BRPI0807347A2 - Dispositivo fcl hts conectado em paralelo - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO FCL HTS CONECTADO EM PARALELO".

Referência Cruzada ao(s) Pedido(s) Relacionado(s)

O presente pedido reivindica a prioridade à: Continuação-em- 5 Parte do Pedido de Patente com N0 de série U.S 11/688.809, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente N0 11/688.817, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente U.S. N0 11/688.827, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a 10 prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente com N0 de série U.S 11/673.281, depositado em 09 de fevereiro de 2007, estando todos os conteúdos das mesmas aqui incorporados a título de referência.

Campo da Técnica

A presente descrição refere-se a dispositivos HTS, e, mais particularmente, se refere a dispositivos HTS configurados para operarem como dispositivos limitadores de corrente de fuga.

Antecedentes

À medida que as demandas globais por energia elétrica continuam a aumentar significativamente, as companhias de serviços de utilidade pública vêm se esforçando para satisfazer essas demandas crescentes tanto a partir de um ponto de vista de geração de energia como a partir de um ponto de vista de distribuição de energia. A distribuição de energia aos usuários através de redes de transmissão e distribuição representa um desafio significativo às companhias de serviços de utilidade pública devido a sua capacidade limitada da infraestrutura instalada existente de transmissão e distribuição, assim como o espaço limitado disponível para adicionar linhas e cabos convencionais adicionais de transmissão e distribuição. Isto é particularmente pertinente em áreas urbanas e metropolitanas congestionadas, onde há um espaço existente bastante limitado para expandir a capacidade.

Estão sendo desenvolvidos cabos flexíveis com grande comprimento que utilizam fios supercondutores em altas temperaturas (HTS) com a finalidade de aumentar a capacidade energética em redes de transmissão e distribuição de energia pública, enquanto se mantém uma área de cobertura relativamente pequena para que se realize uma instalação mais facilitada e se utilize nitrogênio líquido ambientalmente limpo para o 5 resfriamento. Nesta descrição, o material HTS é definido como um supercondutor com uma temperatura crítica igual ou superior a -243,15°C (30 K), que inclui materiais como óxido misto de bário de cobre e de ítrio (denominado no presente documento como YBCO); óxido de tálio, bário, cálcio e cobre; óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre (denominado no 10 presente documento como BSCCO); óxido de mercúrio, bário, cálcio e cobre; e diboreto de magnésio (MgB2). O YBCO apresenta uma temperatura crítica de aproximadamente -183,15°C (90 K). O BSCCO apresenta uma temperatura crítica de aproximadamente -183,15°C (90 K) em uma composição e aproximadamente -163,15°C (110 K) em uma segunda 15 composição. O MgB2 apresenta uma temperatura crítica de até aproximadamente -233,15°C (40 K). Essas famílias de composições são compreendidas por incluírem substituições, adições e impurezas possíveis, desde que essas substituições, adições e impurezas não reduzam a temperatura crítica abaixo de -243,15°C (30 K). Esses cabos HTS permitem 20 que quantidades crescentes de energia sejam econômica e confiavelmente proporcionadas em áreas congestionadas de uma rede de energia pública, aliviando, assim, o congestionamento e permitindo que as companhias de serviços de utilidade pública enfrentem seus problemas de capacidade de transmissão e distribuição.

Um cabo de energia HTS utiliza fios HTS como o condutor

primário do cabo (isto é, ao invés de condutores tradicionais de cobre) para a transmissão e distribuição de eletricidade. O projeto de cabos HTS resulta em uma impedância em série significativamente inferior, em seu estado supercondutor, quando comparado com linhas suspensas e cabos 30 subterrâneos convencionais. No presente documento, a impedância em série de um cabo ou linha se refere à combinação da impedância resistiva dos condutores que transportam a energia, e a impedância reativa (indutiva) associada à arquitetura do cabo ou linha suspensa. Para a mesma área em corte transversal do cabo, o fio HTS permite um aumento de três a cinco vezes na capacidade de transporte de corrente quando comparado aos cabos convencionais de corrente alternada (CA); e um aumento de até dez 5 vezes na capacidade de transporte de corrente quando comparado com cabos convencionais de corrente contínua (CC).

Os cabos HTS podem ser projetados com fios HTS helicoidalmente enrolados ao redor de uma matriz corrugada continuamente flexível, ou podem ter múltiplos fios HTS em uma variedade de 10 configurações empilhadas e trançadas. Em todos esses casos, o cabo pode ser continuamente flexível, de tal modo que o mesmo possa ser enrolado, de maneira conveniente, em um tambor para transporte e instalado com curvas e voltas em um conduto ou entre outros dispositivos de energia. Os cabos HTS podem ser projetados com um criogênio líquido em contato com os fios 15 HTS e fluindo ao longo do comprimento do cabo. O nitrogênio líquido é o criogênio líquido mais comum, porém, o hidrogênio líquido ou neônio líquido podem ser usados para reduzir a temperatura de materiais supercondutores, tal como o diboreto de magnésio.

Além dos problemas relacionados à capacidade, outros problemas significativos para as companhias de serviços de utilidade pública resultantes da demanda crescente por energia (e, portanto, níveis crescentes de energia sendo gerados e transferidos através de redes de transmissão e distribuição) são as “correntes de fuga” resultantes a partir de “fugas”. As fugas podem resultar a partir de falhas no dispositivo de rede, ações da natureza (por exemplo, relâmpagos), ações do homem (por exemplo, um acidente automotivo que rompe um pólo de energia), ou qualquer outro problema de rede que cause um curto-circuito ao aterramento ou a partir de uma fase da rede pública até outra fase. Em geral, essa fuga surge como uma carga extremamente grande que se materializa instantaneamente na rede pública. Em resposta ao surgimento desta carga, a rede tenta distribuir uma grande quantidade de corrente à carga (isto é, a fuga). Quando conexão determinada na rede de uma rede elétrica é caracterizada por uma corrente máxima de fuga que pode fluir, na ausência de medições limitadoras de corrente de falha, durante o curto-circuito que precipita a condição máxima de fuga. As correntes de fuga podem ser tão grandes na rede elétrica, que sem medições limitadoras de corrente de fuga, 5 a maioria do equipamento elétrico na rede elétrica pode ser danificada ou destruída. A maneira convencional de se proteger contra as correntes de fuga consiste em abrir rapidamente os disjuntores e interromper completamente o fluxo de corrente e energia.

Os circuitos detectores associados aos disjuntores monitoram a rede com a finalidade de detectar a presença de uma situação de fuga (ou sobrecorrente). Dentro de alguns milissegundos de detecção, sinais de ativação provenientes dos circuitos detectores podem iniciar a abertura dos disjuntores de modo a evitar a destruição de vários componentes de rede. Atualmente, a capacidade máxima dos dispositivos disjuntores existentes é de aproximadamente 80.000 amps, e esses servem apenas para os níveis de transmissão de tensão. Muitas seções da rede elétrica pública construídas durante o último século foram construídas com dispositivos de rede capazes de suportarem apenas de 40.000 a 63.000 amps de corrente de fuga. Infelizmente, com os níveis crescentes de geração e transmissão de energia nas redes públicas, os níveis de corrente de fuga estão crescendo até o ponto onde não possam exceder as capacidades dos dispositivos disjuntores presentemente instalados ou atuais (isto é, maiores que 80.000 amps) tanto em níveis de tensão de distribuição como de transmissão. Mesmo em níveis inferiores de corrente de fuga, os custos para atualizar os disjuntores a partir de um nível inferior até um nível superior ao longo de toda uma rede elétrica podem ser bastante altos. Na maioria dos casos, é desejável reduzir as correntes de fuga em pelo menos 10% para que se caracterize um aperfeiçoamento significante na operação de uma rede. Consequentemente, as companhias de serviços de utilidade pública estão buscando por novas soluções para lidar com o nível crescente de correntes de fuga. Uma dessas soluções no desenvolvimento consiste em um dispositivo denominado como um limitador de corrente de fuga HTS (FCL). Um FCL HTS consiste em um dispositivo dedicado interconectado a uma rede pública que reduz a amplitude das correntes de fuga até níveis que os disjuntores convencionais prontamente disponíveis ou já instalados possam suportar. Consulte High-Temperature 5 Superconductor Fault Current Limiters por Noe e M. Steurer, Supercond. Sei. Technol. 20 (2007) R15-R29. Tipicamente, tais FCLs HTS têm sido configurados fora de módulos rígidos curtos constituídos por barras ou cilindros sólidos de material HTS, que podem apresentar uma resistência muito maior quando acionados acima da corrente crítica supercondutora em 10 um estado resistivo. Infelizmente, esses FCLs HTS autônomos são, atualmente, bastante grandes e dispendiosos. O espaço consiste particularmente em um prêmio nas subestações localizadas em ambientes densamente povoados onde os cabos HTS são mais necessários. As companhias prestadoras de serviços públicos também podem utilizar 15 grandes indutores, porém, os mesmos podem causar perdas adicionais, regulação de tensão e problemas de estabilidade de rede. E, infelizmente, os limitadores pirotécnicos de corrente (por exemplo, fusíveis) precisam ser substituídos após cada evento de fuga. Além disso, embora novos FCLs eletrônicos de energia estejam sendo desenvolvidos, existem questões 20 sobre se eles podem ser à prova de falhas e se podem ser confiavelmente estendidos até níveis de tensão de transmissão.

Com a finalidade de permitir que os cabos HTS suportem ao fluxo de correntes de fuga, pode-se introduzir uma quantidade significativa de cobre em conjunto com o fio HTS, porém, isto adiciona peso e tamanho 25 ao cabo. Consulte Development and Demonstration of a Long Length HTS Cable to Operate in the Long Island Power Authority Transmission Grid por J. F. Maguire, F. Schmidt, S. Bratt, T. E. Welsh, J. Yuan, A. Aliais e F. Hamber, publicada em IEEE Transaction on Applied Superconductivity. Geralmente, o cobre preenche a matriz central no núcleo do cabo HTS ao 30 redor do qual o fio HTS é helicoidalmente enrolado, e isto evita que o núcleo seja usado como uma passagem para o fluxo de nitrogênio líquido. Alternativa e especialmente para cabos de multifase, os fios de cobre podem ser misturados com os fios HTS no interior das camadas helicoidalmente enroladas do cabo. Esses fios ou estruturas de cobre podem estar eletricamente em paralelo com os fios HTS de podem ser denominados como “desvio de cobre” no interior do cabo HTS. Na presença de uma 5 grande corrente de fuga que excede a corrente crítica dos fios HTS do cabo, os mesmos se dissipam ou se alternam para um estado resistivo que pode se aquecer a partir de perdas I2R resistivas e (onde I é a corrente e R é a resistência do cabo). Os “desvios de cobre” podem ser projetados para absorverem e transportares a corrente de fuga com a finalidade de evitar 10 que os fios HTS se superaqueçam. A quantidade de cobre é tão grande que sua resistência total no cabo é comparativamente pequena e, portanto, tem um efeito desprezível na redução do nível da corrente de fuga. O cobre pode ser definido de modo a significar cobre puro ou cobre com uma pequena quantidade de impurezas, de tal modo que sua resistividade seja 15 comparativamente baixa na faixa de temperatura de -196,15 a -183,15°C (77 a 90 K) (por exemplo, <0,5 microOhm-cm, ou tão baixo quanto 0,2 microOhm-cm).

