ITRM20080547A1 - Limitatore superconduttivo di corrente di guasto. - Google Patents

Description

LIMITATORE SUPERCONDUTTIVO DI CORRENTE DI GUASTO.

La presente invenzione riguarda un limitatore superconduttivo di corrente di guasto.

Più dettagliatamente l’invenzione concerne un limitatore superconduttivo di corrente per la protezione di impianti o sistemi elettrici in genere, idoneo ad operare in corrente continua per applicazioni in corrente alternata.

Com’à ̈ ben noto, attualmente l’introduzione di un dispositivo di limitazione della corrente di guasto all’interno dei moderni sistemi elettrici costituisce un requisito essenziale per la loro gestione affidabile e la loro salvaguardia.

L’esperienza di esercizio dimostra come il corto circuito, i cui effetti su tutti i componenti e sulla funzionalità dell’intero sistema risultano estremamente dannosi, sia un evento tutt’altro che infrequente.

I provvedimenti tradizionalmente adottati per far fronte a questo problema, come trasformatori con elevata reattanza interna, reattanze in aria connesse in serie e sezionamento delle reti, introducono perdite permanenti e limitano l’esercizio efficace del sistema.

Attualmente l’investimento in ricerca per lo sviluppo di dispositivi che siano capaci di limitare la corrente di guasto senza condizionare il sistema durante il normale funzionamento risulta quindi necessario.

Tra i possibili dispositivi limitatori, quelli che utilizzano materiali superconduttori presentano caratteristiche ideali. Infatti, un limitatore di corrente superconduttivo (SFCL, Superconduting Fault Current Limiter) à ̈ un dispositivo che presenta un’impedenza trascurabile in condizione di normale funzionamento ed à ̈ in grado di effettuare una transizione spontanea verso uno stato ad elevata impedenza quando la corrente che lo attraversa supera un certo valore identificato come soglia di guasto.

Un tale dispositivo inserito in una rete di potenza comporta, tra gli altri, i seguenti vantaggi:

- consente l'aumento della qualità della fornitura elettrica senza comprometterne la tenuta della rete in caso di guasto;

- limita sin dai primi istanti dall'insorgenza del guasto il valore della corrente, riducendo lo stress sui componenti e consentendone un dimensionamento meno oneroso;

- il suo dimensionamento si effettua in modo da garantire una componente simmetrica della corrente di corto circuito compatibile con i poteri di interruzione degli interruttori, evitandone l’eventuale sostituzione in caso di ampliamenti di rete;

- interviene in modo passivo e dunque affidabile; - all'estinzione del guasto recupera spontaneamente lo stato a bassa impedenza senza la necessità di un intervento di ripristino.

I limitatori di corrente superconduttivi sono in genere classificati come limitatori resistivi, limitatori con ponte raddrizzatore (a diodi oppure tiristori), limitatori a nucleo magnetico saturato e limitatori a nucleo magnetico schermato. Una disamina sui limitatore di corrente superconduttivi oggi presenti in sperimentazione à ̈ riportato in Noe e Steurer [2007].

La fattibilità di limitatori superconduttivi di diversa tipologia à ̈ stata ampiamente dimostrata negli ultimi decenni attraverso la realizzazione di numerosi prototipi operanti con superconduttori ad alta temperatura critica sia di prima generazione, basati su ossido di bismuto-stronzio-calcio-rame (BSCCO) che di seconda generazione ossido di rame-ittrio-bario (YBCO).

Più recentemente si à ̈ considerato anche l’utilizzo del superconduttore diboruro di magnesio (MgB2). Tale superconduttore à ̈ disponibile commercialmente a costi competitivi.

Alcuni prototipi di limitatori di corrente hanno ora raggiunto uno stadio pre-industriale, essendo stati ottimizzati sotto tutti gli aspetti ingegneristici quali criogenia, isolamento elettrico, tenuta meccanica, ecc., nonché sono stati sottoposti a test di lunga durata all’interno di reti elettriche in media tensione.

Tuttavia, per arrivare alla concreta affermazione commerciale di questi dispositivi, alcuni aspetti critici debbono ancora essere superati, quali le perdite in alternata e i costi di esercizio collegati.

Si analizzano ora in maggiore dettaglio alcuni tipi di limitatore, partendo da quello resistivo.

Un limitatore resistivo sfrutta direttamente la transizione dallo stato superconduttivo a quello normale (ad alta resistività) che un superconduttore presenta quando la corrente che lo attraversa supera un determinato valore critico.

