Como limitar a corrente de curto

Bobinas de react�ncia s�rie que servem para limitar as correntes de curto-circuito. Utilizam-se quando se pretende reduzir a pot�ncia de curto-circuito das redes ou instala��es a um valor aceit�vel, relativamente � resist�ncia aos curto-circuitos da aparelhagem existente, ou � pot�ncia de corte da aparelhagem.

Como a react�ncia destas bobinas deve permanecer constante durante o curto-circuito, estas devem ser constru�das sem n�cleo de ferro. Caso contr�rio, as correntes de curto-circuito levariam � satura��o do ferro, provocando a queda da indut�ncia da bobina e reduzindo a capacidade de protec��o da mesma.

O inconveniente principal do seu emprego reside no facto de serem causa de queda de tens�o em condi��es normais de funcionamento. Contudo, existem v�rios artif�cios de constru��o e localiza��o que atenuam tal inconveniente.

Escolha de uma bobina de react�ncia limitadora de corrente

Pretendendo-se reduzir determinada pot�ncia de curto-circuito pela instala��o de uma react�ncia, a queda de tens�o nominal necess�ria �, em percentagem,

� a pot�ncia aparente nominal do sistema.

Seguidamente, pode-se calcular o valor da react�ncia:

Como a resist�ncia ohmica de uma bobina � desprez�vel pois em geral n�o excede 3%,

(Queda de tens�o nominal), de onde se tira XL

Deve-se prever a adequada ventila��o do local onde se pretende instalar uma bobina de react�ncia, e devem ser colocadas suficientemente afastadas de partes met�licas, assegurando que estas n�o aque�am excessivamente devido a correntes de Foucault.

Os limitadores de corrente de falha são dispositivos elétricos para limitar o valor da corrente em caso de falha elétrica, incluindo curto-circuito . Estas últimas são de fato muito superiores às correntes nominais, o que impõe muitas restrições no dimensionamento dos demais dispositivos elétricos de uma subestação elétrica . Além disso, o valor da corrente de curto-circuito aumenta com o número de usinas conectadas à rede, portanto, é possível que o equipamento de uma subestação não esteja mais adaptado às restrições de curto-circuito se forem antigas . A instalação de um limitador de corrente pode, então, evitar a necessidade de substituição do equipamento.

A maneira mais fácil de limitar a corrente de curto-circuito é inserir um indutor em série com a linha de alimentação, seja como uma bobina ou escolhendo transformadores com uma impedância de curto-circuito mais alta. No entanto, isso é indesejável, pois os indutores consomem energia reativa, causando perdas e queda de tensão em linhas longas. Um limitador de corrente de falha ideal tem indutância zero em condição normal e infinita em caso de falha.

Embora o conceito seja antigo, os limitadores de corrente ainda estão em sua infância. Existem vários conceitos diferentes: semicondutor, núcleo magnético polarizado, supercondutor resistivo, metal líquido e pontes pirotécnicas. Custos de construção muito altos explicam seu baixo uso no momento.

Princípio

Corrente de curto-circuito

Por definição, um curto-circuito é a conexão entre dois pontos de um circuito elétrico que têm potenciais diferentes. No caso de redes elétricas, refere-se principalmente à conexão de um ponto de alta tensão à terra. Na ausência de um elemento de impedância entre o gerador e a terra, a corrente torna-se infinita. No entanto, linhas, transformadores e geradores introduzem impedâncias parasitas no circuito que limitam esta corrente.

A corrente de curto-circuito é igual à tensão da rede dividida pela soma das impedâncias colocadas entre o gerador e o ponto de curto-circuito. Concretamente, a corrente pode atingir valores que variam de 6 a 20 vezes a corrente nominal da rede. Além disso, quanto mais aumenta a potência dos geradores conectados à rede, maior se torna a corrente de curto-circuito. Nos Estados Unidos, por exemplo, a construção de usinas de cogeração representa um problema para a rede elétrica. euvsvs{\ displaystyle I_ {cc}}

O equipamento elétrico deve ser dimensionado em conformidade para suportar tal corrente e as forças eletromagnéticas que ela induz sem danos irreversíveis. Assim, os enrolamentos dos transformadores de potência devem suportar mecanicamente as forças de Laplace que ocorrem neste caso. Os disjuntores devem ser capazes de interromper rapidamente uma corrente tão alta. Se a potência de curto-circuito da rede aumentar após a construção da subestação e o equipamento não for mais adequado, ele deve, teoricamente, ser substituído.

Para evitar o sobredimensionamento implicado pelos curtos-circuitos, ou para evitar a substituição de um equipamento, parece interessante encontrar uma forma de limitar o pico de corrente que eles produzem.

