BRPI0807527B1 - cabo hts limitador de corrente de fuga e método para configuração do mesmo - Google Patents
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Description
(54) Título: CABO HTS LIMITADOR DE CORRENTE DE FUGA E MÉTODO PARA CONFIGURAÇÃO DO MESMO (51) Int.CI.: H01L 39/14; H01L 39/16; H01B 12/02; H02H 9/02 (30) Prioridade Unionista: 09/02/2007 US 11/673,281, 20/03/2007 US 11/688,817, 20/03/2007 US 11/688,827, 20/03/2007 US 11/888,802 (73) Titular(es): AMERICAN SUPERCONDUCTOR CORPORATION (72) Inventor(es): DOUGLAS C. FOLTS; JAMES MAGUIRE; JIE YUAN; ALEXIS P. MALOZEMOFF (85) Data do Início da Fase Nacional: 10/08/2009
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CABO HTS LIMITADOR DE CORRENTE DE FUGA E MÉTODO PARA CONFIGURAÇÃO DO MESMO.
Referência Remissiva ao(s) Pedido(s) de Depósito Correlato(s)
O presente pedido reivindica a prioridade à: Continuação-emParte do Pedido de Patente com número de série U.S 11/688.802, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente N° 11/688.817, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente U.S. N° 11/688.827, depositada em 20 de março de 2007, que reivindica a prioridade à Continuação-em-Parte do Pedido de Patente com número de série U.S 11/673.281, depositado em 09 de fevereiro de 2007.
Campo da Técnica
A presente invenção 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 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 de ítrio ou óxido de terra-rara de bário e cobre (denominado no presente documento como YBCO); óxido de tálio, bário, cálcio e cobre; óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre (denominado no 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 (-183,15°C (90 K)). O BSCCO apresenta uma temperatura crítica de aproximadamente -183,15°C (-183,15°C (90 K)) em uma composição e aproximadamente -163,15°C (110 K) em uma segunda 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 critica abaixo de -243,15°C (30 K). Esses cabos HTS permitem 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 força 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 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 (AC); e um aumento de até dez vezes na capacidade de transporte de corrente quando comparado com cabos convencionais de corrente direta (DC).
Os cabos HTS podem ser projetados com fios HTS helicoidalmente enrolada ao redor de uma matriz corrugada continuamente flexível, ou podem ter múltiplos fios HTS em uma variedade de 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 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 resultante 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 de energia pública até outra fase. Em geral, essa fuga surge como uma carga extremamente grande que se materializa instantaneamente na rede de energia 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 pode ser 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, 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 igual a 80.000 amps, e esses ampères 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 ampéres de corrente de fuga. Infelizmente, com os níveis crescentes de geração e transmissão de energia nas redes elétricas 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 ampéres) 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. Consequentemente, as companhias de serviços de utilidade pública estão buscando por novas soluções para lidar com o nível crescente de correntes de fuga. 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. 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 de energia que reduz a amplitude das correntes de fuga até níveis que os disjuntores convencionais prontamente disponíveis ou já instalados possam suportar. Vide High-Temperature Superconductor Fault Current Limiters por Noe e M. Steurer, Supercond. Sei. Technol. 20 (2007) R15-R29. Tipicamente, esses 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 um estado resistivo. Infelizmente, esses FCLs HTS autônomos são, atualmente, bastante grandes e dispendiosos. O espaço consiste particularmente em um problema nas subestações localizadas em ambientes densamente povoados onde os cabos HTS são mais necessários. As companhias prestadoras de serviços públicos também podem utilizar 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 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 ao cabo. Vide 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 o molde central no núcleo do cabo HTS ao 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 múltiplas fases, 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 que podem ser denominados como “desvio de cobre” no interior do cabo HTS. Na presença de uma 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 l2R resistivas e (onde I é a corrente e R é a resistência do cabo). Os “desvios de cobre” podem ser projetados para absorverem e transportarem a corrente de fuga com a finalidade de evitar 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 comparativamente baixa na faixa de temperatura de -196,15 a -183,15°C (77 a 90 K) (por exemplo, <0,5 micro-ohm-cm, ou tão baixo quanto 0,2 microohm-cm.
No programa europeu SUPERPOLI (Vide SUPERPOLI FaultCurrent Limiters Based on YBCO-Coated Stainless Steel Tapes por A. Usoskin et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, Vol. 13, N° 2, Junho de 2003, pp. 1972-5; Design Performance of a Superconducting Power Link por Paasi et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, Vol. 11, N° 1 , Março de 2001, pp. 1928-31; HTS Materials of AC Current Transport and Fault Current Limitation por Verhaege et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, Vol. 11, N° 1, Março 2001, pp. 2503-6; e Patente U.S. N° 5.859.386, intitulada “Superconductive Electrical Transmission Line”), verificou-se as conexões de força 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 força. 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 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 força. 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 para criar um cabo de comprimento longo consistiu em interconectar os módulos rígidos com interconexões flexíveis trançadas de cobre. Vide a Patente N° 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 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 poderíam otimizar a funcionalidade da conexão.
Deseja-se aperfeiçoar a maneira na qual os cabos HTS manipulam as correntes de fuga e proporcionam 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 força. Um cabo de força 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 de rede repletas.
Sumário da Descrição
Em uma primeira implementação da presente descrição, um cabo HTS criogenicamente resfriado é configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo uma corrente máxima de fuga que ocorrería na ausência do cabo HTS criogenicamente resfriado. O cabo HTS criogenicamente resfriado inclui um caminho contínuo de agente refrigerante líquido que serve para circular um criogênio líquido. Uma disposição continuamente flexível de fios HTS apresenta uma característica de impedância que atenue a corrente máxima de fuga em ao menos 10%. A disposição continuamente flexível dos fios HTS é configurada de modo a permitir que o cabo HTS criogenicamente resfriado opere, durante a ocorrência de uma condição máxima de corrente, com um aumento máximo de temperatura no interior dos fios HTS que seja baixa o suficiente para evitar a formação de bolhas de gás no criogênio líquido.
Pode-se incluir uma ou mais das características a seguir. O cabo HTS criogenicamente resfriado pode incluir uma estrutura de suporte espiralada continuamente flexível. Pode-se posicionar um ou mais fios HTS coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível. A estrutura de suporte espiralada continuamente flexível pode incluir um núcleo axial oco. A estrutura de suporte espiralada continuamente flexível pode incluir um tubo de aço inoxidável corrugado.
Pode-se posicionar uma camada de blindagem coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível. Pode-se posicionar uma camada de isolamento coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível e posicionada entre uma ou mais camadas condutoras e a camada de blindagem. O criogênio líquido pode ser nitrogênio líquido. O nitrogênio líquido pode ser pressurizado acima da pressão atmosférica e pode ser sub-resfriado abaixo de -196,15°C (77 K). O criogênio líquido pode ser hidrogênio líquido.
O cabo HTS criogenicamente resfriado pode incluir um ou mais fios HTS. Ao menos um dos fios HTS pode ser construído a partir de um material HTS 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. Ao menos um entre um ou mais fios HTS pode incluir pelo menos uma camada estabilizadora tendo uma espessura estabilizadora total em uma faixa de 100 a 600 micrômetros e uma resistividade em uma faixa de 0,8 a 15,0 micro-ohm-cm a -183,15°C (90 K). Ao menos um entre o um ou mais fios HTS pode incluir pelo menos uma camada estabilizadora tendo uma espessura estabilizadora total em uma faixa de 200 a 500 micrômetros e uma resistividade em uma range de 1 a 10,0 micro-ohm-cm a -183,15°C (90 K). Pode-se definir uma característica de impedância e um aumento máximo de temperatura durante uma condição de fuga configurando-se um ou mais parâmetros de projeto de um ou mais fios HTS. Um ou mais parâmetros de projeto podem incluir um ou mais entre; um fator de resistividade do estabilizador; um fato de espessura do estabilizador; um fator de calor específico do fio; e um fator crítico operacional de densidade de corrente.
Pode-se acoplar, em série, um ou mais comutadores de alta velocidade ao cabo HTS criogenicamente resfriado. Pode-se configurar um ou mais comutadores de alta velocidade para que sejam abertos após o início de uma condição de fuga. O cabo HTS criogenicamente resfriado pode ser configurado de modo que seja usado em uma aplicação de acoplador de barramento que conecta uma pluralidade de subestações.
Em outra implementação da presente descrição, um método para configuração de um cabo HTS criogenicamente resfriado inclui determinar uma temperatura operacional máxima permissível para o cabo HTS criogenicamente resfriado. O cabo HTS criogenicamente resfriado inclui uma estrutura de suporte espiralada flexível configurada para sustentar uma ou mais camadas condutivas de material supercondutor posicionadas coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada flexível. Configuram-se um ou mais parâmetros de projeto do cabo HTS criogenicamente resfriado de tal modo que, durante a ocorrência de uma condição máxima de fuga, uma temperatura operacional real do cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado seja mantida em um nível menor que a temperatura operacional máxima permissível, e a corrente máxima de fuga seja reduzida em pelo menos 10%.