Un limitatore di questo tipo à ̈ tipicamente costituito da un avvolgimento realizzato mediante un filo o nastro superconduttore compositi e avvolto in modo da avere la minima induttanza possibile (avvolgimento bifilare oppure attraverso pancake alternati).

Il filo o nastro superconduttore à ̈ attraversato direttamente dalla corrente alternata che circola nel circuito da proteggere e pertanto al suo interno ha luogo una dissipazione di potenza (AC losses, infatti, un filo o nastro superconduttore à ̈ privo di perdite solo se trasporta una corrente rigorosamente continua). La presenza di tali perdite richiede una refrigerazione molto onerosa degli elementi superconduttivi e determina costi di esercizio del limitatore molto elevati. I-noltre, il filo o nastro à ̈ costituito da filamenti o strati superconduttivi omogenei posti a contatto con un normale conduttore, come argento, rame o simili, per evitare il rischio di danneggiamento dovuto a surriscaldamenti locali (hot spots). La presenza del conduttore normale diminuisce tuttavia la resistenza del nastro quando il superconduttore ha effettuato la transizione allo stato normale. Pertanto, per produrre un sufficiente effetto limitante à ̈ necessario adoperare un nastro o filo piuttosto lunghi, e questo accresce la potenza totalmente dissipata dal limitatore per le perdite in corrente alternata.

Per ridurre il rischio di surriscaldamenti locali minimizzando contemporaneamente la lunghezza di nastro e le perdite collegate, sono stati proposti diversi limitatori resistivi in cui la transizione dallo stato superconduttivo a quello normale à ̈ assistita dalla presenza di un campo magnetico. Limitatori di questo tipo sono descritti ad esempio nella domanda di brevetto WO 94/03955, ma anche il brevetto US 7,180,396. Tali limitatori richiedono una geometria dell’elemento superconduttore molto complessa e l’adozione di avvolgimenti normali in serie o in parallelo. Inoltre, durante il normale esercizio il superconduttore à ̈ comunque interessato da una corrente alternata che determina elevati costi per il raffreddamento.

Un secondo tipo ti limitatore molto interessante à ̈ quello che prevede un ponte raddrizzatore. Questo tipo di limitatore di corrente à ̈ costituito da un induttore connesso in serie ad una sorgente di tensione continua e collegato al circuito da proteggere mediante un ponte raddrizzatore a doppia semionda realizzato mediate diodi oppure tiristori. Tale induttore può essere convenientemente realizzato in materiale superconduttore al fine di eliminare le perdite resistive.

Durante il funzionamento normale la corrente di rete circola attraverso i tiristori bypassando l’induttanza. Quando la corrente di rete supera quella che circola attraverso l’induttanza, questa viene automaticamente inserita in serie al circuito da proteggere per via della polarizzazione inversa di due dei quattro tiristori. Tale limitatore, nella versione in cui l’induttore à ̈ realizzato mediante materiale superconduttore, à ̈ stato originariamente proposto da Boenig ed à ̈ descritto nel brevetto US 4,490,769.

L’impiego di tiristori piuttosto che di diodi consente, oltre alla limitazione, anche l’interruzione della corrente in caso di guasto, mediante un opportuno circuito attivo di controllo collegato ai gate dei tiristori.

Un problema tecnico del limitatore di corrente sopra descritto, concerne l’implementazione della sorgente di tensione continua, necessaria per imporre la corrente continua (DC) all’interno della bobina. Per ovviare a questo problema lo stesso autore ha proposto di modificare il dispositivo originale eliminando del tutto sia la sorgente continua DC, sia la scelta di utilizzare materiale superconduttore per la realizzazione dell’induttore, come à ̈ possibile evincere nel brevetto US 5,726,848.

Il problema tecnico dei limitatori con ponte raddrizzatore di corrente sopra descritti à ̈ dato dal fatto che l’assenza della sorgente di tensione continua, necessaria per imporre la corrente DC nella bobina, implica che i limitatori suddetti influenzino la rete anche durante le ordinarie variazioni di carico che si verificano durante il funzionamento normale, determinando abbassamenti di tensione sull’utenza.

Per contenere quest’effetto entro limiti imposti dalla normativa internazionale (EN 50160) il valore dell’induttanza adoperabile non può essere troppo elevato e ciò compromette molto la capacità del dispositivo di limitare la corrente di guasto, ossia la corrente di corto circuito non può essere limitata a valori significativamente inferiori di quelli che raggiungerebbe in assenza di limitatore.