Para limitar a corrente de falha, existem vários métodos. Aqueles chamados passivos são permanentes: eles estão presentes mesmo na ausência de uma falha. Porém, são caros ou apresentam falhas significativas em tempos normais: queda de tensão, consumo de potência reativa.

Um limitador de corrente de falha ideal tem indutância zero em tempos normais e infinita em caso de falha. Falamos de um método ativo.

Outros interesses

Os limitadores de corrente podem, sob certas condições, melhorar a estabilidade dinâmica das redes .

Restrições de design

É necessário evitar que um limitador de corrente aumente muito a tensão de recuperação transiente . Além disso, ele não deve causar queda de tensão, harmônicos ou ferrorressonância em condições de estado estacionário .

Deve limitar a corrente muito rapidamente: após 1 a 2  ms . Seu consumo de energia ativa e reativa deve ser o mais baixo possível no estado estacionário. Além disso, é necessário evitar que não necessite de tempo para recuperar suas capacidades. Isso também significa que as peças a serem substituídas após o desligamento devem ser evitadas. Sucessões de curtos-circuitos não são incomuns. Finalmente, deve ser o mais confiável possível.

História

Em 1972, uma patente americana propôs o uso de um elemento supercondutor para limitar a corrente de falha.

Entre 1979 e 1990, Mathias Noe contou nada menos que 13 projetos de pesquisa abandonados sobre limitadores de corrente de falha. Esta pesquisa realizada pelos principais fabricantes de equipamentos elétricos teve como foco diversas tecnologias: supercondutor resistivo, supercondutor indutivo, núcleo magnético polarizado, núcleo magnético blindado. Os supercondutores usados ​​foram BSCCO, YBCO e NbTi .

Avanços na década de 2000 por supercondutores de alta temperatura que podem ser resfriados com nitrogênio líquido em vez de hélio líquido, que é mais barato e mais fácil de fazer, dão um novo impulso à pesquisa.

O primeiro limitador de corrente usando supercondutores foi colocado em serviço em 1996 e operou por 1 ano antes de ser descontinuado, era um modelo blindado. O primeiro limitador de corrente supercondutor resistivo foi testado em 2004. Um limitador de corrente de semicondutor de ponte foi implementado em 2006. O primeiro limitador de núcleo magnético polarizado foi testado em campo em 2008.

Em 2008, nada menos que 18 projetos de pesquisa voltaram- se para o tema. Sete projetos já foram testados no local. Os de maior tensão foram os projetos da AMSC aliada à Siemens com tensão de 63  kV e do IGC Superpotência com tensão de 80  kV, todos trifásicos. Esses modelos usam YBCO. Um modelo de tensão nominal de 138  kV e corrente nominal de 900  A usando a mesma tecnologia também foi testado em 2011.

Em 2012, o CIGRÉ escreveu que embora muitos estudos sobre o assunto tenham sido realizados, com alguns protótipos testados em média tensão, nenhuma das soluções oferecidas até o momento era totalmente aceitável economicamente.

Tecnologia

Tecnologia passiva

A maneira mais fácil de limitar a corrente de curto-circuito é inserir um indutor em série com a linha de alimentação, seja como uma bobina ou escolhendo transformadores com uma impedância de curto-circuito mais alta. No entanto, isso é indesejável, pois os indutores consomem energia reativa, causando queda de tensão em linhas longas. Eles também podem interagir com outros elementos e causar ressonâncias. Além disso, são fontes de perdas e aumentam a tensão de recuperação transitória .

Também é possível dividir os barramentos, de modo que cada um seja conectado a menos fontes de energia responsáveis ​​por suprir o curto-circuito. Isso torna necessário aumentar o número de barramentos. Além disso, se isso limita o número de fontes de alimentação disponíveis em caso de falha, é o mesmo em tempos normais, o fornecimento das cargas é, portanto, menos flexível. Outro método consiste em aterrar o equipamento elétrico por meio de uma impedância, então só aparece no circuito em caso de curto-circuito à terra, mas tem a falha de elevar a tensão do neutro do equipamento. Elétrica, que portanto deve ser mais fortemente isolado dieletricamente neste local.

Uma abertura sequencial dos disjuntores também pode ser considerada. Concretamente, se uma falha for detectada, um disjuntor a montante da falha abrirá primeiro para limitar a corrente de curto-circuito vista pelo disjuntor próximo à falha. Isso tem o defeito de estender o tempo de eliminação da falha, o que envolve riscos para o equipamento elétrico.

Tecnologia ativa

As tecnologias ativas devem ser capazes de alternar rapidamente entre seu estado normal e seu estado de limitação atual. Em uma rede de 50 ou 60  Hz, a limitação deve ocorrer após 1 a 2  ms para ser efetiva.

