida mais comum para reduzir as
correntes de curto circuito em sistemas industriais são
dispositivos passivos (que não necessitam de siste ma de
controle para a sua atuação) [1].
Os FCL são dispositivos que necessitam de um sistema de
controle para a sua atuação. Para que um FCL seja
considerado eficiente, ele deve ter as se
guintes
características [2]:
•
•
•
Oferecer uma impedância desprezível durante a
operação normal;
Oferecer uma impedância alta nas condições de falha;
Dissipar pouca potência;
Limitar, com rapidez e eficácia, a corrente nas
condições de um curto-circuito;
• Apresentar alta confiabilidade durante longos períodos;
• Apresentar baixo peso, baixo volume e baixo custo;
• Não alterar o fator de potência dos circuitos [3];
• Apresentar um curto tempo de recuperação (dentro de 1
a 2 ms ) quando ocorrer uma corrente de curto-circuito
[4].
O presente trabalho está dividido da seguinte forma: a
seção 2 apresenta uma breve re visão a respeito dos
fenômenos da supercondutividade; a seção 3 abordam-se os
FCL; novas perspectiva s são apresentadas na seção 4. Na
seção 5 conclui-se este trabalho.
•
2. SUPERCONDUTIVIDADE E FCL’s
Em 1911 (em Leiden, na Holanda), Heike Kamerlingh
Onnes, descobriu que a resistência (à passagem de corrente
elétrica) do mercúrio era zero quando este material era
submetido à temperatura de 4,2K. Três anos antes, a e quipe
por ele liderada, ha via obtido a liquefação do gás hélio, que
ocorre a mesma temperatura, 4,2K (-268,936ºC).
Em 1914, Onnes observou que um material deixava de
ser supercondutor se fo sse submetido a u m campo
magnético externo superior ao campo crítico (Hc), mesmo se
a temperatura tendesse a 0K. Esta d escoberta possibilitou
verificar que também havia uma densidade de co rrente
elétrica crítica ( Jc) que, caso superado, seria responsável
pela transição para o estado normal (Sotelo et. al, 2009).
Estavam, então, descobertos alguns parâmetros relacionados
à supercondutividade: temperatura crítica ( Tc), campo
magnético crítico (Hc) e densida de de c orrente elétrica
crítica (Jc).
No ano de 1986 (em Zurique, na Suíça), J. G. Bednorz e
K. A. Müller descobriram a supercondutividade acima de 30
K em um óxido cerâmico contendo lantânio, bário e cobre.
Através desta descoberta, deu-se início aos estudos dos
chamados supercondutores de alta temperatura crítica
(High temperature superconductors – HTS) que iriam, mais
tarde, superar os até entã o conhecidos supercondutores de
baixa
temperatura
crítica
(Low
temperature
superconductors - LTS).
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NOVAS PERSPECTIVAS DE UTILIZAÇÃO DA TECNOLOGIA SUPERCONDUTORA EM LIMITADORES DE CORRENTE DE CURTOCIRCUITO
Laura de Oliveira Carraro , Marlon José do Carmo , José Evaristo Rodrigues Costa , Ângelo Rocha Oliveira
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Antes do final de 1986, os cientistas tinham verificado o
começo da su percondutividade a 9 3 K no óxido de ítriobário-cobre (YBa2Cu3O7). E com o passar dos anos novos
materiais supercondutores de alta temperatura crítica (HTS)
foram descobertos, como por exemplo, os compostos à base
de bismuto (Bi-Sr-Ca-Cu-0), de tálio (Tl-Ba-Ca-Cu-0) e
mercúrio (Hg-Ba-Ca-Cu-0). Estes materiais apresentam as
mais elevadas temperaturas críticas conhecidas [5].
Com a des coberta dos supercondutores de alta
temperatura crítica a aplicaç ão da supercondutividade se
tornou economicamente mais viável porque se pode usar
nitrogênio líquido (que tem u m preço acessível) como
refrigerante, lembrando que hélio líquido (utilizado nos
LTS) possui um preço muito mais alto [6].