Inoltre, sia in presenza, sia in assenza di generatore di tensione DC, l’effetto limitante à ̈ ottenuto tramite l’inserimento di un induttore. L’impedenza equivalente della rete in condizioni di corto circuito à ̈ quindi prevalentemente induttiva e ciò comporta due effetti indesiderati:

a. un ritardo nel passaggio dello zero della corrente e una maggiore difficoltà di estinzione dell’arco elettrico nei poli di apertura degli interruttori di potenza;

b. un peggioramento della stabilità dinamica della rete durante il guasto.

Appare evidente come questi limiti tecnici siano onerosi in termini di possibili disservizi nell’erogazione della corrente elettrica, nonché economici.

Alla luce di quanto sopra, Ã ̈ scopo della presente invenzione quello di proporre un limitatore superconduttivo di corrente di guasto di tipo resistivo idoneo ad operare in corrente continua per applicazioni in corrente alternata.

È anche scopo della presente invenzione quello di permettere un ridotto carico termico al sistema di raffreddamento sia in condizioni di normale funzionamento (mediante l’esercizio in corrente continua) che in condizioni di guasto (mediante le resistenze convenzionali in parallelo).

Forma pertanto oggetto della presente invenzione un limitatore di corrente di guasto comprendente un ponte raddrizzatore di dispositivi attivi collegato ad un circuito da proteggere, detto ponte raddrizzatore avendo quattro rami che formano quattro nodi, in cui un primo nodo ed un secondo nodo, non consecutivo a detto primo nodo, sono collegati a detto circuito da proteggere, caratterizzato dal fatto di comprendere un ramo centrale di collegamento tra il terzo nodo ed il quarto nodo di detto ponte raddrizzatore, comprendente o consistente di almeno un elemento circuitale comprendente una componente induttiva, atta a limitare l’oscillazione della corrente su detto ramo centrale, ed una componente resistiva non lineare superconduttiva presentante:

- una prima condizione operativa in cui la corrente passante attraverso detto ramo centrale à ̈ al di sotto di una soglia predefinibile, per cui detto almeno un elemento circuitale che presenta detta componente resistiva non lineare superconduttiva à ̈ in uno stato di superconduzione; e

- una seconda condizione operativa, in cui la corrente passante attraverso detto ramo centrale à ̈ al di sopra di detta soglia predefinibile, per cui detto almeno un elemento circuitale che presenta detta componente resistiva non lineare superconduttiva à ̈ in uno stato di non superconduzione, così presentando un comportamento resistivo.

Sempre secondo l’invenzione, detto almeno un elemento circuitale può comprendere un induttore e un resistore non lineare superconduttivo.

Ancora secondo l’invenzione, detto induttore può essere realizzato in materiale superconduttivo ed à ̈ configurato in modo da non transire in detta seconda condizione operativa.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto induttore e detto resistore non lineare superconduttivo possono essere collegati in serie.

Ulteriormente secondo l’invenzione, detto induttore può essere posto in prossimità di detto resistore non lineare superconduttivo per agevolarne la transizione da detta prima a detta seconda condizione operativa attraverso il campo magnetico generato.

Sempre secondo l’invenzione, detto almeno un elemento circuitale può comprendere un induttore realizzato in materiale superconduttivo, che presenta detta componente induttiva e detta componente resistiva non lineare superconduttiva.

Ancora secondo l’invenzione, detto limitatore può comprendere almeno un resistore convenzionale collegato in parallelo a detto almeno un elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva, in modo da assorbire parte della corrente che scorre attraverso detto almeno un elemento circuitale in detta seconda condizione operativa, così riducendo il carico termico sullo stesso e il tempo di recupero di detto limitatore di corrente.

Ulteriormente secondo l’invenzione, detto almeno resistore convenzionale può essere collegato a detto primo nodo e detto secondo nodo di detto ponte raddrizzatore.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto limitatore può comprendere un resistore convenzionale collegato a detto terzo nodo e detto quarto nodo di detto ponte raddrizzatore.

Sempre secondo l’invenzione, detto limitatore può comprendere un resistore convenzionale collegato in parallelo a detto elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva.

Ancora secondo l’invenzione, il materiale superconduttore di detto almeno un elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva può essere selezionato tra i seguenti: diboruro di magnesio (MgB2); ossido di bismuto-stronziocalcio-rame (BSCCO); ossido di rame-ittrio-bario (YBCO).