Semicondutor

Semicondutor em série

Diagrama de um limitador de corrente de semicondutor

Um limitador de corrente de falha de semicondutor pode ser representado esquematicamente por dois elementos semicondutores montados cabeça a cauda. Naturalmente, cada um desses elementos é feito de vários semicondutores conectados em série: quanto maior a voltagem, maior seu número. Se os semicondutores utilizados forem tiristores, em caso de curto-circuito o sistema começa limitando a corrente, mas só pode interrompê-la no primeiro zero da corrente. Se forem utilizados GTO, IGCT ou IGBT, a interrupção pode ser instantânea: da ordem de 100 us. No momento da interrupção, o sistema insere um resistor no circuito para absorver energia. Eles são muito rápidos e permitem limitar não apenas as falhas, mas também as correntes de inrush e os choques de comutação . O custo significativo deve, portanto, ser colocado em relação ao ganho de vida útil proporcionado aos transformadores assim protegidos.

Um dos principais problemas é que os elementos semicondutores são continuamente atravessados ​​pela corrente: eles, portanto, produzem perdas. Eles são mais altos para IGBTs do que para IGCTs ou GTOs, portanto, é improvável que sejam usados ​​para esta aplicação. Os tiristores são os melhores do mercado, mas sua incapacidade de interromper a corrente é uma desvantagem. Existem circuitos, no entanto, para superar esse problema.

Ponte de semicondutor

Uma das soluções para a construção de um limitador de corrente de falha é introduzir uma ponte de diodo no circuito equipado com uma fonte de tensão contínua. Este último gera uma corrente I 0, escolhida de forma que, em operação normal, a corrente nominal de pico seja inferior a I 0/2 . Assim, os diodos ainda estão conduzindo no caso normal, a bobina não é visível pelo circuito. Em caso de curto-circuito, a corrente passa a ser superior a I 0/2, 2 díodos são bloqueados em cada meio período, a corrente passa então pela bobina que a limita.

Uma das falhas do dispositivo é que a corrente flui constantemente pelos diodos, o que causa perdas. Por outro lado, tem a vantagem de não necessitar de um tempo de descanso entre 2 curtos-circuitos para recuperar a sua potência limitante.

• Operação de um limitador de corrente

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  Diagrama de uma ponte semicondutora limitadora de corrente

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  Operação normal. A corrente não flui através da bobina

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  Em caso de curto-circuito, a corrente passa a ser maior que I 0/2, alguns diodos são bloqueados, a corrente flui através da bobina que limita a corrente

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Supercondutor

Os materiais supercondutores têm a propriedade de ter resistência quase nula quando estão no estado supercondutor. Nesse caso, eles não têm efeito negativo na rede. Exceder a temperatura crítica, a corrente crítica ou o campo magnético externo crítico do material resulta em um retorno ao estado normal onde sua resistência é muito maior. O elemento supercondutor é dimensionado de forma que em modo nominal esteja no estado supercondutor e não oponha nenhuma resistência à corrente, por outro lado deve retornar ao estado normal em caso de curto-circuito, caso em que limitar a corrente. Após essa transição para o estado normal, o elemento supercondutor precisa de tempo para retornar ao estado supercondutor.

Supercondutor blindado

Limitador de corrente de falha de supercondutor blindado

Um limitador de corrente de falha supercondutor blindado consiste em um transformador em série com a linha, cujo secundário é formado por uma única bobina feita de supercondutor. Entre suas vantagens, o fato de a corrente não passar pelo elemento resfriado limita sua necessidade de resfriamento, a possibilidade de escolha do número de voltas no primário do transformador evita problemas de hot spot no supercondutor. Sua falha é seu tamanho e peso maiores do que um limitador de corrente supercondutor resistivo.

Supercondutor resistivo

Um limitador de corrente supercondutor resistivo consiste em um elemento supercondutor que conduz corrente em condições normais. Em caso de curto-circuito, este elemento sai do estado supercondutor e sua impedância aumenta acentuadamente. Para evitar sua destruição por superaquecimento, um elemento impedante deve ser colocado em paralelo: bobina ou resistor. Este elemento também impede que a corrente seja totalmente interrompida, o que levaria a uma sobretensão na rede.

Uma das vantagens do dispositivo é que ele é insensível a avarias. Também é muito compacto. A necessidade de um tempo de descanso entre dois curtos-circuitos é, por outro lado, desvantajosa. O fato de que a corrente nominal o atravessa permanentemente, significa que as perdas de joule são importantes e o sistema de refrigeração deve ser dimensionado de acordo.