Os materiais supercondutores são di vididos em dois
grupos: Tipo I e Ti po II. Esta divisão tem a ver com as
diferentes respostas dos materiais supercondutores quando
estes são submetidos a cam pos magnéticos. Nos materiais
supercondutores do Ti po I quando o valor do campo
magnético crítico (Hc) é atingido, a m agnetização vai a zero
e o m aterial passa pa ra a fase normal, deixando de ser um
supercondutor, a Fig.1-a exemplifica esse comportamento.
queda de tensão e as perdas que os mesmos ocasionam no
sistema.
Os RLC podem ser instalados em série co m as
linhas de trans missão (Fig.2-a) ou através do
seccionamento de um barramento (Fig.2-b)[7].
a)
a)
b)
Fig. 1. Comportamento magnético de um supercondutor do a) Tipo I e
b) Tipo II.
Nos materiais supercondutores do Tipo II, nota-se a
presença de um estado misto, que na Fig.1-b compreende a
região que vai de Hc1 até Hc2. O estado misto é caracterizado
pela existência de re giões normais e superco ndutoras no
interior do material supercondutor. Nesse tipo de material
quando Hc1 < Hc ocorre o Efeito Meissner (é caracterizado
pela exclusão do fluxo magnético do interior de um material
supercondutor). Na região de Hc1 até Hc2 o fluxo magnético
não está to talmente expulso do material e p enetra,
parcialmente, no interior do material. Quando H > Hc2 a
magnetização se anula e o material perde as característica s
de um supercondutor [6].
Por enquanto não há uma teoria definitiva que explique o
fenômeno da supercondutividade por este motivo, existem
vários físicos que propõe modelos que definem o fenômeno,
tais como: Modelo de London, Modelo de London –Pippard,
Modelo de 2 Fluidos etc.
b)
Fig. 2. Formas de instalação do RLC nas subestações.
Como esses disp ositivos produzem um elevado campo
magnético, deve se assegurar certa distância ao redor do
RLC, ocasionando outra desvantagem, uma vez que o
espaço físico pode ser l imitado em certas subestações,
usinas, empresas etc.
Antes de investir em uma tecnologia RLC deve-se analisar a
viabilidade econômica e o custo-benefício do equipamento.
Uma vez que os reatores ocasionam perdas nos sistem as,
estas perdas teriam um custo rel evante com o passa r dos
anos. Deve-se levar em conta, também, a su bstituição dos
equipamentos superados.
Hoje, no Brasil, existem RLC instalados em [7]:
•
•
•
Subestação de Jaguara 138 kV (Minas Gerais);
•
Subestação de Tucuruí 500 kV (Pará).
3. DISPOSITIVOS FCL
Subestação de Angra 138 kV (Rio de Janeiro);
Subestação de Mogi das Cruzes 345 kV (São
Paulo);
3.1 RLC
O RLC (Reator Limitador de Corrente de Curto Circuito
de Núcleo a Ar) é um dos m ais antigos e c om os m enores
custos (de aquisição) e ntre os dispositivos de limitação de
correntes de curto ci rcuito. Eles fica m instalados,
permanentemente, no circuito que se deseja proteger. Por
este motivo, uma das desva ntagens dos RLC são a gra nde
3.2 Dispositivos Pirotécnicos
Os dispositivos pirotécnicos são circuitos ativos
utilizados com a fin alidade de interromper elevadas
correntes de curto circui to em tempos extremamente
pequenos (menos de ¼ de ciclo [7]).
Estes dispositivos foram difundidos no Brasil a partir dos
anos 90 (porém, são utilizados , em todo o mundo, desde a
61
década de 50). Hoje diversas empresas nacionais como,
CENIBRA, ARACRUZ, ACESITA, CST Steel etc, utilizam
essa tecnologia [8].
Devem ser i nstalados juntamente com os e quipamentos
de manobra convencionais (disjuntores e c haves
seccionadoras). Uma vez que os dis juntores e as chave s
seccionadoras, entre outros, continuam agindo na
interrupção de pequenas correntes de cu rto circuito, os
dispositivos pirotécnicos atuam, somente, quando o sistema
está exposto a corre ntes superiores à capacidade de
disjuntores.