Ulteriormente secondo l’invenzione, detto limitatore può comprendere un sistema di raffreddamento di detto almeno un elemento circuitale comprendete detta componente resistiva non lineare superconduttiva.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detti dispositivi attivi possono comprendere diodi o tiristori, in tal caso detto limitatore può comprendere mezzi di controllo di detti tiristori.

Sempre secondo l’invenzione, detto ponte raddrizzatore può presentare detti dispositivi attivi, ciascuno provvisto di un anodo e di un catodo, collegati come segue:

- un primo dispositivo attivo presenta l’anodo collegato a detto primo nodo ed un catodo collegato a detto terzo nodo;

- un secondo dispositivo attivo presenta l’anodo collegato a detto quarto nodo ed il catodo collegato a detto secondo nodo;

- un terzo dispositivo attivo presenta l’anodo collegato a detto quarto nodo ed il catodo collegato a detto primo nodo; e

- un quarto dispositivo attivo presenta l’anodo collegato a detto secondo nodo ed un catodo collegato a detto terzo nodo.

Ancora secondo l’invenzione, detto limitatore può comprendere mezzi di raffreddamento di detta componente resistiva non lineare superconduttiva.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, detto circuito da proteggere può essere selezionato tra i seguenti: linea elettrica, collegata a detto primo nodo, e un carico, collegato a detto secondo nodo; linea uscente da un generatore; alimentazione di servizi ausiliari di centrale; accoppiamento di reti di distribuzione; connessioni di busbar; shunt di reattori per la limitazione della corrente di guasto; linee uscenti da un trasformatore; linee uscenti da busbar; combinazione con altri dispositivi superconduttivi, come cavi superconduttivi; collegamento di unità di generazione distribuite; chiusura di reti ad anello.

La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo le sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

la figura 1 mostra lo schema elettrico di una prima forma di realizzazione di un limitatore superconduttivo di corrente di guasto secondo la presente invenzione;

la figura 2 mostra lo schema elettrico equivalente di una seconda forma di realizzazione del limitatore superconduttivo di corrente di guasto secondo la presente invenzione;

la figura 3a mostra lo schema elettrico equivalente di una terza forma di realizzazione del limitatore superconduttivo di corrente di guasto secondo la presente invenzione;

la figura 3b mostra lo schema elettrico equivalente di una quarta forma di realizzazione del limitatore superconduttivo di corrente di guasto secondo la presente invenzione;

la figura 4 mostra uno schema di collegamento per l’applicazione del limitatore di corrente secondo l’invenzione ad una rete trifase di distribuzione dell’energia elettrica;

la figura 5 mostra un grafico della variazione di tensione di rete in funzione del tempo per differenti valori dell’induttanza;

la figura 6 mostra un grafico della corrente del ramo interno al ponte raddrizzatore del limitatore di corrente di guasto secondala figura 1, in condizioni di funzionamento normale per differenti valori dell’induttanza;

la figura 7 mostra un grafico della corrente di guasto entrante nel limitatore di corrente secondo la figura 1 per diversi valori della resistenza R; e

la figura 8 mostra uno schema in cui sono mostrate delle possibili applicazioni del limitatore di corrente superconduttivo di corrente di guasto secondo l’invenzione.

Nelle varie figure le parti simili verranno indicate con gli stessi riferimenti numerici.

Facendo riferimento alla figura 1 à ̈ possibile osservare una prima forma di realizzazione di un limitatore di corrente di guasto 1 superconduttivo secondo l’invenzione, che comprende un ponte raddrizzatore 2, avente quattro dispositivi attivi 3a, 3b, 3c e 3d, che nel caso in esame sono diodi, collegato in serie ad una linea elettrica da proteggere (non mostrata in figura).

Detto ponte raddrizzatore 2 ha, dunque, quattro rami, su ciascuno dei quali à ̈ presente uno di detti diodi 3a, 3b, 3c e 3d. Detti rami formano quattro nodi 4, 5, 6 e 7. Detto circuito da proteggere à ̈ collegabile al primo nodo 4 ed al secondo nodo 5.

Il collegamento dei diodi 3a, 3b, 3c e 3d del ponte raddrizzatore 2 avviene come segue:

- diodo 3a: anodo collegato al nodo 4, catodo collegato al nodo 6;

- diodo 3b: anodo collegato al nodo 7, catodo collegato al nodo 5;

- diodo 3c: anodo collegato al nodo 7, catodo collegato al nodo 4;

- diodo 3d: anodo collegato al nodo 5, catodo collegato al nodo 6.