Pode-se incluir uma ou mais das características a seguir. A temperatura operacional máxima permissível pode corresponder essencialmente à temperatura na qual um agente refrigerante que circula no interior de ao menos uma porção do cabo HTS criogenicamente resfriado se altera a partir de um estado líquido para um estado gasoso. O refrigerante pode ser nitrogênio líquido pressurizado. Um ou mais parâmetros de projeto podem incluir um ou mais entre: um fator de resistividade do fio; um fator de espessura do estabilizador; um fator de calor específico; um fator de duração de corrente de fuga; e uma corrente crítica operacional do fio por fator de unidade de largura. Pode-se determinar a temperatura operacional real do cabo HTS criogenicamente resfriado. A temperatura operacional real do cabo HTS criogenicamente resfriado pode ser comparada à temperatura operacional máxima permissível para o cabo HTS criogenicamente resfriado.
A configuração de um ou mais parâmetros de projeto pode incluir ajustar uma impedância do cabo HTS criogenicamente resfriado. O ajuste da impedância do cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado pode incluir um ou mais entre: ajustar um comprimento do cabo HTS criogenicamente resfriado acima de um valor mínimo; ajustar uma resistividade do cabo HTS criogenicamente resfriado; ajustar uma espessura de uma camada estabilizadora unida a um fio HTS no interior do cabo HTS criogenicamente resfriado; ajustar um calor específico de um fio HTS por meio de um encapsulante no cabo HTS criogenicamente resfriado; e ajustar uma densidade operacional crítica de um fio HTS incluído no interior do cabo HTS criogenicamente resfriado.
Pode-se construir a camada estabilizadora, pelo menos em parte, a partir de um material de latão. O cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado pode incluir um ou mais fios HTS. Ao menos um entre um ou mais fios HTS pode ser 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. O cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado pode ser acoplado a uma fonte de tensão tendo uma impedância de origem de tensão. Pode-se determinar a impedância de origem de tensão.
Descrevem-se os detalhes de uma ou mais implementações nos desenhos em anexo e na descrição abaixo. 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;
A Figura 2 é uma vista isométrica do cabo HTS com núcleo de cobre da Figura 1;
A Figura 3 é uma vista isométrica de um cabo HTS com núcleo oco;
A Figura 4 é um diagrama esquemático do cabo HTS com núcleo oco da Figura 3 instalado em uma rede elétrica pública;
A Figura 5A é uma vista em corte transversal de um fio HTS;
A Figura 5B é uma vista em corte transversal de uma modalidade alternativa do fio HTS;
A Figura 6 é um diagrama esquemático de uma rede elétrica pública;
A Figura 7 é um modelo do cabo HTS com núcleo oco da Figura 3 instalado em uma rede elétrica pública; e
A Figura 8 é um fluxograma de um método de configurar o cabo HTS com núcleo oco da Figura 3.
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)
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 impostada 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 capacidade de transporte de corrente de um cabo AC convencional; e até dez vezes a capacidade de transporte de corrente de um cabo DC 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 cinquenta 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 AC convencional), pode-se construir um cabo de força HTS que seja capaz de proporcionar de três a cinco vezes mais energia elétrica do que um cabo de força 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 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. 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 para 69kV, que pode ser distribuída, por exemplo, ais 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 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, três, aeronaves e espaçonaves).
Um ou mais disjuntores 34 e 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 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 através da subestação 20 de 138kV (utilizando, por exemplo, um sensor de corrente 40) e pode controlar a operação dos disjuntores 34 e 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 (isto é, 12 ciclos de energia de 60 Hz). Os detalhes do sistema de gerenciamento de fuga 38 estão descritos no Pedido de Patente CoPendente número de série U.S. 11/459.167, depositado em 21 de julho de 2006, e intitulado Fault Management of HTS Power Cable. Tipicamente, com a finalidade de suportar este nível de corrente de fuga, o cabo HTS pode conter uma quantidade significativa de cobre, o que ajuda a transportar a alta corrente de fuga e, portanto, proteger 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 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 de agente refrigerante 112, parede criostática interna 114, isolante térmico 116, espaço de vácuo 118, parede criostática externa 120 e um revestimento de cabo externo 122. A camada HTS 102 e a camada HTS 104 também podem ser denominadas como “condutores de fase”. A camada de blindagem de cobre 108 pode ser alternativamente posicionada na parte externa da camada de blindagem HTS 110. Durante a operação, um refrigerante (por exemplo, nitrogênio líquido, não mostrado) pode ser fornecido a partir de uma fonte externa de agente refrigerante (não mostrada) e pode ser circulado no interior e ao longo do comprimento da passagem de agente 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, 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 dessa disposição de cabo é a disposição Triax HTS Cable proposta por Ultera (isto é, um empreendimento conjunto de Southwire Company of Carrollton, GA, EUA 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 configurações diferentes de blindagem (por exemplo, sem revestimento 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 exemplo, quando a corrente de fuga 124 surgir no interior do cabo 12, a corrente no interior das camadas HTS 102 e 104 pode aumentar dramaticamente até um nível que exceda o nível crítico de corrente (isto é, lc) das camadas HTS 102 e 104, que podem fazer com que as camadas HTS 102 e 104 percam suas características supercondutoras (isto é, as camadas HTS 102 e 104 podem estar “normais”). Um valor típico para o nível crítico de corrente lc é igual a um pico de 4242 A para um cabo avaliado em 3000 Arms, (onde A^ se refere à carga eficaz de Ampéres 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 lc é definido como um nível do campo elétrico de 1 microvolt/cm, muito embora também se possam utilizar valores inferiores. No entanto, os supercondutores típicos 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 do condutor resultantes a partir da operação nesta região de transição estão abaixo das perdas do estado completamente resistivo. Portanto, na prática, as porções do condutor no cabo HTS podem ser comutadas para o estado completamente resistivo em um nível crítico de corrente que consiste em um fator (“f) vezes o nível crítico de corrente convencional lc definido pelo critério de 1 microvolt/cm. Em fios sinuosos com películas delgadas de YBCO, determinou-se que este fator (“f) é aproximadamente igual a 2, porém, observou-se uma variação em relação ao tempo. Vide Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters por Η. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, vol. 13, N° 2, junho de 2003, pp. 2044-7. Antecipa-se que o fator f para os fios HTS com películas delgadas similares de YBCO esteja em uma faixa similar (por exemplo, 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 e 104 pode aumentar de maneira significativa e pode se tornar comparativamente bastante alta (isto é, quando 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 e 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 e 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 e 104 até o núcleo de cobre 100, pode-se evitar o superaquecimento dos fios HTS no cabo HTS
12. E, segundo, a capacidade térmica adicional do núcleo de cobre 100 reduz a elevação de temperatura nas camadas HTS 102 e 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 e 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 e 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 de agente 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 e 104 pode simplesmente se superaquecer e destruir as camadas HTS 102 e 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 e 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 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 e 104 e o agente refrigerante devido à 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 e 104. Por exemplo, no caso em que uma corrente de fuga é redirecionada através do núcleo de cobre 100, podem-se levar várias 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 elétrica pública, que este tempo seja o menor possível (por exemplo, segundos). 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 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 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 de agente refrigerante 152). Um exemplo de passagem interna de agente 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 de agente refrigerante 152.
De maneira similar àquela do cabo HTS com núcleo de cobre 12, a passagem interna de agente 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, camada de blindagem HTS 110, passagem de agente 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 de agente refrigerante (não mostrada) e pode ser circulado no interior e ao longo do comprimento da passagem de agente refrigerante 112 e da passagem interna de agente 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 de agente refrigerante 152 (na qual a primeira camada HTS 102 e a segunda camada HTS 104 são enroladas) é flexível. Consequentemente, utilizando-se uma passagem interna flexível de agente 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 que 200 m. Pode-se incluir, também, um cabo convencional (isto é, um cabo não-supercondutor, não mostrado), conectado em paralelo com o cabo HTS 150. Um exemplo de cabo convencional pode incluir, mas não se limita a, um cabo de força 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 convencionais, por exemplo, com a finalidade de aumentar a capacidade de força de uma rede elétrica. Alternativamente, o cabo convencional 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 200, que pode incluir uma porção de uma rede elétrica pública. Além disso, o caminho elétrico supercondutor 200 pode incluir outros dispositivos de distribuição supercondutores de energia, tais como barramentos (não 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 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 150 sendo essencialmente isolado em relação à corrente de fuga 124. Para energia de múltiplas fases, 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 período de tempo suficiente para permitir que o cabo HTS 150 recupere seu estado supercondutor. Se os disjuntores existentes 34 e 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 (não mostrado) e/ou os cabos convencionais adicionais (não mostrados) podem ser incluídos no interior de um caminho elétrico não-supercondutor, que pode incluir uma porção de uma rede de energia pública. Além disso, o caminho elétrico nãosupercondutor 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 caminho elétrico não-supercondutor 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 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 controlando-se a impedância do cabo HTS 150, 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 com núcleo de cobre 12,) e pode resultar em um sistema geral e custos operacionais menores. Além disso, removendo-se o núcleo de cobre 100 a partir da parte interna do cabo HTS 150, a capacidade térmica do cabo HTS 150 e a resistência térmica entre as camadas HTS 102 e 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 e 104. Removendo-se o núcleo de cobre 100 da parte interna do cabo HTS flexível com comprimento longo 150 e controlando-se a impedância do cabo HTS 150, 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 ou o equipamento a jusante contra as correntes de fuga.