No programa europeu SUPERPOLI (Consulte SUPERPOU Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes

por A. Usoskin et ai, IEEE Trans. em Applied Superconductivity, Vol. 13, N0

2, Junho de 2003, pp. 1972-5; Design Performance ofa Superconducting PowerLink por Paasi et al., IEEE Trans. em Applied Superconductivity, Vol.

11, N0 1 , Março de 2001, pp. 1928-31; HTS Materials of AC Current Transport and Fault Current Limitation por Verhaege et al., IEEE Trans. 25 em Applied Superconductivity, Vol. 11, N0 1, Março 2001, pp. 2503-6; e Patente U.S. N° 5.859.386, intitulada “Superconductive Electrical Transmission Line”), verificou-se as conexões de energia supercondutoras que também podem limitar correntes.

Seguindo-se a abordagem típica para FCLs autônomos anteriores, este programa examinou hastes ou cilindros sólidos rígidos de material HTS que formaram módulos ou barramentos para a conexão de energia. Um comprimento típico de um módulo ou barramento foi de 50 cm a 2 metros. Em uma segunda abordagem, utilizou-se o fio condutor revestido no qual o material de YBCO foi revestido em substratos de aço inoxidável de alta resistência. Utilizou-se uma camada estabilizadora de ouro, porém, foi mantida bastante delgada com a finalidade de manter a resistência por 5 comprimento a maior possível. O fio foi helicoidalmente enrolado em um núcleo cilíndrico rígido que formou outra opção para um módulo ou barramento para a conexão de energia. Em resposta a uma corrente de fuga, ambos os módulos se comutaram até um estado resistivo altamente alto para limitar a corrente. O conceito proposto no programa SUPERPOLI 10 para criar um cabo de comprimento longo consistiu em interconectar os módulos rígidos com interconexões flexíveis trançadas de cobre. Consulte a Patente N0 U.S. 5.859.386, intitulada “Superconductive Electrical Transmission Line”. Não se considerou a possibilidade de projetar e fabricar um cabo continuamente flexível de comprimento longo com uma 15 funcionalidade limitadora de corrente de fuga que utiliza fios de baixa resistência e capacidade térmica superior, e, portanto, um nível inferior de aquecimento local, nem a possibilidade de elementos de rede adicionais que poderiam otimizar a funcionalidade da conexão.

Deseja-se aperfeiçoar a maneira na qual os cabos HTS manipulam as correntes de fuga e proporcionar uma alternativa aperfeiçoada ao uso de FCLs autônomos ou outros dispositivos limitadores de corrente de fuga, por exemplo, módulos limitadores de corrente de fuga com alta resistência por comprimento que formam as conexões de energia. Um cabo de energia HTS continuamente flexível com comprimento longo que incorpora a funcionalidade limitadora de corrente de fuga proporcionaria maiores benefícios em estabelecer uma transmissão e distribuição de alta capacidade, baixa área de cobertura, e ambientalmente limpa, enquanto se evita, ao mesmo tempo, a necessidade por dispositivos limitadores de corrente de fuga separados e dispendiosos em subestações públicas repletas.

Sumário da Descrição

Em uma primeira implementação desta descrição, um sistema de cabo elétrico supercondutor é configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo um nível conhecido de corrente de fuga. O sistema de cabo elétrico supercondutor inclui um caminho elétrico não- supercondutor interconectado entre um primeiro nó e um segundo nó da 5 rede elétrica pública. Um caminho elétrico supercondutor é interconectado entre o primeiro nó e o segundo nó da rede elétrica pública. O caminho elétrico supercondutor e o caminho elétrico não-supercondutor são eletricamente conectados em paralelo, e o caminho elétrico supercondutor tem uma impedância em série menor que o caminho elétrico não- 10 supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado abaixo do nível crítico de corrente e uma temperatura crítica. O caminho elétrico supercondutor é configurado de modo que tenha uma impedância em série que seja pelo menos N vezes a impedância em série do caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado em 15 ou acima de um ou mais entre o nível crítico de corrente e a temperatura crítica supercondutora. N é maior que 1 e selecionado para atenuar, em conjunto com uma impedância do caminho elétrico não-supercondutor, o nível conhecido de corrente de fuga em pelo menos 10%.

Pode-se incluir uma ou mais das seguintes características. 20 O caminho elétrico não-supercondutor pode ser mantido a uma temperatura não-criogênica. A temperatura não-criogênica pode ser igual a pelo menos -0,15°C (273 K). O caminho elétrico supercondutor pode ser incluído no interior de uma montagem de cabo e o caminho elétrico não-supercondutor pode ser externo em relação à montagem de cabo. Um dispositivo de ajuste 25 de impedância pode ajustar a impedância do caminho elétrico não- supercondutor. O dispositivo de ajuste de impedância pode incluir uma montagem de reator.

Um comutador rápido pode ser eletricamente acoplado em série ao caminho elétrico supercondutor. O caminho elétrico supercondutor pode incluir uma primeira porção de cabo supercondutor e ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor. A primeira porção de cabo supercondutor pode incluir um primeiro material supercondutor HTS. A pelo menos uma segunda porção de cabo supercondutor pode incluir um segundo material supercondutor HTS. O primeiro material supercondutor HTS pode incluir um material YBCO. O segundo material supercondutor HTS pode incluir um material BSCCO.

5 N pode ser maior ou igual a 3. N pode ser maior ou igual a 5. O

caminho elétrico não-supercondutor pode incluir ao menos um cabo elétrico não-supercondutor. O caminho elétrico não-supercondutor pode incluir ao menos uma linha suspensa elétrica não-supercondutora. O caminho elétrico supercondutor pode incluir um ou mais entre: um ou mais cabos elétricos 10 supercondutores; e uma ou mais montagens de comutação rápida. O caminho elétrico não-supercondutor pode incluir ao menor um entre: um ou mais cabos elétricos não-supercondutores, um ou mais barramentos, uma ou mais subestações, e uma ou mais montagens de reator.

O pelo menos um cabo elétrico supercondutor pode incluir uma 15 passagem axial refrigerante centralmente localizada configurada para permitir uma distribuição axial de um refrigerante através da passagem axial refrigerante centralmente localizada. O caminho elétrico supercondutor pode incluir uma pluralidade de componentes eletricamente condutores, sendo que cada um desses tem uma resistividade na faixa de temperatura de - 20 183,15°C (90 K) maior que 0,8 microOhm-cm.

O pelo menos um cabo elétrico supercondutor pode incluir um ou mais fios HTS. Ao menos um dos fios HTS pode ser construído a partir de um material selecionado a partir do grupo que consiste em: óxido misto de bário de cobre e de ítrio; óxido de tálio, bário, cálcio e cobre; óxido de 25 bismuto, estrôncio, cálcio e cobre; óxido de mercúrio, bário, cálcio e cobre; e diboreto de magnésio.

Ao menos um dos fios HTS pode incluir um encapsulante. Ao menos um entre o um ou mais fios HTS pode incluir uma ou mais camadas estabilizadoras tendo uma espessura total dentro de uma faixa de 200 a 600 mícrons e uma resistividade dentro de uma faixa de 0,8 a 15,0 microOhm-cm a-183,15°C (90 K).

A camada estabilizadora pode ser construída, pelo menos em parte, a partir de um material de latão. Ao menos um entre o um ou mais fios HTS pode incluir uma ou mais camadas estabilizadoras tendo uma espessura total dentro de uma faixa de 200 a 1000 mícrons e uma resistividade dentro de uma faixa de 1 a 10 microOhm-cm a -183,15°C (90 5 K). Ao menos um entre o um ou mais fios HTS pode ser configurado para operar em um modo supercondutor abaixo de um nível crítico de corrente. Ao menos um entre o um ou mais fios HTS pode ser configurado para operar em um modo não-supercondutor em ou acima do nível crítico de corrente.

Em outra implementação da presente descrição, um sistema de 10 cabo elétrico supercondutor é configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo um nível de corrente de fuga conhecido. O sistema de cabo elétrico supercondutor inclui um caminho elétrico não- supercondutor e não-criogênico interconectado entre um primeiro nó e um segundo nó da rede elétrica pública. Um caminho elétrico supercondutor é 15 interconectado entre o primeiro nó e o segundo nó da rede elétrica pública. O caminho elétrico supercondutor e o caminho elétrico não-supercondutor são eletricamente conectados em paralelo. O caminho elétrico supercondutor tem uma impedância em série menor que o caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado 20 abaixo de um nível crítico de corrente. O caminho elétrico supercondutor é configurado de modo a ter uma impedância em série que seja ao menos N vezes a impedância em série do caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado em ou acima do nível crítico de corrente. N é maior que 1.

Pode-se incluir uma ou mais das seguintes características. O

caminho elétrico não-supercondutor e não-criogênico pode ser mantido em uma temperatura não-criogênica de pelo menos -0,15°C (273 K). O caminho elétrico supercondutor pode ser incluído no interior de uma montagem de cabos e o caminho elétrico não-supercondutor e não-criogênico pode ser 30 externo em relação à montagem de cabos. Um dispositivo de ajuste de impedância pode ajustar a impedância do caminho elétrico não- supercondutor e não-criogênico. O dispositivo de ajuste de impedância pode incluir uma montagem de reator.

O caminho elétrico supercondutor pode incluir uma primeira

porção de cabo supercondutor e ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor. A primeira porção de cabo supercondutor pode incluir um 5 primeiro material supercondutor HTS e a pelo menos uma segunda porção de cabo supercondutor pode incluir um segundo material supercondutor HTS. O primeiro material supercondutor HTS pode incluir um material YBCO e o segundo material supercondutor HTS pode incluir um material BSCCO. N pode ser maior ou igual a 3. N pode ser maior ou igual a 5.

Os detalhes de uma ou mais implementações são apresentados

nos desenhos em anexo e na descrição seguinte. Outras características e vantagens tornar-se-ão aparentes a partir da descrição, dos desenhos e das reivindicações.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é um diagrama esquemático de um cabo HTS com

núcleo de cobre instalado em uma rede elétrica pública;

supercondutor/convencional;

a Figura 7A é uma vista em corte transversal de um fio HTS; a Figura 7B é uma vista em corte transversal de uma modalidade alternativa do fio HTS;

a Figura 9 é um modelo alternativo do par de cabos supercondutor/convencional da Figura 6;

25

20

30

a Figura 8 é um modelo do fio HTS da Figura 7; a Figura 10 é um modelo do par de cabos supercondutor/convencional da Figura 9 durante o modo supercondutor;

a Figura 11 é um modelo do par de cabos supercondutor/convencional da Figura 9 durante o modo não-supercondutor;

e

a Figura 12 é um diagrama esquemático de uma modalidade alternativa do cabo HTS com núcleo oco da Figura 3 instalado em uma rede elétrica pública.

Os símbolos de referência similares nos diversos desenhos indicam elementos similares.

Descrição Detalhada das Modalidades Exemplificadoras Visão Geral

Reportando-se à Figura 1, uma porção de uma rede elétrica pública 10 pode incluir um cabo supercondutor em alta temperatura (HTS) 15 12. O cabo HTS 12 pode ser centenas ou milhares de metros de comprimento e pode proporcionar um caminho elétrico com corrente relativamente alta/resistência relativamente baixa para distribuição de energia elétrica a partir das estações de geração (não mostradas) ou importada a partir de redes de energia públicas remotas (não mostradas).