Il limitatore di corrente 1 comprende un ramo centrale 8 ulteriore collegato al detto nodo 6 ed al nodo 7. Detto ramo centrale 8 comprende un induttore 9 ed un resistore non lineare superconduttivo 10 collegati in serie.

Il limitatore di corrente di guasto 1 secondo l’invenzione utilizza, pertanto, la combinazione del concetto di limitatore resistivo e del concetto di limitatore con ponte di raddrizzatore 2, come sarà meglio chiarito nel seguito.

Il resistore non lineare superconduttivo 10 ha un comportamento resistivo, in caso di transizione del materiale di cui à ̈ costituito, dallo stato di superconduzione a quello di non superconduzione.

Nel seguito della descrizione distingueremo, pertanto, un funzionamento o condizione operativa normale, in cui il materiale del resistore non lineare superconduttivo 10 si trova nello stato di superconduzione grazie ad un opportuno sistema di raffreddamento, e.g. un bagno criogenico, e uno stato di funzionamento attivo, in cui il resistore non lineare superconduttivo 10 transisce dallo stato di superconduzione ad uno stato di non superconduzione.

In condizioni operative normali, la corrente che scorre attraverso resistore non lineare superconduttivo 10 à ̈ data dall’inviluppo dei picchi della corrente sinusoidale che fluisce nel limitatore di corrente di guasto 1. In particolare, detta corrente à ̈ composta da una corrente continua, cui à ̈ sovrapposto un ripple in corrente alternata la cui fondamentale à ̈ a frequenza doppia rispetto alla frequenza di esercizio della linea o del circuito da proteggere, indicata nella figura con iSFCL(t), cui il limitatore di corrente di guasto 1 à ̈ collegato.

Ciò à ̈ dovuto alla disposizione dei diodi 3a, 3b, 3c e 3d. L’ampiezza di detta componente alternata à ̈ naturalmente tanto più limitata quanto maggiore à ̈ il valore dell’induttanza L dell’induttore 9. Pertanto, maggiore à ̈ il valore dell’induttanza L dell’induttore 9, minore à ̈ il ripple della corrente alternata e le perdite associate nel superconduttore. In altre parole, la funzione della componente induttiva nel ramo centrale 8 à ̈ quella di limitare l’oscillazione della corrente.

Naturalmente, detto valore L dell’induttanza dell’induttore 9 deve essere il più alto possibile, compatibilmente con la condizione che il limitatore di corrente di guasto 1 non influenzi il sistema (la linea elettrica o il circuito da proteggere in generale) cui à ̈ collegato in condizioni di normale esercizio.

Ciò implica che la sola induttanza L dell’induttore 9 non à ̈ in grado di limitare sufficientemente la corrente di guasto, ad esempio in caso di cortocircuito.

Il decadimento della corrente à ̈ dovuto ad una caduta di tensione ai capi dei diodi 3a, 3b, 3c e 3d. L’induttore 9, quindi, si carica e presenta, a regime, detta corrente continua indicata nelle figure con I0che lo attraversa e si divide in due parti, che circolano attraverso le coppie di diodi 3a-3b e 3c-3d, rispettivamente.

Si consideri, ora, una semionda positiva della corrente iSFCL(t), che passa attraverso il limitatore di corrente di guasto 1. Poiché tutti i diodi 3a, 3b, 3c e 3d sono polarizzati in modo diretto, detta corrente iSFCL(t) istantanea bypassa il ramo attraversato dalla corrente I0.

La tensione totale attraverso il limitatore di corrente di guasto 1 à ̈ data solo dalla caduta di tensione complessiva sulla coppia di diodi 3a e 3d (coincidente con quella sulla coppia di diodi 3c e 3b), che à ̈ da considerare trascurabile. Pertanto, il limitatore di corrente di guasto 1 presenta un’impedenza sostanzialmente pari a zero.

Dunque, per quanto detto sopra, attraverso i diodi 3a e 3b transita una corrente i3a−3b=I02 iSFCL2, mentre attraverso i diodi 3c e 3d passa una corrente pari a i3c−3d=I02 − iSFCL2.

Detto resistore non lineare superconduttivo 10 à ̈ in grado di transire dallo stato normale a quello attivo al di sopra di un certo valore di corrente, presentando così un comportamento resistivo con resistenza R.