Cabo HTS e Limitadores de Corrente de Fuga
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 e 36, um dispositivo FCL HTS 42 (mostrado em espectro) ou uma tecnologia convencional de reator (não mostrada) podem ser incorporados 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 e 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 nãosupercondutor (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 e 36.
Os dispositivos FCL HTS autônomos 42 estão sendo desenvolvidos por várias companhias, incluído American Superconductor Corporation (de Westborough, MA, EUA) em um empreendimento conjunto com Siemens AG (Alemanha). Infelizmente, adicionando-se o dispositivo FCL 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 (França) e EHTS (Alemanha). Embora os barramentos limitadores de corrente de fuga possam ter determinadas aplicações, os mesmos não proporcionam uma capacidade altamente procurada, uma baixa área de cobertura e flexibilidade que são proporcionadas por cabos continuamente flexíveis de comprimento longo destinados aos pedidos de transmissão e distribuição.
De acordo com a presente descrição, um dispositivo HTS, por 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 dispositivo FCL HTS separado, tal como o dispositivo FCL HTS 42 (Figura 1). Controlando-se, por exemplo, a impedância de estado normal (resistiva) do cabo HTS 150, o próprio cabo HTS pode ser utilizado para obter os efeitos desejáveis (por exemplo, atenuação de correntes de fuga) de um dispositivo FCL HTS autônomo típico (por exemplo, FCL HTS 42), enquanto evita os efeitos indesejáveis (por exemplo, custos e tamanho) do dispositivo FCL HTS autônomo típico. De maneira específica, e conforme será discutido mais adiante em maiores detalhes, se o comprimento do cabo HTS 150 for suficientemente longo e se o cabo HTS 150 for fabricado de modo que exiba as características de impedância desejada, o cabo HTS continuamente flexível de comprimento longo 150 pode proporcionar uma atenuação significativa de corrente de fuga 124 (Figura 3) sem aquecer até o ponto de criar bolhas de gás no criogênio líquido e riscos de ruptura dielétrica.
Visão Geral do Cabo HTS Limitador de Corrente de Fuga (FCL) e Projeto do
Fio HTS para o Cabo FCL
Conforme será discutido mais adiante em maiores detalhes, controlando-se vários parâmetros do cabo HTS flexível de comprimento longo 150 (por exemplo, a resistividade elétrica e a espessura do estabilizador dos fios HTS no interior do cabo 150), pode-se imaginar um cabo HTS que, simultaneamente, 1) proporciona a resistência líquida necessária para alcançar uma redução significativa de corrente de fuga no cabo, e 2) mantém o aumento de temperatura induzido pela corrente de fuga em todo o cabo HTS 150 em um nível que esteja abaixo de um valor máximo que evite o borbulhamento do agente refrigerante de nitrogênio líquido que circula no interior do cabo. Conforme discutido anteriormente, a formação de “bolhas” gasosas de nitrogênio líquido pode reduzir a resistência dielétrica da camada dielétrica do cabo HTS 150 e pode resultar em ruptura de voltagem e na destruição do cabo HTS 150.
A resistividade elétrica, que também pode ser conhecida como resistência elétrica específica, consiste em uma medição de quão fortemente um material se opõe ao fluxo de corrente elétrica. De maneira específica, uma resistividade elétrica baixa pode indicar um material que permite prontamente o movimento da carga elétrica. Uma medição conveniente de resistividade é micro-ohm-cm.
Conforme será discutido mais adiante em maiores detalhes, a estrutura do cabo HTS 150 e o projeto do fio HTS no interior do cabo HTS 150 diferem fundamentalmente dos projetos que foram propostos para FCLs HTS autônomos ou barramentos limitadores de corrente de fuga.
Reportando-se, também, à Figura 5, apresenta-se uma vista em corte transversal de um fio HTS 250 usado para construir as camadas HTS 102 e 104 do cabo HTS limitador de corrente de fuga 150. Esta arquitetura de fio também pode ser denominada como arquitetura de “fio revestido”, pelo fato de uma camada delgada do fio supercondutor (isto é, uma camada HTS) ser revestida sobre um substrato separado. Tipicamente, a camada HTS compreende o YBCO supercondutor, conforme definido anteriormente, em particular, a composição YBa2Cu30z com possíveis substituições de elementos de terra-rara para Y. Compreende-se que a composição geral pode ser diferente desta composição devido ao fato de as fases de impureza poderem estar presentes na camada. Outros materiais HTS também podem ser usados em uma arquitetura de condutor revestido.
Neste exemplo, o fio HTS 250 usado nas camadas HTS 102 e 104 inclui duas camadas estabilizadoras 252 e 253 e uma camada de substrato 254. Um exemplo de camada de substrato 254 pode incluir, mas não se limita a, liga de níquel-tungstênio, aço inoxidável e Hastelloy. Posicionada entre a camada estabilizadora 252 e o substrato 254 pode existir uma camada separadora 256, uma camada HTS 258 (por exemplo, uma camada de óxido de ítrio, bário e cobre - YBCO), e uma camada de sobretampa 260. Um exemplo de camada separadora 256 consiste na combinação de ítria, zircônia estabilizada por ítria, e óxido de cério (CeO2), θ um exemplo de camada de sobretampa 360 é prata. Uma camada de solda 262 (por exemplo, uma camada de SnPbAg) pode ser usada para unir as camadas estabilizadoras 252 e 253 à camada de sobretampa 260 e a camada de substrato 254.
Além da configuração de fio descrita anteriormente, consideramse outras configurações de fio inclusas no escopo da presente descrição. Por exemplo, pode-se utilizar uma única camada estabilizadora. Alternativa25 mente, uma segunda camada HTS (com suas camadas separadoras e sobretampa, não mostradas) pode ficar localizada entre a segunda camada estabilizadora 253 e a parte de baixo do substrato 254. Opcionalmente, o fio HTS pode consistir em duas camadas estabilizadoras posicionadas na parte externa do fio HTS, com dois substratos (cada um com uma camada separadora, uma camada HTS, e uma camada de sobretampa), 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 254, a camada de separadora 256, a camada HTS 258 e a camada de sobretampa 260).
Reportando-se, também, à Figura 5B, apresenta-se um fio HTS 250’, que consiste em uma modalidade alternativa do fio HTS 250. O fio HTS 250’ pode incluir uma segunda camada de substrato 280 posicionada entre a segunda camada estabilizadora 253 e a terceira camada estabilizadora 282. Posicionada entre a camada estabilizadora 253 (e/ou camada estabilizadora 282) e a camada de substrato 280 pode existir uma camada separadora, uma camada HTS (por exemplo, uma camada de óxido de ítrio, bário e cobre - YBCO), uma camada de sobretampa, e uma camada de solda. Camada Estabilizadora do Fio HTS
O fio HTS funciona, de maneira mais eficaz e econômica, como um limitador de corrente de fuga se a capacidade térmica do fio HTS for alta e a resistividade elétrica do fio HTS estiver em um nível ótimo. A camada estabilizadora 252 pode ser essencial para se alcançar essas propriedades. Exemplos de ligas que podem ser particularmente adequadas para a camada estabilizadora 252 consistem em ligas de latão (por exemplo, CuZn), com, por exemplo, Zn na faixa de 3 a 40%, em peso, assim como possivelmente outras ligas de latão baseadas, por exemplo, no sistema de liga de Cu-Sn. As ligas com resistividades na faixa de 0,8 a 15 micro-ohm cm e na faixa de temperatura de -196,15°C a -163,15°C (77 K a 110 K) podem ser ótimas. As ligas de latão particulares podem incluir, mas não se limitam a, latão 210 (95% de Cu/5% de Zn), latão 220 (90% de Cu/10% de
Zn), latão 230 (85% de Cu/15% de Zn), latão 240 (80% de Cu/20% de Zn) e latão 260 (70% de Cu/30% de Zn). Outras ligas à base de cobre podem incluir, por exemplo, a série de Monel (Cu-Ni), que também pode proporcionar a faixa de resistividades descrita anteriormente. As ligas de CuNi ou outras com uma transição magnética na faixa de -203,15°C a 163,15°C (70 a 110 K) podem ser usadas e podem apresentar a vantagem adicional de um grande pico de calor específico nesta faixa de temperatura. No entanto, deve-se tomar cuidado com essas ligas para minimizar as perdas magnéticas AC minimizando-se a coercitividade.
Com a finalidade de proporcionar uma flexibilidade adequada no cabeamento, as camadas estabilizadoras 252 e 253 podem estar em um estado de têmpera macia, por exemplo, % ou % duras. A espessura total típica das camadas estabilizadoras 252 e 253 de um determinado fio HTS pode estar na faixa de 100 a 600 micrômetros, com mais preferência, na faixa de 200 a 500 micrômetros. Se o fio se tornar muito espesso e rígido, o mesmo pode se tornar difícil de enrolar na bobina helicoidal de um cabo continuamente flexível. A condutividade térmica das camadas estabilizadoras 252 e 253 pode ser maior que 0,1 W/cmK na faixa de temperatura de -196,15°C a -163,15°C (77 K a 110 K) com a finalidade de suavizar o superaquecimento da camada HTS (por exemplo, camadas HTS 102 e 104) durante os estágios anteriores de uma fuga e proporcionar uma recuperação suficientemente rápida. As camadas estabilizadoras 252 e 253 podem ser aplicadas, por exemplo, através de laminação por solda ou união adesiva. Além disso, as camadas estabilizadoras 252 e 253 também podem ser aplicadas através de um método de revestimento, tal como imersão, galvanização, deposição a vapor, eletrodeposição, deposição em fase líquida metal-orgânica ou aspersão, como um metal ou compósito. Encapsulantes para Fios HTS
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 264. O encapsulante 264 pode formar uma camada impermeável a líquidos com coeficiente de transferência de calor geralmente limitado para retardar a introdução de calor no agente 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 agente 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 agente refrigerante líquido.