A área de corte transversal do cabo HTS 12 pode ser apenas

uma fração da área de corte transversal de um cabo com núcleo de cobre convencional, e pode ser capaz de transportar a mesma quantidade de corrente elétrica. Conforme discutido anteriormente, na mesma área de corte transversal, um cabo HTS pode proporcionar de três a cinco vezes a 25 capacidade de transporte de corrente de um cabo CA convencional; e até dez vezes a capacidade de transporte de corrente de um cabo CC convencional. À medida que a tecnologia HTS se desenvolve, essas razões podem aumentar.

Conforme será discutido mais adiante em maiores detalhes, o cabo HTS 12 pode incluir fios HTS, que podem ser capazes de manipular até cento e cinqüenta vezes a corrente elétrica de fios de cobre similarmente dimensionados. Consequentemente, utilizando-se uma quantidade relativamente pequena de fios HTS (oposta a uma grande quantidade de condutores de cobre trançados no interior do núcleo de um cabo CA convencional), pode-se construir um cabo de energia HTS que seja capaz de proporcionar de três a cinco vezes mais energia elétrica do que um cabo de 5 energia condutor convencional de cobre equivalentemente dimensionado.

O cabo HTS 12 pode ser conectado no interior de um segmento de rede de transmissão 14 que transporta voltagens em um nível, por exemplo, de 138 kV e se estende a partir do segmento de rede 14 até o segmento de rede 16, que recebe esta tensão e a transforma em um nível 10 inferior, por exemplo, de 69kV. Por exemplo, o segmento de rede de transmissão 14 pode receber energia a 765kV (através de uma linha ou cabo suspenso 18) e pode incluir uma subestação 20 de 138 kV. A subestação 20 de 138 kV pode incluir um transformador de 765kV/138kV (não mostrado) que serve para reduzir a energia de 765kV recebida no cabo 18 para 138kV. 15 Esta energia de 138kV “reduzida” pode, então, ser proporcionada, por exemplo, através do cabo HTS 12 até o segmento de rede de transmissão 16. O segmento de rede de transmissão 16 pode incluir uma subestação 24 de 69 kV, que pode incluir um transformador de 138kV/69kV (não mostrado) que serve para reduzir a energia de 138kV recebida através do cabo HTS 12 20 para 69kV, que pode ser distribuída, por exemplo, aos dispositivos 26, 28, 30, 32. Exemplos de dispositivos 26, 28, 30, 32 podem incluir, mas não se limitam a, subestações de 34,5kV.

Os níveis de tensão discutidos anteriormente servem apenas para propósitos ilustrativos e não se pretende que limitem a presente 25 descrição. Consequentemente, esta descrição é igualmente aplicável a vários níveis de tensão e corrente tanto em sistemas de transmissão como em sistemas de distribuição. Da mesma forma, a presente descrição é igualmente aplicável em aplicações não-públicas, tais como distribuição de energia industrial ou distribuição de energia veicular (por exemplo, navios, 30 trens, aeronaves e espaçonaves).

Um ou mais disjuntores 34, 36 podem ser conectados, por exemplo, em cada extremidade do cabo HTS 12 e podem permitir que o cabo HTS 12 seja rapidamente desconectado da rede elétrica pública 10. O sistema de gerenciamento de fuga 38 pode proporcionar uma proteção contra sobrecorrente para o cabo HTS 12 de modo a garantir que o cabo HTS 12 seja mantido em uma temperatura que esteja abaixo do ponto no 5 qual o cabo HTS 12 pode ser danificado.

O sistema de gerenciamento de fuga 38 pode proporcionar tal proteção contra sobrecorrente monitorando-se a corrente que flui no segmento da rede pública a qual se acopla o cabo HTS 12. Por exemplo, o sistema de gerenciamento de fuga 38 pode captar a corrente que passa 10 através da subestação 20 de 138kV (utilizando, por exemplo, um sensor de corrente 40) e pode controlar a operação dos disjuntores 34, 36 com base, pelo menos em parte, no sinal proporcionado pelo sensor de corrente 40.

Neste exemplo, o cabo HTS 12 pode ser projetado para suportar uma corrente de fuga tão alta quanto 51 kA com uma duração de 200 ms 15 (isto é, 12 ciclos de energia de 60 Hz). Os detalhes do sistema de gerenciamento de fuga 38 estão descritos no Pedido de Patente Co- pendente N0 de série U.S. 11/459.167, depositado em 21 de julho de 2006, e intitulado Fault Management of HTS Power Cable. Tipicamente, necessita-se que o cabo HTS contenha uma quantidade significativa de cobre, o que 20 ajuda a transportar a alta corrente de fuga e, portanto, protege os fios HTS. O cobre está presente para proteger o cabo HTS, porém, não apresenta nenhum efeito significativo limitador de corrente devido a sua resistência muito baixa.

Reportando-se, também, à Figura 2, apresenta-se uma 25 modalidade típica de um cabo HTS de fase única com núcleo de cobre 12 que pode incluir um núcleo de cobre trançado 100 cercado em sucessão radial pela primeira camada HTS 102, segunda camada HTS 104, camada isolante dielétrica de alta tensão 106, camada de blindagem de cobre 108, camada de blindagem HTS 110, passagem refrigerante 112, parede 30 criostática interna 114, isolante térmico 116, espaço de vácuo 118, parede criostática externa 120 e um revestimento de cabo externo 122. A camada de blindagem de cobre 108 pode ser alternativamente posicionada na parte externa da camada de blindagem HTS 110. A camada HTS 102 e a camada HTS 104 também podem ser denominadas como “condutores de fase”. Durante a operação, um refrigerante (por exemplo, nitrogênio líquido, não mostrado) pode ser fornecido a partir de uma fonte externa refrigerante (não 5 mostrada) e pode ser circulado no interior e ao longo do comprimento da passagem refrigerante 112. Todos os componentes do cabo são projetados com a finalidade de garantirem a flexibilidade do cabo HTS 12. Por exemplo, o núcleo de cobre trançado 100 (no qual a primeira camada HTS 102 e a segunda camada HTS 104 são enroladas) é flexível. Consequentemente, 10 utilizando-se o núcleo de cobre trançado flexível 100, imagina-se que um cabo HTS 12 seja continuamente flexível ao longo de seu comprimento. Opcionalmente, uma matriz corrugada de metal pode ser usada para sustentar os fios HTS helicoidalmente enrolados, proporcionando-se uma flexibilidade ao longo do comprimento do cabo.

Adicional/alternativamente, podem-se utilizar camadas HTS

coaxiais e camadas isolantes adicionais. Por exemplo, podem-se utilizar mais de duas camadas de fios HTS para uma única fase. Da mesma forma, podem-se utilizar três grupos de camadas HTS separadas por camadas isolantes (não mostradas) para transportar energia trifásica. Um exemplo 20 dessa disposição de cabo é a disposição Triax HTS Cable proposta por Ultera (isto é, um empreendimento conjunto de Southwire Company of Carrollton, GA. e nkt cables de Cologne, Alemanha). Outras modalidades do cabo HTS 12 podem incluir, mas não se limitam a: configurações dielétricas a quente e/ou a frio; configurações unifásicas vs. trifásicas; e várias 25 configurações diferentes de blindagem (por exemplo, sem blindagem e blindagem à base de criostato).

O núcleo de cobre 100 e a camada de blindagem de cobre 108 podem ser configurados para transportar as correntes de fuga (por exemplo, corrente de fuga 124) que possam surgir no interior do cabo 12. Por 30 exemplo, quando a corrente de fuga 124 surgir no interior do cabo 12, a corrente no interior das camadas HTS 102, 104 pode aumentar dramaticamente até um nível que exceda o nível crítico de corrente (isto é, Ic) das camadas HTS 102, 104, que podem fazer com que as camadas HTS 102, 104 percam suas características supercondutoras (isto é, as camadas HTS 102, 104 podem estar “normais”). Um valor típico para o nível crítico de corrente Ic é igual a um pico de 4242 A para um cabo avaliado em 3000 Arms, 5 (onde Arms se refere à carga eficaz de Amperes da corrente).

O nível crítico de corrente nos materiais HTS pode depender da seleção do nível do campo elétrico. De maneira convencional, o nível crítico de corrente Ic é definido como um nível do campo elétrico de 1 microvolt/cm, muito embora também se possam utilizar outros valores. No entanto, tipicamente, os supercondutores exibem uma região de transição entre o estado de resistência zero (isto é, supercondutor) e o estado completamente resistivo (isto é, não-supercondutor) como uma função do nível de corrente. As perdas de fios resultantes a partir desta região de transição estão abaixo das perdas do estado completamente resistivo. Portanto, as porções dos fios no cabo HTS 12 podem ser comutadas para o estado completamente resistivo em um nível crítico de corrente Ic que consiste em um fator (T) vezes o nível crítico de corrente convencional Ic definido pelo critério de 1 microvolt/cm. Em fios sinuosos com películas delgadas de YBCO, determinou-se que este fator (T) é igual a 2, porém, observou-se uma variação em relação ao tempo. Consulte Switching Behavior of YBCO Thin Fiim Conductors in Resistive Fault Current Limiters por H.-P. Kraemer et ai, IEEE Trans, em Applied Superconductivity, vol. 13, N0 2, junho de 2003, pp. 2044-7. Antecipa-se que o fator f para os fios HTS com películas delgadas similares a YBCO esteja na mesma faixa, sendo que se estima que a faixa seja igual a 1-4.

Consequentemente, quando o produto do nível crítico de corrente (conforme definido anteriormente) e do fator f for excedido, a resistência das camadas HTS 102, 104 pode aumentar de maneira significativa e pode se tornar comparativamente bastante alta (isto é, quando 30 comparada ao núcleo de cobre 100). À medida que a corrente que passa através de uma pluralidade de fios paralelos é distribuída inversamente em relação à resistência dos fios individuais, a maioria da corrente de fuga 124 pode ser desviada ao núcleo de cobre 100, que está conectado em paralelo às camadas HTS 102, 104. Esta transmissão da corrente de fuga 124 através do núcleo de cobre 100 pode continuar até que: a corrente de fuga 124 decline; ou os disjuntores apropriados (por exemplo, os disjuntores 34, 5 36) interrompam a transmissão da corrente de fuga 124 através do cabo HTS 12.

Pode-se evitar o superaquecimento dos fios HTS no cabo HTS 12 através de dois benefícios proporcionados pelo núcleo de cobre 100. Primeiro, redirecionando-se a corrente de fuga 124 (ou ao menos uma porção da mesma) a partir das camadas HTS 102, 104 até o núcleo de cobre 100, pode-se evitar o superaquecimento dos fios HTS no cabo HTS 12. E1 segundo, a capacidade térmica adicional do núcleo de cobre 100 reduz a elevação de temperatura nas camadas HTS 102, 104. No caso em que a corrente de fuga 124 (ou ao menos uma porção da mesma) não for redirecionada a partir das camadas HTS 102, 104 até o núcleo de cobre 100, a corrente de fuga 124 pode aquecer, de maneira significativa, os fios HTS no cabo HTS 12 devido à alta resistência das camadas HTS 102, 104, que pode resultar na formação de “bolhas” gasosas de nitrogênio líquido (isto é, devido ao fato de o nitrogênio líquido ser convertido a partir de um estado líquido para um estado gasoso no interior da passagem refrigerante 112). Infelizmente, a formação das “bolhas” gasosas de nitrogênio líquido pode reduzir a resistência dielétrica da camada dielétrica e pode resultar em uma ruptura de tensão e na destruição do cabo HTS 12. Para configurações de cabos dielétricos quentes (não mostradas), a corrente de fuga não redirecionada para longe das camadas HTS 102, 104 pode simplesmente se superaquecer e destruir as camadas HTS 102, 104.