3.3
Limitadores de Corrente de Curto Circuito baseado
em Circuito Ressonante controlado por dispositivos
Semicondutores de Potência
Como nos demais tipo de FCL esse l imitador também
deve oferecer uma impedância desprezível durante a
operação normal e deve ofe recer uma impedância alta nas
condições de falha. A transição do dispositivo, passando da
operação normal para a operação como um limitador, é
conseguida variando-se a frequência de ressonância do FCL
[8]. A partir do chaveamento de dispositivos semicondutores
de potência (por exemplo, tiristores de potência que são os
de maior capacidade disponíveis no m ercado) consegue-se
controlar os elementos reativos variáveis, sintetizados com
indutores e capacitores.
As Fig.4-a e Fig. 4-b apresentam dois circuitos LC
ressonantes, um paralelo e out ro série. Nestes circuitos, a
conexão de uma impedância muito baixa nos t erminais da
carga representa a ocorrência de uma falha ou curto-circuito,
sendo assim, a corrente Is que flui pela fonte senoidal atinge
valores elevados.
a)
b)
Fig. 4. Topologias de FCLs baseados em circuitos ressonantes: (a)
Paralelo e (b) Série.
Os resultados obtidos permitem afirmar que o li mitador
proposto constitui uma poderosa ferramenta para aumentar a
confiabilidade das redes elétricas submetidas a curto
circuitos.
4. PERSPECTIVAS FUTURAS PARA OS SCFCL
4.1 Proposta de um FCL baseado em circuito ressonante
com indutor supercondutor de fita YBCO controlado
por dispositivos Semicondutores de Potência
A análise desses circuitos será usada para derivar uma
topologia alternativa apresentada por [8] para o limitador,
baseada da conexão de um circuito ressonante e outro
paralelo. O g rande problema é que as t opologias a ser em
investigadas utilizam indutores com alto valor de indutância,
o que torna comercialmente desinteressante tais aplicações.
Pretende-se substituir o i ndutor comum por uma bobina
supercondutora, sendo a mesma confeccionada por fita
supercondutora YBCO (ítrio-bário-cobre) de segunda
geração.
4.2 Proposta de um SCFCL utilizando SMES
A tecnologia SMES (Superconducting Magnetic Energy
Storage) é baseada na habilidade dos supercondutores de
transportar elevadas correntes DC (c orrente contínua), com
perdas resistivas próximas de zero, na prese
nça de
significativos campos magnéticos, não armazenando
diretamente a energia elétrica. A bobina supercondutora atua
armazenando energia no ca mpo magnético gerado pela
circulação de corrente. Se ndo a bobina um indutor L, a
energia armazenada E é pr oporcional ao quadrado da
corrente I que circula na bobina, conforme a Eq.1.
E=
1 2
LI
2
(1)
O sistema de conversão de energia proporciona algumas
formas de conversã o AC em DC e vice-versa , já que os
sistemas SMES (qu e são dispositivos DC) estão quase
sempre conectados a um sistema de energia AC. O sistema
de refrigeração criogênico mantém a bobina supercondutora
na temperatura de operaçã o apropriada para o material
supercondutor utilizado. O sistema de controle estabelece
uma ligação entre a demanda de energia da rede e o fluxo de
energia que chega ou sai da bo bina supercondutora além de
informar o st atus da m esma, do re frigerador e d os outros
equipamentos do sistema.
Uma nova t ecnologia está sendo discutida: trata-se de
um SCFCL utilizando SMES. O di spositivo proposto será
composto de um circuito de detecção de falhas, um sistema
de conversão de energia (Chopper + VSI), uma bobina
supercondutora, um sistema de refrigeração criogênico e um
sistema de controle.
O sistema, basicamente, atuará da se guinta forma:
quando uma falha for detectada, o dispositivo SCFCL atuará
62
NOVAS PERSPECTIVAS DE UTILIZAÇÃO DA TECNOLOGIA SUPERCONDUTORA EM LIMITADORES DE CORRENTE DE CURTOCIRCUITO
Laura de Oliveira Carraro , Marlon José do Carmo , José Evaristo Rodrigues Costa , Ângelo Rocha Oliveira
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(limitando a cor rente na rede e evi tando maiores danos),
porém, o ponto-chave é que esta corrente não será dissipada
(ou será dissipada o mínimo possível).
Como a idéia crucial é o aproveitam ento de energia (a
fim de aumentar a eficiência do sistema) a corrente de falta
“limitada” será, logo após a lim itação, armazenada na
bobina supercondutora SMES e, t ão logo o sistema de
controle ordenar, esta energia será devolvida para o sistema.