O encapsulante 364 pode ser um polímero (por exemplo, polietileno, poliéster, polipropileno, epóxi, metacrilato de polimetila, poliimidas, politetrafluoroetileno, e poliuretano) que inclua materiais comuns elétricamente isolantes. A espessura do encapsulante 264 pode ser selecionada para equilibrar a necessidade por resfriar o fio HTS através de transferência de calor no agente refrigerante líquido circundante e a necessidade por maximizar a temperatura do fio HTS sem a formação de bolhas de gás no agente refrigerante líquido circundante. Uma faixa geral de espessura para o encapsulante 264 é igual a 25 a 300 micrômetros, e uma faixa desejável de espessura para o encapsulante 264 é igual a 50 a 150 micrômetros.
Em uma forma preferencial, o encapsulante 264 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 264 pode estar 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 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 264 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 264 pode ser revestida por um material que diminua o coeficiente de transferência térmica entre o encapsulante 264 e o agente refrigerante líquido circundante (por exemplo, nitrogênio líquido). Alternativamente, a superfície do encapsulante 264 pode ser texturizada de modo a aumentar o coeficiente de transferência térmica entre o encapsulante 264 e o agente refrigerante líquido circundante (por exemplo, nitrogênio líquido). Além disso, a superfície do encapsulante 264 pode ser 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 agente refrigerante líquido circundante. No entanto, também se deve evitar qualquer um desses tratamentos superficiais diminuindo-se a resistência dielétrica no estado líquido.
O encapsulante 264 pode ser aplicado utilizando-se vários 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 264 pode ser aplicado através de um método de revestimento, tal como imersão, extrusão, galvanização, deposição a vapor ou aspersão.
O encapsulante 264 pode ser aplicado enquanto o fio HTS estiver em tensão axial, até, por exemplo, filamentos de tensão no fio de 0,3% (por exemplo, na ordem de 100 MegaPascais), colocando, assim, o encapsulante 264 em um estado comprimido mediante o término do processo de aplicação, e reduzindo a probabilidade de perfurações no encapsulante 264. Consequentemente, uma vez terminado, o encapsulante 264 pode ser axialmente comprimido, enquanto o fio HTS no interior do encapsulante 264 é axialmente tensionado (quando comparado aos seus estados iniciais).
Se o encapsulante 264 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 264 nas camadas embaladas com um material impermeável, formando, assim, 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 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 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 264 como partículas incrustadas discretas em um material de reforço compósito; como géis/tintas que podem ser aplicadas à superfície/interfaces do encapsulante 264; ou seletivamente a determinadas regiões do encapsulante 264 (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 de disposição, ou outras transições de fase de segunda ordem. Por exemplo, o material selecionado para o encapsulante 264 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 encapsulante 264 comparativamente fácil e econômica no estado líquido ou compósito (isto é, como uma tinta, um revestimento de película, uma emulsão ou um gel). Sumário dos Critérios de Projeto dos Fios e Cabos
Os critérios de projeto de fios HTS descritos anteriormente (isto é, com uma camada estabilizadora mais espessa, valores intermediários de resistividade, e encapsulantes) são fundamentalmente diferentes dos critérios dos cabos HTS protegidos contra corrente de fuga da técnica anterior, que utilizam um fio HTS de primeira geração, e um compósito multifilamentar com uma matriz de prata com alta condutividade (<0,5 microohm-cm na faixa de temperatura de -196,15°C (77 K). Nesses cabos HTS protegidos contra corrente de fuga da técnica anterior, o objetivo foi utilizar um material com a maior condutividade possível no fio HTS ou na estrutura do cabo HTS, incluindo grandes quantidades de cobre no cabo. O projeto do fio HTS destinado ao uso em cabos FCL também diferem fundamentalmente dos critérios de projeto para FCLs autônomos ou barramentos SUPERPOLI, em que se utilizam materiais de resistividade bastante alta e qualquer camada estabilizadora é mantida mais delgada possível, com a finalidade de garantir uma alta resistência em um curto comprimento de módulo. De maneira específica, para FCLs autônomos ou barramentos SUPERPOLI, utilizam-se supercondutores volumosos (que podem ter uma resistividade de 100 micro-ohm-cm na faixa de temperatura de -183,15°C a -163,15°C (90 a 110 K) quando os mesmo os arrefecidos bruscamente até seu estado resistivo normal) ou utilizam-se fios condutores revestidos, com substratos de alta resistência, como aço inoxidável. Esses substratos podem ter resistividades acima de 20 micro-ohm-cm, e, em alguns casos, superiores a 70 micro-ohm-cm, na faixa de temperatura de -196,15°C (77 K).
Operação em uma Rede Elétrica Pública
Reportando-se, também, à Figura 6, apresenta-se a operação do cabo HTS limitador de corrente de fuga 150 no contexto da rede elétrica pública 300. Neste exemplo particular, a rede elétrica pública 300 inclui um barramento de 765kV 302, um barramento de 69 kV 304 e um barramento de 34,5 kV 306. Além disso, a rede elétrica pública 300 inclui três subestações de 138 kV 20, 308 e 310, sendo que cada uma desses proporciona energia ao barramento de 69 kV 304 através das três subestações de 69 kV 24, 312 e 314. As três subestações de 34,5 kV 316, 318 e 320 podem proporcionar energia a partir do barramento de 69 kV 304 até o barramento de 34,5 kV 306. Apresenta-se o cabo HTS e o sistema FCL 150 acoplado entre as subestações 20 e 24.
Quando uma corrente de fuga (por exemplo, corrente de fuga 124) estiver presente na rede elétrica pública 300, vários componentes de corrente 322, 324, 326, 328, 330, 332 (isto é, a porção da corrente de fuga 124 que passa através do cabo HTS 150) podem fluir a partir de todas as subestações interconectadas através de todos os caminhos disponíveis com a finalidade de alimentar a corrente de fuga 124, que pode surgir como uma carga bastante grande colocada na rede elétrica pública 300. Quando se calcula os componentes de corrente imagináveis durante uma condição de fuga, a corrente de fuga 124 pode ser modelada como um curto-circuito ao aterramento.
Reportando-se, também, às Figuras 7 e 8, quando se determina quanta corrente de fuga uma subestação particular (por exemplo, subestação de 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 350. Além disso, a impedância a jusante (isto é, a impedância que aparenta estar a jusante em relação ao cabo HTS 150) pode ser combinada com as impedâncias do transformador (isto é, da subestação 20) e representada como a impedância de origem 352. 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 (isto é, indutivo/capacitivo). Neste exemplo, o componente reativo consiste em uma impedância indutiva e igual a ju)L, onde ω = 2πί e f é a frequência do fluxo de corrente (por exemplo, 60Hz nos Estados Unidos).
O cabo HTS 150 é mostrado terminado ao aterramento 354 porque, conforme discutido acima, a corrente de fuga 124 é modelada como um curto-circuito ao aterramento. A Lei de Ohm pode ser usada para determinar o nível esperado de corrente de fuga (isto é, componente de corrente 332) proporcionado pela subestação de 20. Utilizando-se esta abordagem em relação às outras subestações na rede 300, as contribuições gerais de corrente de fuga (isto é, o valor, por exemplo, dos componentes de corrente 322, 324, 326, 328, 330) podem ser calculadas e o componente de corrente de fuga esperado que passe através do cabo HTS 150 pode ser determinado. Infelizmente, o componente de corrente 332 pode estar acima do nível que os disjuntores 34 e 36 são capazes de manipular. Consequentemente, o cabo HTS 150 pode ser projetado para limitar este componente de corrente de fuga esperado 332 em um nível inferior predeterminado que os disjuntores 34 e 36 sejam capazes de manipular.
Outra aplicação importante do cabo HTS limitador de corrente de fuga encontra-se nas aplicações que estabelecem os acopladores de barramentos ou, com maior importância, as interconexões entre os acopladores de barramento em diferentes subestações, conforme mostrado pelas linhas 304 e 306 na Figura 6. Essas interconexões permitem o compartilhamento de energia entre as diferentes subestações ou diferentes transformadores nas subestações dependendo das exigências de carga de rede, enquanto, ao mesmo tempo, mantém o controle das correntes de fuga que, de outro modo, se desenvolveríam durante o estabelecimento dessas interconexões.