Exemplos de cabos HTS 12 podem incluir, mas não se limitam a, cabos HTS disponíveis junto à Nexans de Paris, França; Sumitomo Electric Industries, Ltd., de Osaka, Japão; e Ultera (isto é, um empreendimento conjunto entre Southwire Company de Carrollton, GA. e nkt cables de of Cologne, Alemanha).

Muito embora o núcleo de cobre 100 redirecione as correntes de fuga (ou porções das mesmas) ao redor das camadas HTS 102, 104, existem desvantagens em utilizar tal núcleo de cobre “interno”. Por exemplo, o núcleo de cobre 100 pode requerer que o cabo HTS 12 seja fisicamente maior e mais pesado, o que pode resultar em custos aumentados e maior 5 retenção de calor no interior do cabo HTS 12. Consequentemente, pode-se necessitar de mais refrigeração para compensar a retenção adicional de calor, resultando em um sistema geral e custos operacionais maiores. Além disso, a capacidade térmica aumentada do núcleo de cobre 100 e a resistência térmica entre as camadas HTS 102, 104 e o refrigerante devido à 10 camada dielétrica podem aumentar extremamente os tempos de recuperação e a energia de uma corrente de fuga deve aumentar a temperatura além do ponto onde a; supercondutividade pode ser mantida nas camadas HTS 102, 104. Por exemplo, no caso em que uma corrente de fuga é redirecionada através do núcleo de cobre 100, podem-se levar várias 15 horas para que o sistema de refrigeração (não mostrado) resfrie o cabo HTS 12 até a faixa operacional apropriada de temperatura (por exemplo, -208,15 a -196,15°C (65 a 77 K)). O tempo necessário para resfriar o cabo HTS 12 até a faixa operacional do cabo é comumente denominado como o “tempo de recuperação”, pode-se necessitar, por parte das companhias de rede 20 elétrica pública, que este tempo seja de apenas alguns segundos (ou menor) para os dispositivos de transmissão ou alguns décimos de segundos (ou menor) para dispositivos de distribuição. Alternativamente, um limitador autônomo de corrente de fuga pode ser usado junto ao cabo HTS 12 para limitar as correntes de fuga; no entanto, isto apresenta as desvantagens de 25 necessitar que outra peça grande e dispendiosa de equipamento elétrico seja instalada na subestação ligada ao» cabo HTS 12.

Reportando-se à Figura 3, apresenta-se um cabo HTS flexível com núcleo oco 150, de acordo com a presente descrição. Muito embora o cabo HTS 150 possa incluir vários componentes do cabo HTS com núcleo 30 de cobre 12 da técnica anterior, o cabo HTS 150 não inclui um núcleo de cobre trançado 100 (Figura 2), que foi substituído por um núcleo oco flexível (por exemplo, passagem interna refrigerante 152). Um exemplo de passagem interna refrigerante 152 pode incluir, mas não se limita, um tubo flexível de aço inoxidável corrugado. Removeram-se, também, todas as camadas de blindagem de cobre. Um refrigerante (por exemplo, nitrogênio líquido) pode fluir através da passagem interna refrigerante 152.

5 De maneira similar àquela do cabo HTS com núcleo de cobre

12, a passagem interna refrigerante 152 pode ser cercada em sucessão radial pela primeira camada HTS 102, segunda camada HTS 104 (em geral, helicoidalmente enrolada com a helicidade oposta da camada 102), camadas isolantes dielétricas de alta tensão 106, estrutura de suporte 108, 10 camada de blindagem HTS 110, passagem refrigerante 112, parede criostática interna 114, isolante térmico 116, espaço de vácuo 118, parede criostática externa 120 e um revestimento de cabo externo 122. Durante a operação, um refrigerante (por exemplo, nitrogênio líquido, não mostrado) pode ser fornecido a partir de uma fonte externa refrigerante (não mostrada) 15 e pode ser circulado no interior e ao longo do comprimento da passagem refrigerante 114 e da passagem interna refrigerante 152. Pode-se utilizar um agente refrigerante alternativo (por exemplo, neônio líquido ou hidrogênio líquido) no caso de materiais com temperatura de transição inferior, tal como o MgB2.

Assim como o cabo HTS 12, todos os componentes do cabo

HTS 150 são projetados com a finalidade de permitirem uma flexibilidade contínua ao longo do comprimento do cabo. Por exemplo, e conforme discutido anteriormente, a passagem interna refrigerante 152 (na qual a primeira camada HTS 102 e a segunda camada HTS 104 são enroladas) é 25 flexível. Consequentemente, utilizando-se uma passagem interna flexível refrigerante 152, imagina-se um cabo flexível HTS 150.

Reportando-se, também, à Figura 4, a porção da rede elétrica pública 10’ pode incluir um cabo flexível de comprimento longo 150. No presente documento, o termo “comprimento longo” é definido como maior 30 que 200 m. Pode-se incluir, também, um cabo convencional (isto é, um cabo não-supercondutor) 200, conectado em paralelo com o cabo HTS 150. Um exemplo de cabo convencional 200 pode incluir, mas não se limita a, um cabo de energia Shielded Triple Permashield (TPS) 500kcmil de 138kV disponível junto à Kerite Company de Seymour, CT. O cabo convencional 200 pode ser um cabo existente em uma aplicação de aperfeiçoamento onde o cabo HTS 150 é adicionado de modo a substituir um ou mais cabos 5 convencionais, por exemplo, com a finalidade de aumentar a capacidade de energia de uma rede elétrica. Alternativamente, o cabo convencional 200 pode ser um cabo convencional novo que seja instalado simultaneamente com o cabo HTS 150 e interconectado ao barramento e disjuntores apropriados.

O cabo HTS 150 e/ou cabos HTS adicionais (não mostrados)

podem estar incluídos no interior do caminho elétrico supercondutor 202, que pode incluir uma porção de uma rede elétrica pública. Além disso, o caminho elétrico supercondutor 202 pode incluir outros dispositivos de distribuição supercondutores de energia, tais como barramentos (não 15 mostrados), transformadores (não mostrados), limitadores de corrente de fuga (não mostrados), e subestações (não mostradas).

Uma montagem de comutação rápida 202 pode ser acoplada em série ao cabo HTS 150. Um exemplo de montagem de comutação rápida 202 consiste em um disjuntor PM tipo a 138kV fabricado junto à ABB Inc. de 20 Greensburg, PA, EUA. A montagem de comutação rápida 202 (por exemplo, um comutador capaz de se abrir em 4 ciclos) pode ser controlável pelo sistema de gerenciamento de fuga 38. Por exemplo, mediante a captação da corrente de fuga 124 (Figura 3), o sistema de gerenciamento de fuga 38 pode abrir a montagem de comutação rápida 202, resultando no cabo HTS 25 150 sendo essencialmente isolado em relação à corrente de fuga 124. Para energia de multifase, pode-se utilizar uma pluralidade de montagens de comutação rápida 202. Alternativamente, algumas montagens de comutação rápida ou disjuntores são construídos como um único dispositivo trifásico. A montagem de comutação rápida 202 pode ser novamente fechada após um 30 período de tempo suficiente para permitir que o cabo HTS 150 recupere seu estado supercondutor. Se os disjuntores existentes 34, 36 se comutarem rápido o suficiente para satisfazer as exigências de aquecimento discutidas mais adiante, a montagem de comutação rápida 202 pode não ser necessária.

O cabo convencional 200 e/ou os cabos convencionais adicionais (não mostrados) podem ser incluídos no interior do caminho 5 elétrico não-supercondutor 204, que pode incluir uma porção de uma rede de energia pública. Além disso, o caminho elétrico não-supercondutor 204 pode incluir outros dispositivos de distribuição de energia, tais como barramentos (não mostrados), transformadores (não mostrados), limitadores de corrente de fuga (não mostrados) e subestações (não mostradas). O 10 caminho elétrico não-supercondutor 204 pode ser mantido em uma temperatura não-criogênica (por exemplo, uma temperatura de pelo menos - 0,15°C (273 K)). Por exemplo, o caminho elétrico não-supercondutor 204 pode não ser resfriado e, portanto, pode assumir a temperatura ambiente.

Conforme será discutido em maiores detalhes mais adiante, removendo-se o núcleo de cobre 100 (Figura 2) e a camada de blindagem de cobre 108 (Figura 2) da parte interna do cabo HTS flexível de comprimento longo 150 e utilizando-se um cabo convencional conectado em paralelo externo (isto é, em relação ao cabo HTS 150) 200 para transportar, por exemplo, a corrente de fuga 124, o cabo HTS 150 pode ser fisicamente menor, o que pode resultar na diminuição dos custos de fabricação e redução da perda de calor a partir do cabo HTS 150. Consequentemente, o cabo HTS 150 pode requerer menos refrigeração (quando comparado ao cabo HTS 12, que apresenta uma retenção de calor maior) e pode resultar em um sistema geral e custos operacionais menores. Além disso, movendo- se o núcleo de cobre 100 a partir da parte interna do cabo HTS 12 até a parte externa do cabo HTS 150 (sob a forma de um cabo convencional 200), a capacidade térmica do cabo HTS 150 e a resistência térmica entre as camadas HTS 102, 104 e o agente refrigerante são, ambas, reduzidas, permitindo, assim, tempos de recuperação menores no caso em que a corrente de fuga 124 aumenta a temperatura do cabo HTS 150 além do ponto onde a supercondutividade pode ser mantida nas camadas HTS 102, 104. Removendo-se o núcleo de cobre 100 da parte interna do cabo HTS 12 e utilizando-se um fio HTS apropriadamente otimizado, um indivíduo pode incorporar a funcionalidade limitadora de corrente de fuga diretamente ao cabo HTS 150, eliminado, assim, a necessidade por um limitador separado autônomo de corrente de fuga se o indivíduo desejar proteger o cabo HTS 5 ou o equipamento a jusante contra as correntes de fuga.

Cabo HTS e Limitadores de Corrente de Fuaa

Reportando-se, novamente, à Figura 1, se uma corrente de fuga no interior da porção de rede 10 fizer com que a corrente que flui através do cabo HTS 12 se eleve além dos limites dos disjuntores convencionais 34, 36, um dispositivo FCL HTS 42 (mostrado em espectro) ou uma tecnologia convencional de reator (não mostrada) pode ser incorporado na seção de rede 10 com a finalidade de limitar a amplitude da corrente de fuga que flui através do cabo HTS 12 até um nível em que os disjuntores convencionais 34, 36 possam interromper. Sob condições normais, quando os níveis nominais de corrente estiverem fluindo no interior da seção de rede 10, o dispositivo FCL HTS 42, que é conectado em série ao fluxo de energia, pode ser projetado de modo a introduzir uma impedância bastante baixa na rede (comparada a outras impedâncias de rede). No entanto, quando uma corrente de fuga surgir na seção de rede 10, a corrente faz com que o supercondutor no dispositivo FCL HTS 42 fique instantaneamente “normal” ou não-supercondutor (isto é, resistivo), e isto adiciona uma impedância bastante grande na seção de rede 10. O dispositivo FCL HTS 42 é projetado de modo a limitar a corrente de fuga em um nível predeterminado que esteja dentro de uma capacidade de interrupção dos disjuntores convencionais 34, 36.