• Limitador de corrente supercondutor

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  Limitador de corrente de falha de supercondutor resistivo

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  Limitador de corrente de falha supercondutor com indutor em paralelo

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  Normalmente, o elemento supercondutor tem resistência zero

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  Em caso de curto-circuito, o elemento supercondutor retorna ao estado normal e limita a corrente

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  Após um curto-circuito, o elemento supercondutor precisa de tempo para retornar ao estado supercondutor

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Outro

Núcleo magnético polarizado

Esquema de um limitador de falha de corrente usando núcleos magnéticos polarizados

Um limitador de corrente de falha de núcleo magnético polarizado consiste em 2 bobinas colocadas em série no circuito. Para limitar o valor da indutância introduzida na operação normal, eles são saturados com uma corrente contínua. O valor da indutância é então reduzido, a inclinação da curva de histerese no ponto de operação sendo muito baixa. No caso de um curto-circuito, a corrente forte faz com que as bobinas saiam do estado de saturação alternadamente, a indutância é então grande, o que limita a corrente. O secundário pode ser feito de materiais supercondutores, mas isso não é necessário.

Este sistema tem a vantagem de não necessitar de um tempo de descanso entre 2 curtos-circuitos para recuperar a sua capacidade limite, por outro lado a indutância introduzida no circuito em modo nominal é elevada. Também é volumoso e pesado.

Pirotécnico

Limitadores de corrente usando explosivos para alternar a corrente para um fusível estão disponíveis para tensões de até 40,5  kV . Concretamente, a corrente passa em tempo normal por um seccionador, em caso de falha um explosivo vem abrir o contato. A corrente então muda no fusível que irá limitá-la. Após cada disparo, o explosivo e o fusível devem ser substituídos. As correntes nominais máximas são 4  kA para uma tensão de 17,5  kV e, portanto, 2,5  kA para 40,5  kV . A conexão paralela de tais elementos permite aumentar a corrente limitada. A corrente é limitada após 5 a 10  ms .

Com permeabilidade variável

Os limitadores de corrente de permeabilidade variável possuem um circuito magnético feito de um material pré-alinhado magneticamente na faixa radial. Concretamente, a impedância é baixa em tempos normais, mas aumenta fortemente em caso de curto-circuito. Este dispositivo tem a vantagem de operar à temperatura ambiente, de não ter tempo de recuperação e de não necessitar de controle externo.

Metal líquido

Limitadores de corrente de metal líquido usam o efeito Pinch . Um metal líquido é colocado em um tubo, fica na parte inferior em tempos normais e conduz a corrente. Em caso de falha, o efeito Pinch fará com que o metal suba por ação capilar no tubo que é muito mais resistente, o que limita a corrente. A desvantagem do processo é que ele é relativamente lento: 8  ms .

Híbrido

Para evitar perdas quando a corrente nominal passa por um limitador de corrente supercondutor resistivo, modelos híbridos foram propostos. A ideia é que o elemento supercondutor só conduza corrente em caso de falha. Um disjuntor rápido deve permitir a comutação.

FATOS

Certos tipos de FACTS, como TCSR e IPC, ao introduzir uma indutância na rede, têm a propriedade de limitar a corrente de curto-circuito.

Limitadores de corrente de falha (FCLs) podem ser usados: a) Depois de um transformador, b) Entre duas sub-redes, c) Depois de um gerador

Quando duas partes da rede estão conectadas, um limitador de corrente evita que a falha se propague de uma para a outra. Podemos assim imaginar a ligação entre uma rede “forte”, com grande potência de curto-circuito, com uma rede fraca sem que seja necessário adaptar o equipamento desta. Os benefícios de tal acoplamento são aqueles associados à rede: maior redundância, melhor estabilidade, melhor confiabilidade.

Quando um limitador de corrente é colocado entre um gerador ou um transformador e o resto da rede, ele evita que o equipamento da rede seja dimensionado para uma alta corrente de curto-circuito. Portanto, é possível limitar a impedância de curto-circuito dos transformadores, o que limita o seu consumo de potência reativa e, portanto, as perdas na rede. Você também pode economizar dinheiro em disjuntores que não precisam interromper uma corrente tão alta.

Aspectos ambientais

Os limitadores de corrente devem ter uma influência limitada no meio ambiente. O principal é que eles limitam as perdas elétricas. Sua pegada é pequena, a maioria deles cabe em um contêiner. O uso de nitrogênio líquido no caso de limitadores de corrente supercondutores não tem influência negativa sobre o meio ambiente. Por outro lado, pode representar um risco em termos de segurança: queimadura por frio, asfixia se o oxigênio se tornar muito escasso em uma sala fechada, explosão se o gás se estender para um volume fechado.

Aspectos econômicos

A maioria dos modelos ainda está em fase de protótipo, ainda é difícil saber seu custo de produção em larga escala.

Como limitar a corrente de Curto

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