Projeto do Cabo HTS Limitador de Corrente de Fuga
Quando se projeta o cabo HTS limitador de corrente de fuga 150, uma ou mais características de projeto do cabo HTS 150 podem ser configuradas de tal modo que qualquer aumento de temperatura (Δ T) que ocorra no interior do cabo HTS 150 durante uma corrente de fuga esteja em um nível inferior a um aumento máximo de temperatura (isto é, Δ Tmáx), já que exceder Δ Tmáx pode resultar na formação de bolhas gasosas de nitrogênio. Conforme discutido anteriormente, a criação de bolhas gasosas de nitrogênio pode reduzir a resistência dielétrica da camada dielétrica e pode resultar em ruptura de tensão e danos ao cabo HTS 150. Ao mesmo tempo, o cabo HTS 150 pode ser projetado de modo que seja adequadamente longo (isto é, acima de uma resistência mínima) com a finalidade de proporcionar uma resistência adequada para limitar a corrente de fuga quando o fio HTS no interior do cabo HTS 150 for acionado em seu estado normal (isto é, resistivo).
Consequentemente, quando se projeta o cabo HTS 150, podese realizar uma determinação 400 referente à temperatura operacional máxima permissível, por exemplo, para o cabo HTS 150. Para um cabo HTS resfriado por nitrogênio líquido com uma pressão de 1,5 Mpa (15 bar), a temperatura operacional máxima permissível está próxima aos -163,15°C (110 K) (isto é, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido @1,5 MPa (15 bar)). Consequentemente, para o nitrogênio líquido que é sub-resfriado até for -201,15°C (72 K), Δ Tmáx é igual a -235,15°C (38 K), ou, com a finalidade de proporcionar uma determinada margem de projeto, Δ Tmáx é selecionada de modo que seja igual a -243,15°C (30 K). Esses são valores típicos para cabos HTS práticos, porém, as pressões e aumentos de temperatura podem variar dependendo dos projetos específicos.
Conforme discutido anteriormente, todos os cabos (tanto convencionais como HTS) atenuam a corrente de fuga em certo grau, devido ao fato de todos os cabos terem impedâncias reais e reativas. No entanto, um cabo HTS típico protegido contra corrente de fuga com grandes quantidades de cobre apresenta uma impedância resistiva bastante baixa mesmo quando o fio HTS for arrefecido bruscamente em seu estado normal. Portanto, a redução da corrente máxima de fuga devido à resistência do fio HTS bruscamente arrefecido é bastante pequena, talvez 1% ou inferior, e muito menor que um nível mínimo de 10% que serve para proporcionar um aperfeiçoamento significativo na operação de uma rede pública.
Adicionalmente e conforme discutido acima, os componentes de impedância reais e (em menor extensão) reativos nos cabos HTS (por exemplo, cabo HTS 150) podem aumentar várias ordens de magnitude quando a corrente que passa através do cabo HTS 150 exceder um nível crítico de corrente (conforme definido acima). Consequentemente, se projetado de maneira apropriada em excluir o cobre e otimizar a resistência do fio com seu estabilizador, o cabo HTS 150 pode funcionar como um dispositivo limitador de corrente de fuga e pode atenuar uma corrente de fuga até um nível diversas vezes menor que a corrente crítica supercondutora, proporcionando, assim, uma redução maior que 10% no nível máximo de corrente de fuga. Em particular, o cabo HTS 150 pode ser projetado de modo a limitar a corrente de fuga em um valor do fator f (definido acima) vezes a corrente crítica.
Todas as demonstrações significativas do cabo HTS da técnica anterior atuais incluem uma quantidade significativa de cobre na temperatura criogênica do supercondutor e próxima ao supercondutor. Portanto, no caso de uma corrente de fuga que excede o nível crítico de corrente, a maioria da corrente de fuga é conduzida no cobre, aumenta-se a capacidade térmica do cabo HTS da técnica anterior, e limita-se o aumento de temperatura no interior do cabo HTS da técnica anterior. Embora proteja o cabo HTS da técnica anterior contra danos, esta estrutura reduz a amplitude da corrente de fuga bastante pequena devido à grande quantidade de cobre de baixa resistência e alta condutividade.
Em relação ao cabo HTS 150, remove-se o cobre de alta condutividade (e/ou outros metais de alta condutividade) e se utiliza um fio HTS (conforme descrito anteriormente) que tenha um estabilizador comparativamente espesso (por exemplo, espessura total de 100 a 600 micrômetros, ou, de preferência, 200 a 500 micrômetros) tendo uma resistividade comparativamente alta (0,8 a 15 micro-ohm-cm, ou, de preferência, 1 a 10 micro-ohm-cm). O comprimento do cabo HTS 150 deve ser longo o suficiente (por exemplo, tipicamente maior que 200 m), de tal modo que a resistência total do cabo HTS estabilizada bruscamente arrefecido 150 seja grande o suficiente para reduzir a corrente máxima de corrente até aproximadamente um fator f vezes a corrente crítica.
O uso de um fio condutor HTS revestido 250 (conforme descrito anteriormente e ilustrado na Figura 5) é fundamental à capacidade de se obter este resultado desejado enquanto, ao mesmo tempo, proporcionar um cabo HTS flexível com alta capacidade 150. A camada HTS 258 deve ser comparativamente delgada, e deve incluir uma camada estabilizadora comparativamente espessa 252 e 253 (isto é, tipicamente mais espessa que a camada HTS 258 e a camada de substrato 254). A camada HTS 258 deve ter uma alta capacidade de transporte de corrente (por exemplo, maior que 1 Megamp por centímetro quadrado a -196,15°C (77 K). Uma corrente crítica típica por unidade de largura de fio lc,w na temperatura operacional é igual a 350 A/cm de largura, porém, os valores para diferentes fios a partir de diferentes laboratórios ou fabricantes podem variar de 100 A/cm de largura a 1000 A/cm de largura. Logo, quando o fio HTS 250 for alterado para um estado resistivo, a resistência do fio HTS 250 deve ser comparativamente alta, resultando em quase toda a transferência de corrente à camada estabilizadora 252, 253. O fio HTS 150 deve ser flexível o suficiente para permitir um enrolamento helicoidal no interior do cabo HTS 150. Na prática, a exigência de flexibilidade pode limitar a espessura total das camadas estabilizadoras combinadas 252 e 253 em aproximadamente 600 micrômetros.
Por propósitos ilustrativos, supõe-se que a subestação 20 seja uma subestação de 13,8 kV trifásica. Consequentemente, a tensão linhapara-aterramento proporcionada pela subestação 20 é igual a 7,97 kV. Além disso, supõe-se que o valor ilimitado do componente de corrente de fuga 332 seja igual a 40 kA e supõe-se uma razão de impedância de origem X/R igual a 5 isto é, um valor típico). Consequentemente, os valores de impedância real (Rs) e reativa (Xs) da impedância de origem 352 podem ser determinados 402 como sendo 0,039 + j0,195 ω, da seguinte forma: 40 kA = 7,97 kV/(Rs 2 + Xs2)1/2 θ Xs/Rs = 5. Para este cálculo e cálculos subsequentes, o sistema trifásico de uma determinada tensão linha-para-linha (VLL) é modelado como um modelo de fase única equivalente que utiliza a tensão linha-para-aterramento (VLG) onde
VLL = VLG*(3)1/2 para este exemplo, supõe-se, ainda, que o cabo HTS 150 tenha 1.200 metros de comprimento (Lcabo) θ seja classificado em 3.000 amps rms ou 3000 Arms (isto é, Iciassificado em Ampéres da raiz quadrática média). Conforme discutido anteriormente, a passagem interna de agente refrigerante 152 do cabo HTS 150 pode ser circundada em sucessão radial pela primeira camada HTS 102 e pela segunda camada HTS 104. À medida que os fios da primeira camada HTS 102 e da segunda camada HTS 104 são helicoidalmente enrolados ao redor da passagem interna de agente refrigerante 152, o comprimento real dos fios HTS individuais (por exemplo, fio HTS 250) incluído nas camadas HTS 102 e 104 é maior que o comprimento do cabo HTS 150. Para este exemplo, supõe-se um fator espiral de 1,08, sendo que o comprimento real dos fios HTS é 8,00% maior do que o comprimento do cabo HTS 150.
Adicionalmente, supõe-se que para este exemplo, o cabo HTS 150 seja projetado como normal em 1,6 vezes |class,ficad0. Este fator pode ser denominado como um fator de corrente de deslocamento ftc. Consequentemente, o cabo HTS 150 pode ser projetado de modo que exiba características supercondutoras até 4.800 Arms. A corrente crítica do cabo é, então, igual a 4800 x 1,414 = 6787 A em sua temperatura operacional.
Podem-se projetar vários parâmetros 404 quando se constrói o cabo HTS 150, exemplos desses podem incluir, mas não se limitam a: largura do fio HTS (W); corrente crítica por unidade de largura (lc,w); fator de corrente de deslocamento ftc, fator f (vide mais adiante); resistividade do estabilizador ou compósito (p); espessura do estabilizador ou compósito (t); calor específico do condutor (C); duração da corrente de fuga (τ); contagem de fios em cada fase (N); e indutância do cabo (X). A corrente crítica total do cabo HTS pode ser lc,w WN. Configurando-se 404 esses parâmetros de projeto, a impedância do cabo HTS 150 pode ser ajustada 406 e/ou o cabo HTS 150 pode ser configurado para atenuar uma corrente de fuga através do cabo HTS até a corrente crítica total do cabo vezes o fator f, que, para condições típicas de rede, é muito maior que 10% da corrente de fuga máxima original.