Os dispositivos FCL HTS autônomos 42 estão sendo desenvolvidos por várias companhias, incluindo American Superconductor Corporation (de Westborough, MA) em um empreendimento conjunto com Siemens AG (da Alemanha). Infelizmente, adicionando-se o dispositivo FCL 30 HTS 42 à seção de rede 10 pode ser bastante dispendioso e pode requerer uma quantidade significativa de espaço para acomodar o dispositivo 42, que pode ser difícil de se acomodar, especialmente em áreas urbanas. Barramentos curtos ou módulos com capacidade limitadora de corrente de fuga estão sendo desenvolvidos por várias companhias, incluindo Nexans (da França) e EHTS (da Alemanha). Embora os barramentos limitadores de corrente de fuga possam ter determinadas aplicações, os mesmos não 5 proporcionam uma capacidade altamente procurada, uma baixa área de cobertura e flexibilidade que são proporcionadas por cabos continuamente flexíveis de comprimento longo destinados a aplicações de transmissão e distribuição.

De acordo com a presente descrição, um dispositivo HTS, por 10 exemplo, um cabo HTS continuamente flexível de comprimento longo 150 (Figura 3), quando projetado de maneira apropriada, pode ser usado como um limitador de corrente de fuga sem a necessidade de incorporar um FCL HTS separado, tal como o FCL HTS 42 (Figura 1). Controlando-se, por exemplo, a impedância de estado normal (resistiva) do cabo HTS 150, o 15 próprio cabo HTS pode ser utilizado para obter os efeitos desejáveis (por exemplo, atenuação de correntes de fuga) de um FCL HTS autônomo típico, enquanto evita os efeitos indesejáveis (por exemplo, custos e tamanho) do FCL HTS autônomo típico. Com a finalidade de se obter outros efeitos e vantagens de limitação de corrente de fuga, o cabo HTS pode ser colocado 20 em paralelo com um cabo convencional (isto é, não-supercondutor). Por exemplo, se o cabo supercondutor 150 e o cabo convencional 200 forem colocados em paralelo, esta combinação pode ser projetada e operada para atuar como um sistema de cabo limitador de corrente de fuga que será descrito em maiores detalhes mais adiante.

Esta descrição também pode ser aplicada a outros dispositivos

HTS. Por exemplo, se outro tipo de dispositivo supercondutor (por exemplo, um transformador supercondutor, não mostrado) for colocado em paralelo com um transformador convencional (não mostrado), esta combinação de dispositivos pode ser projetada e operada de modo a atuar como um sistema 30 limitador de corrente de fuga. Neste caso, o transformador convencional pode ser dimensionado em uma fração dos graus de estado estacionário, porque o mesmo só é ativado durante um evento de fuga, quando um comutador rápido cortar o fluxo de energia através do transformador supercondutor durante seu período de recuperação. Alternativamente, quando não se exigir uma atenuação da corrente de fuga, esta disposição pode permitir que o transformador supercondutor seja menor, porque nem 5 toda a corrente de fuga fluirá através do transformador supercondutor, preferindo-se, ao invés disso, fluir através do transformador convencional. Consequentemente, colocando-se um dispositivo convencional em paralelo com um dispositivo supercondutor de acordo com esta descrição, a amplitude da corrente de fuga na rede pode ser limitada ao nível desejado 10 (dimensionando-se, de maneira apropriada, o dispositivo em paralelo convencional e/ou o dispositivo supercondutor), permitindo, assim, o uso de disjuntores prontamente disponíveis.

Durante a operação normal do dispositivo HTS (por exemplo, cabo HTS 150 na Figura 4), a impedância (isto é, tanto real como reativa) do 15 dispositivo HTS pode ser significativamente menor do que a impedância do dispositivo convencional (por exemplo, o cabo convencional 200). Por exemplo, a impedância típica do cabo HTS 150 é essencialmente igual a 0,00 + j0,007 ohms por quilômetro (quando supercondutor) e 1,46 + j0,007 ohms por quilômetro (quando não-supercondutor e completamente resistiva), 20 e a impedância típica do cabo convencional 200 é igual a 0,095 + j0,171 ohms por quilômetro. Nota-se que o cabo HTS 150 tem uma resistência essencialmente igual a zero quando supercondutor. Consequentemente, quando o cabo HTS 150 for supercondutor, a maioria da corrente que passa através dos disjuntores 34, 36 fluirá através do cabo HTS 150 (com uma 25 corrente bastante pequena ou igual a zero passando através do cabo convencional 200). No entanto, quando não-supercondutor, a maioria da corrente fluirá através do cabo convencional 200 (apenas com uma pequena fração fluindo através do cabo HTS 150).

Um dispositivo de ajuste de impedância (por exemplo, uma montagem de reator avaliada em transiente ou completamente avaliada 206) pode ser acoplado em série ao cabo convencional 200. Um exemplo de montagem de reator 206 pode incluir, mas não se limita a, um reator de energia tipo seco com núcleo de ar fabricado por Trench® Limited of Scarborough, Ontario1 Canadá. A montagem de reator 206 pode introduzir uma reatância (X), que consiste em uma porção imaginária de uma impedância (Z)1 no caminho elétrico não-supercondutor 204. Para uma 5 montagem de reator indutivo, a reatância (X) pode ser definida como 2 π (f)(L), sendo que (f) é a frequência do sinal aplicada à montagem de reator 206 e (L) é a indutância da montagem de reator 206. Consequentemente, para um sistema no qual o sinal aplicado à montagem de reator 206 é essencialmente constante (por exemplo, um sistema de distribuição de 10 energia de 60 Hz), a reatância (X) da montagem de reator 206 pode variar variando-se a indutância da montagem de reator 206.

Além disso, uma montagem de comutação rápida 208 pode ser acoplada em série ao cabo HTS 150. Um exemplo de montagem de comutação rápida 208 consiste em um disjuntor PM tipo a 138kV fabricado 15 junto à ABB Inc. de Greensburg, PA. A montagem de reator 206 e/ou a montagem de comutação rápida 208 (por exemplo, um comutador capaz de se abrir em 4 ciclos) podem ser controláveis pelo sistema de gerenciamento de fuga 38. Por exemplo, mediante a captação da corrente de fuga 124, o sistema de gerenciamento de fuga 38 pode abrir a montagem de comutação 20 rápida 208, resultando em uma montagem de reator 206 ao longo do cabo convencional 200 que absorve uma porção da energia da corrente de fuga 124 e isola, de maneira eficaz, o cabo HTS 150 contra a corrente de fuga 124. O comutador rápido também é protegido pela limitação de corrente contra o cabo HTS de comutação rápida. Para uma energia de multifase, 25 pode-se utilizar uma pluralidade de montagens de reator 206 e/ou montagens de comutação rápida 208. O comutador rápido pode ser novamente fechado após alguns minutos quando o cabo HTS tiver recuperado seu estado supercondutor.

Reportando-se, também, à Figura 5, apresenta-se a operação do cabo HTS 150 como um FCL no contexto da rede elétrica pública 250. Neste exemplo particular, a rede elétrica pública 250 inclui um barramento de 765kV 252, um barramento de 69 kV 254 e um barramento de 34,5 kV 256. Além disso, a rede elétrica pública 250 inclui três subestações de 138 kV 20, 258 e 260, sendo que cada uma desses proporciona energia ao barramento de 69 kV 254 através das três subestações de 69 kV 24, 262 e 264. As três subestações de 34,5 kV 266, 268 e 270 podem proporcionar energia a partir 5 do barramento de 69 kV 254 até o barramento de 34,5 kV 256. O cabo HTS e o sistema FCL, 150, 200, são mostrados entre as subestações 20 e 24.

Quando uma corrente de fuga (por exemplo, corrente de fuga 124) estiver presente na rede elétrica pública 250, a corrente pode fluir a partir de todas as subestações interconectadas através de todos os 10 caminhos disponíveis para alimentar a fuga, que surge como uma carga bastante grande colocada na rede elétrica pública 250. Quando se calcula as correntes de fuga imagináveis durante a condição de fuga, a fuga pode ser modelada como um curto-circuito ao aterramento.

Reportando-se, também, à Figura 6, quando se determina quanta corrente de fuga uma subestação particular (por exemplo, subestação de 138kV 20) contribui, por exemplo, para a corrente de fuga 124, a tensão de geração de circuito aberto pode ser modelada como a fonte ideal de tensão 300. Além disso, a impedância dos cabos 150, 200 pode ser modelada como seus elementos de circuito equivalentes resistivos e reativos e a impedância a montante pode ser combinada com as impedâncias do transformador e representada como a impedância de origem 302. A impedância neste contexto pode ser uma quantidade complexa de vetor que consiste em um componente real e em um componente reativo. Matematicamente, a impedância é dada por Z = R + jX, onde R é o componente real (isto é, resistivo) e X é o componente reativo. Neste exemplo, o componente reativo é indutivo e igual a jlL, onde 1 = 2nf e f é a frequência do fluxo de corrente (por exemplo, 60Hz na América do Norte).

Da mesma forma, os cabos podem ser modelados como uma impedância complexa. Por exemplo, os cabos 150, 200 são mostrados terminados ao aterramento porque, conforme discutido acima, a fuga é modelada como um curto-circuito ao aterramento. A Lei de Ohm pode ser usada para determinar o nível esperado de corrente de fuga proporcionado pela subestação de 138 kV 20. Utilizando-se esta abordagem em relação às outras subestações na rede 250, as contribuições gerais de corrente de fuga podem ser calculadas e a corrente de fuga esperada que passe através do cabo 150 pode ser determinada. O cabo HTS 150 e o cabo convencional 5 200 podem, então, ser projetados de modo a limitarem esta corrente de fuga esperada 124 em um nível inferior predeterminado no qual os disjuntores convencionais sejam capazes de manipular.

No projeto do dispositivo HTS e do dispositivo convencional para que funcione, de maneira apropriada, como um FCL, deve-se considerar 10 determinados critérios. Por exemplo, durante uma condição de fuga, o cabo HTS 150 deve ser configurado para alcançar uma resistência alta o suficiente para proporcionar à rede uma impedância suficiente para reduzir a corrente de fuga até o nível desejado. A mesma também deve ser alta o suficiente em relação à impedância do cabo convencional 200 para que a 15 maioria da corrente de fuga 124 flua através do cabo convencional 200. Por exemplo, o caminho elétrico supercondutor 202 pode ser configurado de modo que tenha uma impedância em série que seja pelo menos igual a N (por exemplo, maior que 1) vezes a impedância em série do caminho elétrico não-supercondutor 204 quando o caminho elétrico supercondutor 202 for 20 operado em seu estado completamente resistivo. Um valor típico para N é >1, e pode ser maior que 5. Em conjunto com a impedância da conexão em paralelo convencional, N pode ser selecionado de modo a atenuar o nível conhecido de corrente de fuga em pelo menos 10%.