A Fig.5 apresenta uma idéia geral do dispositivo proposto.
Grids in E urope. Applied Superconductivity,
Transactions on, vol. no. 99, pp.1, 2010.
IEEE
[3]DOI Dias, D. H. N., Motta, E. S., Sotelo, G. G., Andrade,
R., Stephan, R. M., K uehn, L., de Haas, O., Sc hultz, L..
Simulations and Tests of Superconducting Linear Bearings
for a MAGLEV Prototype. Applied Superconductivity, IEEE
Transactions on , vol. no.19, pp.2120-2123, 2009.
[4]DOI Irjala, M., Huhtinen, H., Jha, R., Awana, V. S., Paturi,
P.. Optimization of the BaCeO3 Concentration in YBCO
Films Prepared by Pulsed Laser Deposition. Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.P P, no.99,
pp.1, 0, 2011.
[5]DOI Sotelo, G.G., Andrade, R., Fe rreira, A.C. Test and
Simulation of Superconducting Magnetic Bearings. Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on, vol. no. 19, pp.
2083 – 2086, 2009.
Fig. 5. Estrutura básica de um SCFCL utilizando SMES.
5. CONCLUSÃO
Este trabalho apresentou duas perspectivas de utilização
da tecnologia supercondutora em limitadores de corrente de
curto-circuito. A an álise da viabilidade econômica (dos
FCL’s) se torna muito difícil uma vez que os mesmos ainda
estão em fase de desenvolvimento e testes (ainda não estão
disponíveis no mercado).
Entretanto, a matéria-prima (fita ou fio 2G HTS) pa ra a
construção das bobinas supercondutoras já est á sendo
produzida e comercializada pelas empresas líderes mundiais.
Sabe-se que esta matéria-prima possui um preço m uito
elevado ($300-400/kA-m [9]) porém, através dos
significativos avanços tecnológicos estão previstas
melhorias significativas, as quais podem ser a chave para
disseminação de novas tecnologias baseadas em
supercondutividade.
Os elevados custos podem ser c ompensados pelos
grandes benefícios que as novas tecnologias propostas
constituem, aumentando a confiabilidade das redes elétricas,
que são susceptíveis a curto circuitos.
AGRADECIMENTOS
Os autores Gostariam de agradecer à FAPEMIG pelo apoio,
bem como o CEFET-MG pela conclusão deste trabalho.
REFERENCIAS
[1]DOI Baldan, C.A., Lamas, J.S., Sh igue, C.Y., Filho , E.R.
Fault Current Limiter Using YBCO Co ated Conductor—
The Limiting Factor a nd Its Rec overy Time. Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on, vol. no.19,
pp.1810-1813, 2009.
[2]DOI Bock, J., Bludau, M., Dommerque, R., Hobl, A.,
Kraemer, S., Rikel, M. O. , Elschner, S. HTS Fault Current
Limiters—First Commercial Devices for Distribution Level
[6]DOI Kreutz, R., Bock, J., Breuer, F., Juengst, K.-P.,
Kleimaier, M., Klein, H. -U., Krischel, D., Noe, M.,
Steingass, R., Weck, K.-H. System technology and test of
CURL 10, a 10 kV, 10 MV A resistive high -Tc
superconducting
fault
current
limiter.
Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on, vol. no.15, pp.
1961 – 1964, 2005.
[7]DOI Sarmiento, H.G. A fault current limiter based on LC
resonant circuit: Desig n, scale m odel and pro totype field
tests. Bulk Power System Dynamics and Control - VII.
Revitalizing Operational Reliability. iREP Symposium , vol.,
no., pp.1-5, 19-24, 2007.
[8]D O I Lanes, M. M., Carvalho, B. A. H.,Gomes, B.P.Fault
Current Limiter Based on Resonant Circuit Controlled by
Power Semiconductor Devices. Latin America Transactions,
IEEE (Revista IEEE America Latina), vol. no. 5 , pp.311320, 2007.
[9] SuperPower®. Second Generation HTS Wire for Wind
Energy Applications. Symposium on Superconducting
Devices for Wind Energy, pp.1 – 43 . Barcelona, Spain,
2011.