Largura do Fio HTS (W): Este parâmetro de projeto refere-se à largura dos fios HTS individuais (por exemplo, fio HTS 250) utilizados no interior das camadas HTS 102 e 104. Para este exemplo, supõe-se uma Largura do Fio HTS (W) igual a 0,44 cm, conforme comercialmente disponível junto à American Superconductor (344 supercondutores). Primeiramente, esta largura é determinada pelas exigências mecânicas de enrolar helicoidalmente os fios HTS ao redor da matriz flexível de um cabo de força.
Corrente Crítica por Unidade de Largura (lc,w): Este parâmetro dé projeto refere-se ao nível máximo de corrente imaginável pelos fios HTS individuais por largura do condutor com formato de fita no critério padrão anterior de campo elétrico. Para este exemplo, supõe-se uma Corrente Crítica por Unidade de Largura (lc,w) de 350 Ampéres por cm de largura (isto é, A/cm de largura) na temperatura operacional. Este parâmetro é amplamente determinado pela classificação exigida do cabo e pela necessidade em minimizar o número (N) de fios HTS usado para fabricar o cabo HTS.
Fator de Corrente de Deslocamento ftc. Conforme discutido anteriormente, uma exigência de projeto de rede pública é ftc = 1,6.
Fator f (f). Este parâmetro de projeto, primeiramente proposto por Kraemer et al. (Vide Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters por Η. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, vol. 13, N° 2, junho de 2003, pp. 2044-7) se refere à razão entre a corrente quando as camadas HTS 102 e 104 estiverem completamente normais ou resistivas e a corrente crítica. Conforme discutido anteriormente e neste exemplo, o cabo HTS 150 fica normal em 4.800 Arms (ou em cerca de 6.790 ApiCo). Multiplicando-se este valor de pico (isto é, 6.790 A) pelo fator f, o valor no qual o cabo HTS 150 é completamente normal (isto é, não-supercondutor) pode ser determinado. Uma determinação realizado para películas delgadas de YBCO junto à Siemens ((Vide Switching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters por Η. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, vol. 13, N° 2, junho de 2003, pp. 2044-7) produziu um valor do fator f igual a aproximadamente 2. Espera-se que este fator f esteja na mesma faixa dos fios condutores revestidos por YBCO (por exemplo, uma faixa de 1 a 4). Neste exemplo e em exemplos subsequentes, supõe-se um fator f igual a 2, seguindo o resultado da Siemens. Consequentemente, e para o exemplo descrito anteriormente, estima-se que o cabo HTS 150 será completamente normal (isto é, não-supercondutor) em cerca de 6.790 Ampéres vezes 2 (isto é, o fator f) ou 13.580 Ampéres. Portanto, com um cabo apropriadamente configurado 408 (vide mais adiante), uma corrente de fuga de 40.000 Arms (56.600 APiC0) pode ser limitada em 13.580 ApiCo· Isto representa uma redução da corrente de fuga em 76%, significativamente maior que o nível máximo de 10% necessário para um aperfeiçoamento operacional útil de uma rede de energia elétrica.
Resistividade (p): Este parâmetro de projeto (que também pode ser conhecido como resistência elétrica específica) é uma medida de quão fortemente um material se opõe ao fluxo de corrente elétrica. Tipicamente, a resistividade (p) é uma função de temperatura e pode ser expressa como pxx, onde “xx” define a temperatura na qual se calcula a resistividade. Para este exemplo, supõe-se uma resistividade (p90) de 4,0 micro-ohm-cm em uma temperatura de -183,15°C (90 K), e, por propósitos de simplicidade, supõe-se nas estimativas inferiores que a dependência de temperatura na faixa de -203,15°C a -163,15°C (70 a 110 K) pode ser ignorada. Essa resistividade pode ser encontrada, por exemplo, no latão. A concentração de zinco pode variar de modo a controlar a resistividade, com maiores resistividades nas ligas com mais zinco. Muitas outras ligas podem apresentar variações similares de resistividade com a composição da liga; logo, existem múltiplas escolhas para o material estabilizador.
Espessura do Estabilizador (τ): Este parâmetro de projeto referese à espessura da camada estabilizadora 252 inclusa no interior do fio HTS 250. Para este exemplo, supõe-se que a espessura total do estabilizador (τ) seja aproximadamente igual a 350 micrômetros. Para ser mais preciso, o fio HTS, que compreende uma camada de substrato, uma camada supercondutora, uma camada de sobretampa, uma camada de solda, uma camada estabilizadora, e um encapsulante, pode ser um compósito de múltiplas camadas e pode ser caracterizado pela resistividade líquido do compósito e espessura do fio HTS. Visto que a camada estabilizadora é a porção dominante do fio, a resistividade do compósito de múltiplas camadas pode estar próxima à resistividade da camada estabilizadora. No entanto, por propósitos de simplicidade, nas estimativas abaixo, supõe-se que, em seu estado bruscamente arrefecido atual, a corrente flui, primeiramente, na camada estabilizadora. Outros refinamentos deste tipo podem ser evidentes aos indivíduos versados na técnica.
Calor Específico por volume(C): Este parâmetro de projeto refere-se ao calor específico por volume do fio HTS compósito, que inclui uma camada de substrato, uma camada HTS, uma camada de sobretampa, uma camada de solda e uma camada estabilizadora. Para os materiais típicos usados no fio HTS, C é igual a cerca de 2 Joules/cm3K para uma temperatura de aproximadamente -196,15°C (77 K). Por propósitos de simplicidade, supõe-se este valor na faixa de temperatura de -203,15°C a 163,15°C (70 a 110 K), muito embora C possa variar em 10 a 20% nesta faixa para determinados materiais. Se o fio HTS incluir um encapsulante fracamente condutor, o encapsulante pode ser adicionado ao calor específico do fio após vários segundos quando a difusão térmica puder termalizar o fio, colocando—o em uma temperatura constante. Como uma simples aproximação para o cálculo do aumento de temperatura abaixo, pode-se aproximar o efeito do encapsulante supondo-se que o calor específico do compósito seja aumentado por um fator 1+(Cjtj/Ct), onde o subscrito i se refere ao encapsulante. Na maioria dos casos, a capacidade térmica do encapsulante na faixa de temperatura de -196,15°C (77 K) também é igual a cerca de 2 Joules/cm3K, e, logo, para um encapsulante tão espesso quando o fio compósito, este fator é igual a 2.
Duração da Corrente de Fuga (τ): Este parâmetro de projeto refere-se ao tempo antes da montagem de comutação rápida 202 ou os disjuntores 34 e 36 desconectarem o cabo HTS 150 da porção de rede 10’. Deseja-se realizar tornar esse tempo o menor possível, com a finalidade de minimizar a energia depositada como calor no cabo, e, portanto, minimizar o aumento térmico. Os comutadores mais rápidos comercial e prontamente disponíveis, junto com seus circuitos de captação, são abertos em quatro ciclos (isto é, 67 mseg). Portanto, considera-se que a duração da corrente de fuga seja igual a 67 mseg. Se mesmo os comutadores mais rápidos se tornarem disponíveis no futuro, será desejável utilizá-los.
Contagem de Fios (N): Este parâmetro de projeto refere-se ao número total de fios incluídos no condutor de fase de cada fase do cabo HTS. Tipicamente, estes são dispostos em duas camadas HTS (por exemplo, camadas HTS 102 e 104) e helicoidalmente enrolados com as duas camadas tendo um sentido oposto de enrolamento (isto é, helicidade). Para um cabo classificado em 3.000 Arms com 350 A/cm de largura, corrente crítica por largura na temperatura operacional, um fator de corrente permissível de 1,6, e uma largura de fio de 0,44 cm; a contagem exigida do condutor N é igual a 44.
Reatância (X): Este parâmetro de projeto refere-se à indutância por unidade de comprimento, determinada pela quantidade de fluxo magnético produzida para uma determinada corrente elétrica por unidade de comprimento. Para este exemplo, supõe-se uma Indutância (X) de 0,017 mH/km, que consiste em uma característica do cabo Triax descrito abaixo em seu estado supercondutor.
Como a subestação 20 (neste exemplo) consiste em uma subestação trifásica de 13,8 kV, o cabo HTS 150 pode ser um cabo Triax (por exemplo, a disposição de Cabo HTS Triax proposta por Ultera, que é um empreendimento conjunto da Southwire Company of Carrollton, Gam EUA. e nkt cables de Cologne, Alemanha). Cada uma das fases consiste em duas camadas de enrolamentos helicoidais, e todas são configuradas coaxialmente e separadas pela camada dielétrica. Os filamentos de cobre nos presentes cabos Triax disponíveis junto à Ultera precisarão ser removidos e os fios descritos anteriormente precisarão ser usados para modificar o cabo Triax em um cabo FCL.