O projeto deste divisor de tensão deve ser de tal modo que a 25 queda de tensão ao longo do cabo HTS 150 durante uma falha não faça com que a temperatura do cabo se eleve até um ponto onde o refrigerante (por exemplo, nitrogênio líquido ou outro criogênio líquido) se altera a partir de um estado líquido para um estado gasoso. Se isto ocorresse, a resistência dielétrica do nitrogênio líquido entre o núcleo do cabo de alta tensão (por 30 exemplo, as camadas HTS 102, 104) e a blindagem (por exemplo, a camada de blindagem HTS 108) não seria mantida e a ruptura de tensão no interior do cabo HTS 150 ocorreria potencialmente, resultando em danos ao cabo. O padrão em que o dispositivo HTS alcança uma resistência alta o suficiente para que a maioria da corrente de fuga seja direcionada através do dispositivo convencional é alcançável devido a uma resistividade adequadamente alta do fio HTS com seu estabilizador após a transição do 5 estado supercondutor até o estado normal (isto é, não-supercondutor). Como em todos os supercondutores, desde que a temperatura, densidades de corrente, e campo magnético permaneçam abaixo de determinados valores críticos, a corrente fluirá no supercondutor com uma resistência essencialmente igual a zero. No entanto, o aquecimento do estado resistivo 10 do fio HTS aumenta junto à resistividade do estabilizador. Portanto, a resistividade deve estar em uma faixa intermediária, conforme descrito mais adiante.

Supõe-se que o cabo HTS 150 seja um cabo HTS com 2,60 km de comprimento classificado para 2400A de corrente contínua em 138kV. Os fios HTS (por exemplo, as camadas HTS 102, 104) do cabo HTS 150 podem incluir vinte e oito cadeias de fio HTS em paralelo. Além disso, supõe-se que o cabo 150 seja construído utilizando-se um fio HTS com 0,44 cm de largura, laminado com 300 mícrons de latão (150 mícrons por lado) com uma resistividade a -183,15°C (90 K) de 5 microOhm-cm. Logo, uma cadeia deste fio HTS apresenta uma resistência -183,15°C (90 K) de aproximadamente 37,9 Ohms por quilômetro. A American Superconductor Corporation demonstrou a laminação do estabilizador de latão ao fio HTS. Consequentemente, a resistência do cabo por fase seria igual a 37,9 Ω/km * 2,6 km * 1,08/28 cadeias = 3,80 Ω. O fator 1,08 resulta a partir do processo de cabeamento espiral que requer que cada cadeia seja maior que o comprimento do cabo HTS 150. Para um cabo convencional 200, a impedância é igual a 2,6 km * (0,095 + j0,17) Ω/km = 0,25 + 0,44Ω. Consequentemente, embora o cabo HTS 150 tenha um valor de impedância quando supercondutor que seja substancialmente menor (isto é, 0,00 + j0,007 Ω/km) do que o cabo convencional 200, quando o cabo HTS 150 não for supercondutor (por exemplo, quando ocorre uma condição de alta temperatura), a impedância do cabo HTS 150 é substancialmente maior (tendo uma impedância de 1,46 + j0,007 Ω/km) do que o cabo convencional 200 (tendo uma impedância indutiva de 0,095 + j0,17 [Ω/km).

Reportando-se, também, à Figura 7A, apresenta-se uma vista em corte transversal de um fio condutor revestido HTS 350 usado para conectar as camadas HTS 102, 104. Neste exemplo, o fio HTS 350 usado nas camadas HTS 102, 104 inclui duas camadas estabilizadoras 352, 353, e o substrato 354. Um exemplo de camadas estabilizadoras 352, 353 pode incluir, mas não se limita a, latão ou outras ligas de cobre ou níquel. Um exemplo de substrato 354 pode incluir, mas não se limita a, liga de níquel- tungstênio, aço inoxidável e Hastelloy. Posicionada entre a camada estabilizadora 352 e o substrato 354 pode existir uma camada separadora 356, uma camada HTS 358 (por exemplo, uma camada de óxido de ítrio, bário e cobre), e uma camada de cobertura 360 que consiste, por exemplo, em prata. Um exemplo de camada separadora 356 é a combinação de ítria, zircônia estabilizada por ítria, e óxido de cério (CeO2), e um exemplo de camada de cobertura 360 é prata. Uma camada de solda 362 (por exemplo, uma camada de SnPbAg) pode ser usada para unir as camadas estabilizadoras 352, 353 à camada de cobertura 360 e a camada de substrato 354. Outras configurações, com camadas HTS adicionais, substratos e estabilizadores, assim como possíveis encapsulantes, também são considerados no escopo da presente invenção.

Além da configuração de fio descrita anteriormente, consideram- se outras configurações de fio inclusas no escopo da presente descrição. Por exemplo, pode-se utilizar uma única camada estabilizadora. 25 Alternativamente, uma segunda camada HTS (com suas camadas separadoras e cobertura, não mostradas) pode ficar localizada entre a segunda camada estabilizadora 353 e a parte de baixo do substrato 354. Opcionalmente, o fio HTS pode consistir em duas camadas estabilizadoras posicionadas na parte externa do fio HTS, com dois substratos (cada um 30 com uma camada separadora, uma camada HTS, e uma camada de cobertura), separados por uma terceira camada estabilizadora posicionada entre as suas camadas de substrato. Pode-se utilizar uma camada de solda para facilitar todas as uniões necessárias (exceto possivelmente entre a camada de substrato 354, a camada de separadora 356, a camada HTS 358 e a camada de cobertura 360).

Reportando-se, também, à Figura 7B, apresenta-se um fio HTS 5 350’, que consiste em uma modalidade alternativa do fio HTS 350. O fio HTS 350’ pode incluir uma segunda camada de substrato 380 posicionada entre a segunda camada estabilizadora 353 e a terceira camada estabilizadora 382. Posicionada entre a camada estabilizadora 353 (e/ou camada estabilizadora 382) e a camada de substrato 380 pode existir uma camada separadora, 10 uma camada HTS (por exemplo, uma camada de óxido misto de bário de cobre e de ítrio - YBCO), uma camada de cobertura, e uma camada de solda.

Pode-se proporcionar calor específico adicional adicionando-se, opcionalmente, uma camada “isolante” fracamente condutora depositada ou enrolada ao redor do fio HTS estabilizado de modo a encapsulá-lo. Esta camada isolante fracamente condutora pode ser denominada como um encapsulante 364. O encapsulante 364 pode formar uma camada impermeável a líquidos com coeficiente de transferência de calor genericamente limitado para retardar a introdução de calor no refrigerante líquido circundante (por exemplo, nitrogênio líquido), permitindo, assim, que a temperatura do fio HTS se termalize, isto é, se torne mais uniforme através de sua seção transversal e, portanto, minimize a ocorrência de locais quentes e formação de bolhas de gás no refrigerante líquido. A superfície do fio HTS também pode ser otimizada (por exemplo, pelas características superfícies e pela química superficial) para inibir o início de borbulhamento ou fervura do refrigerante líquido.

O encapsulante 364 pode ser um polímero (por exemplo, polietileno, poliéster, polipropileno, epóxi, metacrilato de polimetila, poli- imidas, politetrafluoroetileno, e poliuretano) que inclua materiais comuns 30 eletricamente isolantes. A espessura do encapsulante 364 pode ser selecionada para equilibrar a necessidade por resfriar o fio HTS através de transferência de calor no refrigerante líquido circundante e a necessidade por maximizar a temperatura do fio HTS sem a formação de bolhas de gás no refrigerante líquido circundante. Uma faixa geral de espessura para o encapsulante 364 é igual a 25 a 300 micrômetros, e uma faixa desejável de espessura para o encapsulante 364 é igual a 50 a 150 micrômetros.

5 Em uma forma preferencial, o encapsulante 364 também pode

ser pouco eletricamente condutor, talvez através da adição de partículas condutoras, tais como metal, grafite ou pó de carbono, ou pode ser selecionado a partir de alguns dos polímeros em parte eletricamente condutores. A resistividade elétrica líquida do encapsulante 364 pode estar 10 na faixa de 0,0001 a 100 Ohm cm. Embora esta condutividade elétrica modesta não possa reduzir significativamente a resistência limitadora de corrente de fuga do fio HTS em seu estado resistivo ou normal, esta condutividade pode garantir que os fios HTS no cabo HTS permaneçam em um equipotencial em cada seção transversal e permitam um 15 compartilhamento de corrente entre os diferentes fios HTS no cabo HTS 150. A manutenção de um equipotencial é importante em casos de explosões de corrente que podem, de outro modo, causar diferenças de potencial indutivamente induzidas entre os fios HTS, levando a uma ruptura dielétrica e possível danos aos fios HTS. Opcionalmente, o encapsulante 20 364 pode ser um metal altamente resistivo ou um material semicondutor com resistência nesta faixa, ou um material de esmalte, vítreo ou óxido cristalino, que também pode conter materiais promotores de condutividade elétrica.

A superfície externa do encapsulante 364 pode ser revestida por um material que diminua o coeficiente de transferência térmica entre o 25 encapsulante 364 e o refrigerante líquido circundante (por exemplo, nitrogênio líquido). Alternativamente, a superfície do encapsulante 364 pode ser texturizada de modo a aumentar o coeficiente de transferência térmica entre o encapsulante 364 e o refrigerante líquido circundante (por exemplo, nitrogênio líquido). Além disso, a superfície do encapsulante 364 pode ser 30 revestida, por exemplo, por partículas metálicas com condutividade superior ou por fibras metálicas protuberantes, com a finalidade de inibir a nucleação dissipando-se rapidamente o calor para fora no refrigerante líquido circundante. No entanto, também se deve evitar qualquer um desses tratamentos superficiais diminuindo-se a resistência dielétrica no estado líquido.

O encapsulante 364 pode ser aplicado utilizando-se vários 5 métodos de embalagem/revestimento, incluindo, por exemplo, abordagens de múltiplas passagens que reduzem estatisticamente a incidência de perfurações em comparação com abordagens de passagem única. Alternativamente, o encapsulante 364 pode ser aplicado através de um método de revestimento, tal como imersão, extrusão, galvanização, 10 deposição a vapor ou aspersão.

O encapsulante 364 pode ser aplicado enquanto o fio HTS estiver em tensão axial, até, por exemplo, cadeias de tensão no fio de 0,3% (por exemplo, na ordem de 100 MegaPascais), colocando, assim, o encapsulante 364 em um estado comprimido mediante o término do 15 processo de aplicação, e reduzindo a probabilidade de perfurações no encapsulante 364. Consequentemente, uma vez terminado, o encapsulante 364 pode ser axialmente comprimido, enquanto o fio HTS no interior do encapsulante 364 é axialmente tensionado (quando comparado aos seus estados iniciais).