O componente resistivo de impedância (Z) do cabo HTS 150 em seu estado arrefecido bruscamente Rhts(arrefecido), mostrado na Figura 7, pode ser calculado da seguinte forma pelos parâmetros dados acima:
A impedância indutiva do cabo é desprezível comparada a esta impedância resistiva relativamente grande. Dado um valor de folheto de especificação de 0,017 mH/km para um cabo típico, pode-se calcular a indutância equivalente Lhts como 0,017 mH/km * 1,2 km = 0,0204 mH. A impedância reativa X = jtoL, onde ω = 2πί e f é a frequência do fluxo de corrente (por exemplo, 60 Hz nos Estados Unidos) que resulta em Xhts =
0,00769 ω, que é 100 vezes menor que Rhts(arrefecido)Utilizando-se a Lei de Ohm e o circuito equivalente ilustrado na
Figura 7 com a impedância de origem 0,039 + jO, 195 Ω conforme dado anteriormente, a queda de tensão (Vcabo) através de uma fase do cabo HTS 150 pode ser calculada utilizando-se as leis padrão de Kirchhoff de modo que seja igual a 7.348 Vrms. A corrente rms correspondente (Icabo) 356 que passa através do cabo HTS 150 e Vnns/Rhts(arrefecido) — 9.604 Arms, que corresponde a uma corrente de pico de 9604 x 1,414 ou 13.580 A. Consequentemente, o componente de corrente 332 foi reduzido de 40.000 Arms para 9.604 Arms (isto é, uma redução de 76,0%).
Conforme discutido anteriormente, o aumento de temperatura (ΔΤ) que ocorre no interior do cabo HTS 150 durante uma corrente de fuga deve ser mantido em um nível que esteja abaixo de um aumento mínimo de temperatura (isto é, ATmáx), excedendo ATmáx pode resultar na formação de bolhas gasosas de nitrogênio.
Ao se determinar 410 a temperatura operacional real do cabo HTS 150, o aumento de temperatura (Δ T) realizado pelo cabo HTS 150 pode ser determinado a partir de um simples cálculo adiabático, equacionando o calor gerado p90 J2 τ (onde a densidade de corrente rms J no fio supercondutor arrefecido bruscamente é IcaboM/Nt = flc,w^2t) ao calor absorvido C Δ Τ. A partir desta relação, Δ T pode ser calculado da seguinte forma, utilizando-se os parâmetros dados acima:
ΔΓ __ (AoXlcb/Xr)) (W)W)(í))2)(C) (0.000004Qcm)(9604A)2(0,067s) ((O,44cm)(44)(0,O35cm))2(2 Joules / cm3K)
ΔΓ = 26,9°Κ
Consequentemente, já que o aumento de temperatura (AT) realizado pelo cabo HTS 150 é menor que o aumento máximo de temperatura permissível (A Tmáx), não se formarão bolhas gasosas de nitrogênio, a resistência dielétrica da camada dielétrica não será reduzida, e o cabo HTS 150 não estará em risco de ruptura dielétrica que leva a danos permanentes ao cabo. De maneira específica, para um cabo HTS com uma pressão de 1,5 Mpa, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido é igual a 20 163,15°C (110 K). Consequentemente, para um cabo que opera com nitrogênio líquido resfriado até -201,15°C (72 K), um aumento de temperatura (AT) de -246,25°C (26,9 K) resulta em uma temperatura operacional real de -174,25°C (98,9 K), que consiste em uma temperatura operacional segura quando comparada com 412 ao ponto de ebulição 43
163,15°C (110 K) do nitrogênio líquido.
Mediante o exame da equação anterior, torna-se claro que o aumento dos valores no denominador reduz a elevação de temperatura (ΔΤ), enquanto o aumento dos valores no numerador aumenta a elevação de temperatura (ΔΤ). Consequentemente, um aumento na duração da corrente de fuga (t) e/ou resistividade (p90) pode resultar em um aumento na elevação de temperatura (ΔΤ). De modo contrário, um aumento na espessura do estabilizador (τ) ou calor específico (C) pode resultar em uma diminuição na elevação de temperatura (ΔΤ). A largura do fio W e o número de fios N são determinados pelas exigências práticas de enrolamento do o cabo e classificação do cabo acoplado à corrente crítica pela largura do fio.
Ao mesmo tempo, o comprimento do fio HTS no cabo deve ser longo o suficiente para alcançar a resistência exigida. Visto que a) a corrente limitadora máxima é o fator f vezes a corrente crítica do fio por largura lc,w vezes a largura total de todos os fios WN, e b) a resistência é p L/WNt; o comprimento mínimo do fio no cabo HTS 150 é:
Liiiin — (V pico. )(t) / (f)(t,w)(p) [Equação 1]
Com os valores anteriores,
Lmin = (1,414x7348 V)(0,035cm) / (2)(350 A/cm)(0,000004 ücm).
Lrnin = 1.300 ΙΏ
Levando-se em conta o fator espiral 1,08, este comprimento corresponde ao comprimento de 1200 m originalmente suposto. Nota-se que para comprimentos mais longos, o aumento máximo de temperatura (ΔΤ) em qualquer lugar no cabo permanecerá no nível calculado anterior desde que a corrente seja limitada em flc,wWN. Neste caso, apenas as porções do fio HTS serão arrefecidas bruscamente, da maneira mostradas por Siemens (Vide Swítching Behavior of YBCO Thin Film Conductors in Resistive Fault Current Limiters por Η. -P. Kraemer et al., IEEE Trans, em Applied Superconductivity, vol. 13, N° 2, junho de 2003, pp. 2044-7), e a corrente limitada permanece no nível flc,wWN. No entanto, para comprimentos mais curtos, a resistência dos fios HTS no estado arrefecido bruscamente diminuirá, e a corrente aumentará para uma dada tensão de acordo com I = V/Rhts .arrefecido- Isto pode levar a um aquecimento maior e uma elevação de temperatura aumentada de acordo com a equação para ΔΤ dada acima. Portanto, o comprimento do cabo deve ser maior que o comprimento calculado acima (isto é, 1.300 metros).
Nota-se que o aumento de temperatura também pode ser calculado da seguinte forma:
ΔΤ - p (flc,w/t)2T/2C [Equação 2]
A partir dessas duas últimas equações, denominadas como Equações 1 e 2, pode-se observar que se um indivíduo desejar diminuir o comprimento mínimo do fio e cabo diminuindo-se a resistividade p ou a densidade de corrente crítica lc,w ou diminuindo-se a espessura do estabilizador τ, a elevação de temperatura ΔΤ aumentará. Alternativamente, um aumento na capacidade térmica através do uso de um encapsulante pode diminuir a elevação de temperatura. Por exemplo, dobrando-se a capacidade térmica pode permitir a mesma elevação de temperatura com o dobro da resistividade, e isto pode reduzir o comprimento mínimo do cabo por um fator de dois. Nota-se que essas equações não dependem da largura do fio W ou do número de fios N exceto até o ponto em que sejam determinados pela classificação operacional do cabo e corrente crítica por largura Lc,w ou fio HTS.
A conclusão desta análise de projeto do cabo é que para aplicações em que toda a corrente de fuga flui através do cabo HTS 150, o comprimento mínimo para um cabo FCL HTS encontra-se na faixa de um quilômetro para sistemas de distribuição de classe 13,8 kV. Esta pode ser adicionalmente reduzida, por exemplo, através do uso de uma capacidade térmica maior, conforme descrito anteriormente. Podem-se calcular comprimentos mínimos para outras tensões e parâmetros pelos indivíduos versados na técnica a partir das equações dadas anteriormente ou a partir de uma análise mais completa levando-se em consideração as dependências de temperatura de todos os parâmetros.
No entanto, se uma impedância em paralelo for diretamente proporcionada ao longo do cabo 150 (por exemplo, a partir do disjuntor 34 até o disjuntor 36 na Figura 4), a tensão no cabo 150 pode ser significativamente reduzida. Por exemplo, considera-se uma impedância de origem como sendo igual a 0,2 Ω (indutiva) em uma sistema de 13,8 kV, correspondente a uma corrente de fuga unifásica de 40 KArms em uma rede de 13,8 kVrms com uma tensão unifásica de 8 krVms. Uma impedância indutiva convencional de 0,046 Ω em paralelo com o cabo HTS 150 pode reduzir a tensão no cabo 150 para 1500 Vrms e fornece uma corrente de fuga de 32,5 kA. Com esta tensão reduzida e os parâmetros anteriores (incluindo um fator de dois, um aumento na capacidade térmica utilizando-se um encapsulante 264, Figura 5), a fórmula do comprimento crítico leva a um comprimento mínimo de cabo de cerca de 100 m. Portanto, os cabos FCL podem ser projetados para redes de 13,8 kV com comprimentos tão curtos quanto 100 m, desde que impedâncias em paralelo possam ser usadas.
Para cabos com comprimento maior, a resistividade pode ser reduzida, e a elevação de temperatura diminui de modo correspondente. Isto pode apresentar a vantagem de reduzir o tempo de recuperação para o cabo retornar a sua temperatura operacional original. Por exemplo, para um cabo com 4,8 km de comprimento, a resistividade no exemplo anterior pode ser reduzida para 1 micro-ohm-cm, e pode-se reduzir a elevação de temperatura de -246,25°C (26,9 K) (sem o encapsulante 264, Figura 5) para -266,45°C (6,7 K).
No futuro, montagens de comutação mais rápida se tornarão disponíveis. Neste caso, a duração de fuga τ pode ser reduzida e pode-se permitir uma resistividade maior. Por exemplo, com uma duração de fuga de 27 mseg, a resistividade pode ser reduzida para 10 micro-ohm-cm, e o comprimento mínimo do cabo pode ser reduzido (sem encapsulante) por um fator de 2,5 (10 micro-ohm-cm dividido por 4 micro-ohm-cm).