Se o encapsulante 364 for aplicado utilizando-se um

procedimento de embalagem, pode-se aplicar um revestimento adicional impregnante (por exemplo, um polímero, uma tinta ou um verniz, não mostrados) que penetre em quaisquer vãos/aberturas no encapsulante 364 nas camadas embaladas com um material impermeável, formando, assim, 25 um encapsulante hermeticamente vedado. Alternativamente, um encapsulante embalado pode ser hermético através de um processo de enrolamento ou compressão (por exemplo, processamento isostático) que vede os vãos/aberturas supramencionados. Evitar vãos e aberturas é importante porque o criogênio líquido que penetra em direção às camadas 30 estabilizadoras metálicas do fio podem iniciar uma nucleação de bolhas de gás e fervura durante uma fuga.

Outra classe de encapsulantes ou estabilizadores consistem em materiais que se submetem a uma transição de fase endotérmica, tal como derretimento ou transição de fase de estrutura cristalina. Prefere-se a utilização de um material que se submeta a tal alteração de fase endotérmica em uma determinada temperatura acima da temperatura 5 operacional do fio HTS (porém, abaixo da temperatura máxima permissível do fio HTS). Um exemplo de uma alteração de fase endotérmica é o derretimento, por exemplo, de materiais orgânicos ou inorgânicos com baixa temperatura de fusão, que possam ser adicionados: ao encapsulante 364 como partículas incrustadas discretas em um material de reforço compósito; 10 como géis/tintas que podem ser aplicados à superfície/interfaces do encapsulante 364; ou seletivamente a determinadas regiões do encapsulante 364 (por exemplo, bordas, frisos, ou em regiões de conduto interno). As alterações de fase endotérmica também podem incluir, por exemplo, determinadas alterações de fase intermetálica, alterações de fase 15 de disposição, ou outras transições de fase de segunda ordem. Por exemplo, o material selecionado para o encapsulante 364 pode derreter na faixa de -160°C a -70°C, com o material fervendo acima de aproximadamente - 50°C (com um ponto de ebulição preferencial acima da temperatura ambiente), com a finalidade de tornar a aplicação do 20 encapsulante 364 comparativamente fácil e econômica no estado líquido ou compósito (isto é, como uma tinta, um revestimento de película, uma emulsão ou um gel).

Reportando-se, também, à Figura 8, apresenta-se um modelo elétrico equivalente 400 do fio HTS 350. Por propósitos ilustrativos, o modelo 25 elétrico equivalente 400 ilustra o fio HTS 350 como uma camada supercondutora 402 na metade inferior do modelo 400 e todas as outras estruturas do fio combinadas de modo a formarem uma camada metálica resistiva 404 na metade superior do modelo 400. Quando o fio HTS 350 estiver no modo supercondutor, toda a corrente flui no interior da camada 30 supercondutora com resistência essencialmente igual a zero 402. Quando estiver no modo não-supercondutor, a corrente flui no interior da camada metálica resistiva 404, que consiste, principalmente, em um estabilizador. Reportando-se, também, à Figura 9 e conforme discutido anteriormente, exceder um nível crítico de corrente é o que diferencia entre o funcionamento do fio HTS 350 em um modo supercondutor ou em um modo não-supercondutor. O fio HTS 350 pode ser modelado de modo a incluir um 5 comutador 406 que, para correntes baixas (isto é, abaixo do nível crítico de corrente), é fechado e desvia a resistência 408 da camada metálica 404. Consequentemente, quando o comutador 406 estiver fechado, toda a corrente flui através da camada supercondutora 402, que é modelada como resistência zero. Quando o nível crítico de corrente for excedido, a camada 10 supercondutora 402 pode se tornar altamente resistiva e o comutador 406 pode ser aberto, resultando em toda a corrente fluindo através da camada metálica resistiva 404.

Reportando-se, também, à Figura 10, apresenta-se um modelo da combinação do cabo HTS 150 e do cabo convencional 200 durante o 15 modo de operação supercondutor. Para este modelo, supõe-se uma tensão de origem típica de 79,7kV linha-para-aterramento e uma impedância de origem de 0,155 + j1,55 Ohms (Vs, Ls, e Rs na Figura 6). Esses valores resultam em uma corrente de fuga de 51 kA para uma fuga na subestação 20 adiante dos cabos 150, 200. Inserindo-se valores típicos de impedância reais 20 e reativos, por exemplo, em um cabo de 2600 metros, durante a operação normal quando a corrente (isto é, abaixo do nível crítico de corrente) flui a partir de uma subestação para outra subestação, o comutador é fechado e 96% da corrente flui no interior do cabo HTS 150.

Reportando-se, também, à Figura 11, durante uma condição de fuga, o nível crítico de corrente é satisfeito ou excedido, fazendo-se com que

o comutador 410 (Figura 9) se abra. A resistência adicional da camada metálica 402 (Figura 8) do cabo HTS 150 pode fazer com que a maioria da corrente de fuga flua no interior do cabo convencional 200. De maneira específica, para os valores mostrados, 88% da corrente de fuga flui no 30 interior do cabo convencional 200 e 12% no interior do cabo HTS 150 quando o cabo HTS se tornar completamente resistivo. A corrente de fuga total que flui nos cabos 150, 200 é igual a 40kA, que consiste em uma redução significativa em relação aos 51 kA disponíveis. Esta redução de 20% na corrente de fuga disponível é típica de qual pode ser exigida por um limitador de corrente de fuga.

Com a finalidade de evitar que o cabo HTS 150 seja 5 excessivamente aquecido durante uma fuga, adotam-se várias medidas. Tipicamente, a montagem de comutação rápida 208 (Figura 4), que se encontra em série com o cabo HTS 150, pode ser aberta após, por exemplo, 4 ciclos, e somente é fechada depois que o cabo HTS 150 se resfriar até uma temperatura de partida aceitável. Alternativamente, os disjuntores 34 10 e/ou os disjuntores 36 podem ser abertos.

Com a finalidade de minimizar adicionalmente o aumento de temperatura, a camada estabilizadora 352 (Figura 7) pode ser bastante espessa (por exemplo, 300 mícrons) de modo a aumentar a capacidade térmica. Ao mesmo tempo, a resistividade da camada estabilizadora 352 15 pode ser selecionada em um valor para minimizar o aumento de temperatura devido ao aquecimento resistivo, embora ao mesmo tempo sendo alto o suficiente para garantir que em seu estado comutado, o cabo HTS 150 tenha uma resistência alta o suficiente para garantir a transferência da maior parte da corrente de fuga 124 (Figura 5) ao cabo convencional 200. Tipicamente, 20 os valores na faixa de 0,8 a 15 microOhm-cm, ou, com mais preferência, de

1 a 10 microOhm-cm, em torno de -183,15°C (90 K) satisfazem essas exigências para aplicações típicas. Uma família conveniente de material que serve para se obter tais valores é o latão (liga de Cu-Zn), porém, muitas outras ligas, tais como CuNi e CuMn também são possíveis. Esses valores 25 são fornecidos apenas por propósitos ilustrativos e não se pretende que limitem a presente descrição. Por exemplo, no caso descrito anteriormente, 28 fios HTS paralelos, cada um tendo 0,44 cm de largura e com um total de 300 mícrons de estabilizador com uma resistividade de 5,0 microOhm-cm proporcionam uma resistência de 1,35 Ohm/km, enquanto o aumento de 30 temperatura durante um tempo de espera de 4 ciclos (0,067 s) antes da abertura do comutador rápido para uma corrente crítica eficaz de 350 A/cm é igual a cerca de 5xl0'6 (350/0,03)2 x 0,067/(2 x 2) = -262,15°C (11 K) (supondo-se um aumento de temperatura adiabática com uma capacidade térmica de 2 J/cm3K e um fator f igual a 1). Para um sistema de cabos pressurizados com pressões na faixa de 1,5 a 2,0 MPa (15 a 20 bar), bolhas de nitrogênio acima de cerca de -163,15°C (110 K); logo, este aumento de 5 temperatura é aceitável para a operação na faixa de temperatura de -203,15 a -193,15°C (70 a 80 K). Para fios com uma corrente crítica inferior de cerca de 250 A/cm de largura, uma resistividade de cerca de 10 microOhm-cm resultaria no mesmo aumento de temperatura. Para fios com um fator f igual a 2, o aumento de temperatura seria de aproximadamente -229,15°C (44 K); 10 neste caso, uma resistividade de 3 microOhm-cm forneceria um aumento de temperatura de aproximadamente -247,15°C (26 K), aceitável para um cabo operando abaixo de -196,15°C (77 K). Para fios com um fator f igual a 3, uma resistividade de 1 microOhm-cm forneceria um aumento de temperatura de aproximadamente -253,15°C (20 K).

Portanto, os valores da resistividade estabilizadora na faixa de 1

a 10 microOhm cm são preferenciais. Para uma faixa um pouco maior de parâmetros iniciais, também é possível uma maior faixa de resistividade iguala a 0,8 a 15 microOhm cm. Esses valores são diferentes das abordagens anteriores para o cabo HTS adotado na literatura. Por outro 20 lado, a maioria dos cabos HTS, projetados para proteção ao invés de limitar corrente, foram construídos com desvios de cobre de baixa resistividade, que apresentam uma resistividade na faixa de temperatura de -196,15 a - 183,15°C (77 a 90 K) abaixo de 0,5 microOhm-cm. Por outro lado, um projeto anterior para o cabo limitador de corrente (consulte SUPERPOLI 25 Fault-Current Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes por A. Usoskin et ai, IEEE Trans, em Applied Superconductivity, Vol. 13, N0

2, junho de 2003, pp. 1972-5) utilizou hastes e cilindros do próprio supercondutor, que apresenta uma resistividade em torno de 100 microOhm- cm estado resistivo normal, ou dos fios HTS estabilizados por aço inoxidável, 30 que tem uma resistividade >50 microOhm-cm. A solução da presente invenção que utiliza uma faixa intermediária de resistividades estabilizadoras não foi previamente reconhecida. Agora, considera-se o exemplo de um comprimento de 600m do mesmo cabo (isto é 138kV, 2400A e construído da mesma forma com as características do mesmo cabo). Os valores de tensão e impedância de origem da Figura 9 permanecem inalterados. No entanto, a impedância do 5 cabo convencional 200 é igual a 0,57 + jO,IO Ohms e a impedância do cabo HTS 150 é igual a 0,88 + j0,005 Ohms no estado não-supercondutor. Neste cenário, a corrente de fuga é somente reduzido de 48kA para 51 kA. Com a finalidade de reduzir adicionalmente a corrente de fuga, um reator (por exemplo, o reator 206) pode ser inserido em série junto ao cabo 10 convencional 200. Por exemplo, um reator de 1,4mH e uma impedância de 0 + j0,53 Ohms e quando esta impedância for adicionada à impedância do cabo convencional (pelo fato de estar conectado em série), a corrente de fuga total que flui nos cabos é reduzida para 40kA.