Portanto, o conceito de um cabo FCL descrito no presente documento pode ser praticado com resistividades variando de 1 a 10 micro46 ohm-cnn, e com alguns ajustes adicionais nos parâmetros considerados acima, esta faixa pode ser estendida para 0,8 a 15 micro-ohm-cm. No entanto, a baixa resistividade a -196,15°C a -163,15°C (77 K) do cobre (0,2 micro-ohm-cm) ou a alta resistividade do aço inoxidável (50 micro-ohm-cm) estão fora da faixa destinada a um cabo FCL prático de comprimento longo continuamente flexível.
Variações correspondentes são possíveis nos parâmetros da espessura do estabilizador t e lc,w, embora em ambos os casos estas possam ser restringidas por exigências de cabeamento (isto é, o estabilizador não pode ser muito espesso para evitar tornar o fio HTS muito rígido ao cabo) e através da necessidade em satisfazer as classificações de corrente da rede pública.
Para tensões de nível de transmissão, tal como 138 kV, pode-se estimar um comprimento mínimo incluindo um encapsulante que aumenta a capacidade térmica por um fator Ed 2 e um aumento na resistividade de 4 para 8 micro-ohm cm. De acordo com a fórmula do comprimento (descrita acima), o aumento de dez vezes na tensão comparado a sistemas de distribuição de classe 13,8 kV, junto a um aumento de duas vezes na resistividade, significa um comprimento mínimo de (10/2) x 1,2 km ou 6 km. Para cabos de nível de transmissão, esses comprimentos são comuns, mostrando que o projeto do cabo FCL também é possível neste caso.
Outra modalidade da presente descrição consiste em um cabo HTS que inclui mais de um tipo de fio HTS, por exemplo, um fio à base do material HTS de BSCCO (óxido de bismuto, estrôncio, cálcio e cobre) e um fio à base do material HTS de YBCO (óxido de terra-rara ou óxido de ítrio, bário e cobre). Diferentes materiais supercondutores podem ter diferentes características de transição a partir do estado supercondutor até o estado normal. Por exemplo, YBCO tem uma transição mais aguda que o BSCCO, tornando-o mais eficaz em uma aplicação FCL, mesmo que ambos os materiais tenham sido usados anteriormente (por exemplo, no programa SUPERPOLI) para demonstrar as características FCL. Nesta modalidade, um cabo HTS constituído a partir de um fio de BSCCO pode ser projetado e operado para agir como um cabo limitador de corrente de fuga adicionandose uma seção adequadamente longa de um cabo supercondutor constituído a partir do fio condutor revestido com YBCO. Isto pode ser obtido dividindose na seção de YBCO do cabo projetado para operação FCL. Em condições normais de operação, ambas as seções são supercondutoras.
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 (25)
- REIVINDICAÇÕES1. Cabo HTS criogenicamente resfriado configurado de modo que seja incluído em uma rede elétrica pública tendo uma corrente máxima de fuga que ocorreria na ausência do cabo HTS criogenicamente resfriado,5 sendo que o cabo HTS criogenicamente resfriado compreende:um caminho refrigerante criogênico líquido contínuo que serve para circular um criogênio líquido; e uma disposição continuamente flexível de fios HTS, em que pelo menos um dos fios HTS incluem uma camada estabilizadora;10 caracterizado pelo fato de que a camada estabilizadora possui uma resistividade dentro de uma faixa de 1 a 10 microOhm-cm a 90 K, e em que os fios HTS têm uma característica de impedância que atenua a corrente máxima de fuga em pelo menos 10%, e permite que o cabo HTS criogenicamente resfriado opere, durante a ocorrência de uma condição15 máxima de fuga, com um aumento máximo de temperatura no interior dos fios HTS que seja baixo o suficiente para evitar a formação de bolhas de gás no interior do criogênio líquido.
- 2. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda:20 uma estrutura de suporte espiralada continuamente flexível, em que um ou mais fios HTS são posicionados coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível.
- 3. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte25 espiralada continuamente flexível inclui um núcleo axial oco.
- 4. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a estrutura de suporte espiralada continuamente flexível inclui um tubo de aço inoxidável corrugado.30 5. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda:uma camada de blindagem posicionada coaxialmente emPetição 870180062770, de 20/07/2018, pág. 8/16 relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível; e uma camada isolante posicionada coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada continuamente flexível e posicionada entre a uma ou mais camadas condutoras e a camada de blindagem.
- 5
- 6. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o criogênio líquido é nitrogênio líquido.
- 7. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o nitrogênio líquido é10 pressurizado acima da pressão atmosférica e sub-resfriado abaixo de 196,15°C (77 K).
- 8. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o criogênio líquido é hidrogênio líquido.15
- 9. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que todos os fios HTS incluem uma camada estabilizadora tendo uma resistividade dentro de uma faixa de 1 a 10 microOhm-cm a 90 K.
- 10. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a20 reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos fios HTS é construído por um material HTS 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.25
- 11. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma característica de impedância e um aumento máximo de temperatura durante uma condição de fuga são definidos configurando-se um ou mais parâmetros de projeto de um ou mais fios HTS.30
- 12. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que um ou mais parâmetros de projeto incluem um ou mais entre: um fator de resistividade do estabilizador;Petição 870180062770, de 20/07/2018, pág. 9/16 um fator de espessura do estabilizador; um fator de calor específico; e um fator de densidade de corrente crítica operacional.
- 13. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreende, ainda:5 um ou mais comutadores de alta velocidade acoplados em série com o cabo HTS criogenicamente resfriado, em que um ou mais comutadores de alta velocidade são configurados de modo que sejam abertos após o princípio de uma condição de fuga.
- 14. Cabo HTS criogenicamente resfriado, de acordo com a 10 reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o cabo HTS criogenicamente resfriado é configurado de modo que seja usado em uma aplicação de interligação de barramentos que liga uma pluralidade de subestações.
- 15. Método de configuração de um cabo HTS criogenicamente resfriado, caracterizado pelo fato de que compreende:15 determinar uma temperatura operacional máxima permissível para o cabo HTS criogenicamente resfriado, em que o cabo HTS criogenicamente resfriado inclui uma estrutura de suporte espiralada flexível configurada para suportar uma ou mais camadas condutoras de material supercondutor coaxialmente em relação à estrutura de suporte espiralada20 flexível, e a uma ou mais camadas de material supercondutor tendo uma camada estabilizadora;o método caracterizado pelo fato de que a camada estabilizadora possui uma resistividade dentro de uma faixa de 1 a 10 microOhm-cm a 90 K; e25 o método inclui configurar um ou mais parâmetros de projeto do cabo HTS criogenicamente resfriado de tal modo que, durante a ocorrência de uma condição máxima de fuga, uma temperatura operacional real do cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado seja mantido em um nível que seja menor que a temperatura operacional máxima permissível30 para prevenir a formação de bolhas em um agente refrigerante que circula no interior de ao menos uma porção do cabo criogenicamente resfriado, e a corrente máxima de fuga seja reduzida em pelo menos 10%.Petição 870180062770, de 20/07/2018, pág. 10/16
- 16. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a temperatura operacional máxima permissível corresponde essencialmente à temperatura na qual um agente refrigerante que circula no interior de ao menos uma porção do cabo HTS criogenicamente resfriado se5 altera de um estado líquido para um estado gasoso.
- 17. Método, de acordo com a reivindicação 16, que o agente refrigerante é nitrogênio líquido pressurizado.
- 18. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que um ou mais parâmetros de projeto inclui um ou mais entre:10 um fator de resistividade de fio; um fator de espessura do estabilizador; um fator de calor específico; um fator de duração de corrente de fuga; e uma corrente crítica operacional de fio por fator unitário de largura.
- 19. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que compreende, ainda:15 determinar a temperatura operacional real do cabo HTS criogenicamente resfriado.
- 20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que compreende:comparar a temperatura operacional real do cabo HTS20 criogenicamente resfriado à temperatura operacional máxima permissível para o cabo HTS criogenicamente resfriado.
- 21. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que a configuração de um ou mais parâmetros de projeto inclui:ajustar uma impedância do cabo HTS criogenicamente resfriado.25
- 22. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o ajuste da impedância do cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado inclui um ou mais entre:ajustar um comprimento do cabo HTS criogenicamente resfriado acima de um valor mínimo;30 ajustar uma resistividade do cabo HTS criogenicamente resfriado;ajustar uma espessura de uma camada estabilizadora unida aPetição 870180062770, de 20/07/2018, pág. 11/16 um fio HTS no interior do cabo HTS criogenicamente resfriado;ajustar um calor específico de um fio HTS por meio de um encapsulante no cabo HTS criogenicamente resfriado; e ajustar uma densidade de corrente crítica operacional de um fioHTS incluído no interior do cabo HTS criogenicamente resfriado.
- 23. Método, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que a camada estabilizadora é construída, pelo menos em parte, por um material de latão.
- 24. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado inclui um ou mais fios HTS e pelo menos um dos fios HTS é construído por 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.
- 25. Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o cabo supercondutor HTS criogenicamente resfriado é acoplado a uma impedância da fonte de voltagem, em que o método compreende, ainda:determinar uma impedância da fonte de voltagem da fonte de voltagem.Petição 870180062770, de 20/07/2018, pág. 12/161/9
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