A eficácia líquida do cabo limitador de corrente de fuga 150 consiste em: limitar a corrente na ramificação impactada do sistema de cabos até um nível não maior que o produto do fator f e a corrente crítica Ic; proteger a montagem de comutação rápida 208; e desviar a corrente de fuga restante para o cabo não-supercondutor 200 e reator 206. No exemplo anterior, sem a utilização do projeto do cabo HTS limitador de corrente de fuga de acordo com a presente descrição, a corrente de fuga na ramificação do sistema de cabos pode ser significativamente maior (por exemplo, uma ordem de maior magnitude). No entanto, os níveis precisos de corrente dependem das impedâncias e níveis de potência no interior do caminho elétrico. Depois que a montagem de comutação rápida 208 se abrir, o cabo não-supercondutor 200 e o reator 206 passam a corrente de fuga até que os disjuntores 34, 36 se abram. Através da seleção apropriada da impedância do cabo não-supercondutor 200 e reator 206, a corrente de fuga pode ser limitada ao nível desejado. Depois que o cabo supercondutor 150 recuperar seu estado supercondutor após alguns minutos, a montagem de comutação rápida 208 pode ser fechada, permitindo que o sistema retome sua operação original.

Embora o cabo supercondutor 150 seja descrito anteriormente como sendo um único cabo supercondutor no qual todo o cabo tem parâmetros supercondutores comuns (por exemplo, constituído por um único material supercondutor), outras configurações são possíveis e consideradas como estando no escopo da presente descrição. Por exemplo, e reportando- 5 se, também, à Figura 12, apresenta-se um cabo supercondutor de modalidade alternativa 150’ que inclui uma pluralidade de porções distintas do cabo supercondutor 450, 452. Embora o cabo supercondutor de modalidade alternativa 150’ inclua duas porções de cabo supercondutor 450, 452, o mesmo serve apenas para propósitos ilustrativos e não se pretende 10 que limite a presente descrição, assim como o número real de porções de cabo supercondutor pode ser aumentado/reduzido dependendo da aplicação.

Devido às características de transição variáveis dos diferentes materiais supercondutores (isto é, durante a transição de um estado supercondutor para um estado normal), alguns materiais supercondutores são, por natureza, melhores que outros em aplicações limitadoras de corrente de fuga. Por exemplo, os condutores de YBCO (isto é, óxido de ítrio, bário e cobre) são, tipicamente, considerados melhores que os condutores de BSCCO (isto é, óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre) para aplicações limitadoras de corrente de fuga devido aos altos valores de n dos condutores de YBCO, sendo que o valor de n de um supercondutor é usado para refletir a brusquidão da transição de um estado supercondutor para um estado normal. Exemplos típicos de valores de n podem variar de a 100, com fios de YBCO tendo um valor de n de 25 a 30 e fios de BSCCO tendo um valor de n de 15 a 20.

Consequentemente, uma porção de cabo supercondutor pode ser construída por uma pluralidade de porções de cabo supercondutor (por exemplo, as porções de cabo 450, 452), sendo que cada uma das porções de cabo supercondutor 450, 452 é construída utilizando-se diferentes 30 materiais supercondutores. Por exemplo, a porção de cabo supercondutor 450 pode ser construída por fios de BSCCO (isto é, óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre), enquanto a porção de cabo supercondutor 452 pode ser construída por fios de YBCO (isto é, óxido de ítrio ou óxido de terra-rara de bário e cobre). Exemplos da porção de cabo de BSCCO 450 podem incluir, mas não se limitam a, fios de BSCCO fabricados pela Sumitomo Electric Industries, Ltd., de Osaka, Japão e pela American 5 Superconductor Corporation de Westborough, MA. Exemplos da porção de cabo de YBCO 452 podem incluir, mas não se limitam a, fios de YBCO fabricados pela American Superconductor Corporation de Westborough, MA.

Consequentemente, embora um cabo supercondutor totalmente construído por fios de BSCCO possam ter uma eficácia limitada como um 10 dispositivo limitador de corrente de fuga (isto é, devido ao baixo valor de n), adicionar uma porção de cabo construída utilizando-se um fio tendo um valor de n maior pode resultar em um cabo geral (isto é, a combinação de porções de cabo 450, 452) que seja eficaz como um dispositivo limitador de corrente de fuga. Portanto, adicionando-se uma porção de cabo com alto valor de n 15 (por exemplo, a porção de cabo supercondutor 452 construída utilizando-se fios de YBCO projetados conforme descrito na presente descrição) a uma porção de cabo com baixo valor de n (por exemplo, a porção de cabo supercondutor 450 construída utilizando-se fios de BSCCO), pode-se imaginar um cabo supercondutor limitador de a corrente de fuga 150’. Nesta 20 configuração, as características de transição com alto valor de n da porção de cabo 452 podem ser usadas para se obter os efeitos desejados limitadores de corrente de fuga no interior do cabo supercondutor 150’ (que inclui a porção de cabo com baixo valor de n 450).

Descreveu-se uma série de implementações. No entanto, compreender-se-á que várias modificações podem ser realizadas. Consequentemente, outras implementações encontram-se no escopo das reivindicações a seguir.

Claims (36)

1. Sistema de cabo elétrico supercondutor configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo um nível conhecido de corrente de fuga, o sistema de cabo elétrico supercondutor compreendendo: um caminho elétrico não-supercondutor interconectado entre um primeiro nó e um segundo nó da rede elétrica pública; e um caminho elétrico supercondutor interconectado entre o primeiro nó e o segundo nó da rede elétrica pública, o caminho elétrico supercondutor e o caminho elétrico não-supercondutor sendo eletricamente conectados em paralelo, e o caminho elétrico supercondutor tendo uma impedância em série menor que o caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado abaixo de um nível crítico de corrente e uma temperatura crítica; em que o caminho elétrico supercondutor é configurado de modo que tenha uma impedância em série que seja pelo menos N vezes a impedância em série do caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado em, ou acima de, um ou mais níveis críticos de corrente e temperaturas críticas supercondutoras, em que N é maior que 1 e é selecionado de modo a atenuar, em conjunto com uma impedância do caminho elétrico não-supercondutor, o nível conhecido de corrente de fuga em pelo menos 10%.

2. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico não-supercondutor é mantido em uma temperatura não-criogênica.

3. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 2, em que a temperatura não-criogênica é igual a pelo menos -0,15°C (273 K).

4. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico supercondutor está incluído no interior de uma montagem de cabos e o caminho elétrico não-supercondutor encontra-se na parte externa da montagem de cabos.

5. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, que compreende, ainda: um dispositivo de ajuste de impedância que serve para ajustar a impedância do caminho elétrico não-supercondutor.

6. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 5, em que o dispositivo de ajuste de impedância inclui uma montagem de reator.

7. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, que compreende, ainda: um comutador rápido eletricamente acoplado em série ao caminho elétrico supercondutor.

8. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico supercondutor inclui uma primeira porção de cabo supercondutor e ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor.

9. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 8, em que a primeira porção de cabo supercondutor inclui um primeiro material supercondutor HTS e a ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor inclui um segundo material supercondutor HTS.

10. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 8, em que o primeiro material supercondutor HTS inclui um material de YBCO e o segundo material supercondutor HTS inclui um material de BSCCO.

11. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que N é maior ou igual a 3.

12. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que N é maior ou igual a 5.

13. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico não-supercondutor inclui ao menos um cabo elétrico não-supercondutor.

14. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico não-supercondutor inclui ao menos uma linha aérea elétrica não-supercondutora.

15. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico supercondutor inclui um ou mais entre: um ou mais cabos elétricos supercondutores; e uma ou mais montagens de comutação rápida.

16. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico não-supercondutor inclui ao menos um entre: um ou mais cabos elétricos não-supercondutores, um ou mais barramentos, uma ou mais subestações, e uma ou mais montagens de reator.

17. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 16, em que o ao menos um cabo elétrico supercondutor inclui uma passagem axial refrigerante centralmente localizada configurada para permitir uma distribuição axial de um refrigerante através da passagem axial refrigerante centralmente localizada.

18. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 1, em que o caminho elétrico supercondutor inclui uma pluralidade de componentes eletricamente condutores, em que cada um desses tem uma resistividade na faixa de temperatura de -183,15°C (90 K) maior que 0,8 microOhm-cm.

19. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 16, em que o ao menos um cabo elétrico supercondutor inclui um ou mais fios HTS.

20. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 19, em que pelo menos um dos fios HTS é construído a partir de um material selecionado a partir do grupo que consiste em: óxido de ítrio ou óxido de terra-rara de bário e cobre; óxido de tálio, bário, cálcio e cobre; óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre; óxido de mercúrio, bário, cálcio e cobre; e diboreto de magnésio.

21. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 19, em que pelo menos um dos fios HTS inclui um encapsulante.

22. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 19, em que pelo menos um entre o um ou mais fios HTS inclui uma ou mais camadas estabilizadoras tendo uma espessura total em uma faixa de 200 a 600 mícrons e uma resistividade em uma faixa de 0,8 a 15,0 microOhm-cm a -183,15°C (90 K).

23. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 22, em que a camada estabilizadora é construída, pelo menos parte, por um material de latão.

24. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 19, em que pelo menos um entre o um ou mais fios HTS inclui uma ou mais camadas estabilizadoras tendo uma espessura total em uma faixa de 200 a 1000 mícrons e uma resistividade em uma faixa de 1 a 10 microOhm-cm a -183,15°C (90 K).

25. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 24, em que pelo menos um entre o um ou mais fios HTS é configurado para operar em um modo supercondutor abaixo de um nível crítico de corrènte.

26. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 19, em que pelo menos um entre o um ou mais fios HTS é configurado para operar em um modo não-supercondutor em ou acima de um nível crítico de corrente.

27. Sistema de cabo elétrico supercondutor configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo um nível conhecido de corrente de fuga, o sistema de cabo elétrico supercondutor compreendendo: um caminho elétrico não-supercondutor e não-criogênico interconectado entre um primeiro nó e um segundo nó da rede elétrica pública; e um caminho elétrico supercondutor interconectado entre o primeiro nó e o segundo nó da rede elétrica pública, o caminho elétrico supercondutor e o caminho elétrico não-supercondutor sendo eletricamente conectados em paralelo, e o caminho elétrico supercondutor tendo uma impedância em série menor que o caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado abaixo de um nível crítico de corrente; em que o caminho elétrico supercondutor é configurado de modo a ter uma impedância em série que seja pelo menos N vezes a impedância em série do caminho elétrico não-supercondutor quando o caminho elétrico supercondutor for operado em ou acima do nível crítico de corrente, em que N é maior que 1.

28. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, em que o caminho elétrico não-supercondutor e não- criogênico é mantido em uma temperatura não-criogênica de pelo menos -0,15°C (273 K).

29. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, em que o caminho elétrico supercondutor está incluído no interior de uma montagem de cabos e o caminho elétrico não-supercondutor e não-criogênico encontra-se na parte externa da montagem de cabos.

30. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, que compreende, ainda: um dispositivo de ajuste de impedância que serve para ajustar a impedância do caminho elétrico não-supercondutor e não-criogênico.

31. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 30, em que o dispositivo de ajuste de impedância inclui uma montagem de reator.

32. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, em que o caminho elétrico supercondutor inclui uma primeira porção de cabo supercondutor e ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor.

33. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 32, em que a primeira porção de cabo supercondutor inclui um primeiro material supercondutor HTS e a ao menos uma segunda porção de cabo supercondutor inclui um segundo material supercondutor HTS.

34. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 32, em que o primeiro material supercondutor HTS inclui um material de YBCO e o segundo material supercondutor HTS inclui um material de BSCCO.

35. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, em que N é maior ou igual a 3.

36. Sistema de cabo elétrico supercondutor, de acordo com a reivindicação 27, em que N é maior ou igual a 5.