Il limitatore di corrente di guasto 1 consente, quindi, di ottenere un’adeguata capacità limitante della corrente, grazie alla transizione del resistore non lineare superconduttivo 10 ed alla conseguente presenza di una resistenza (oltre che di un induttanza) in serie al circuito durante un guasto, che si viene a creare proprio per la transizione del materiale di cui à ̈ costituito il resistore non lineare 10 dallo stato di superconduzione a quello di conduttore normale, al di sopra di una certa corrente predefinibile passante attraverso di esso.

Essendo l’impedenza equivalente della rete in condizioni di corto circuito prevalentemente induttiva, il limitatore di corrente di guasto 1 secondo l’invenzione non peggiora la stabilità dinamica della rete e non rende più difficoltosa l’estinzione dell’arco elettrico nei poli di apertura degli interruttori.

Pertanto, come si osserva, il limitatore di corrente di guasto 1 secondo l’invenzione aggiunge una componente resistiva all’impedenza equivalente della rete in condizioni di corto circuito (che altrimenti sarebbe prevalentemente induttiva) e quindi non rende più difficoltosa l’estinzione dell’arco elettrico nei poli di apertura degli interruttori e non peggiora la stabilità dinamica della rete.

Infatti, considerando ancora come sopra una semionda positiva della corrente iSFCL(t). Quando questa supera la corrente continua I0a causa in particolare di un guasto del circuito da proteggere che generi una corrente di corto circuito, la componente i3c−3d=I02 − iSFCL2 cambia di segno e viene interdetta dai diodi 3c e 3d che si polarizzano inversamente, facendo fluire tutta la corrente data da I02+iSFCL2=iSFCL2+iSFCL2 = iSFCLattraverso l’induttore 9 e il resistore non lineare superconduttivo 10.

A questo punto, per una predefinibile corrente di guasto, detto resistore non lineare superconduttivo 10 transisce dallo stato di superconduzione a quello di conduzione, in caso di:

(a) superamento da parte della corrente di una soglia predefinibile;

(b) superamento da parte del campo magnetico prodotto dall’induttore 9 di una soglia predefinibile;

(c) superamento da parte della temperatura del superconduttore di una soglia predefinibile;

(d) entrambe le condizioni (a) e (b);

(e) entrambe le condizioni (a) e (c);

(f) entrambe le condizioni (b) e (c);

(g) tutte le condizioni (a), (b) e (c).

Quando detto resistore non lineare superconduttivo 10 transisce allo stato di non superconduttore si comporta come una resistenza, limitando dunque la corrente di guasto.

Pertanto, si sfrutta la transizione del materiale superconduttore del resistore non lineare superconduttivo 10 per produrre l’effetto di limitazione della corrente, a differenza della tecnica nota nella quale i materiali superconduttori sono impiegati solo per la riduzione delle perdite di energia e della dissipazione.

Tra l’altro, come à ̈ noto, i materiali superconduttori presentano un funzionamento ottimale in corrente continua e l’induttore, unitamente alla configurazione a ponte dei dispositivi attivi 3a, 3b, 3c e 3d, garantiscono proprio questo stato di funzionamento senza l’impiego di alcun dispositivo attivo, come generatori di corrente esterni e/o simili.

Eventualmente, i dispositivi attivi 3a, 3b, 3c e 3d possono essere tiristori, così dotando il limitatore anche di capacità di interruzione oltre che di limitazione della corrente, mediante opportuni mezzi di controllo collegati ai gates di detti tiristori.

Naturalmente il limitatore di corrente di guasto 1 descritto permette la limitazione di una corrente monofase. Per la limitazione di una corrente trifase, sarà necessario provvedere a disporre un limitatore di corrente di guasto 1 per ciascuna delle tre fasi.

Sempre secondo la presente forma di realizzazione, detto induttore 9 può essere realizzato in materiale superconduttivo e configurato in modo da non transire, i.e. rimanendo in condizione superconduttiva anche in caso di corrente di guasto e di trasmissione della resistenza non lineare superconduttiva 10. Questo consente di ridurre le perdite complessive del limitatore 1.

La figura 2 mostra un’ulteriore forma di realizzazione del limitatore di corrente di guasto 1 secondo la presente invenzione, in cui il ramo centrale 8 comprende ulteriormente un resistore convenzionale 11 collegato in parallelo al resistore non lineare superconduttivo 10. Questa forma realizzativa à ̈ applicabile solo quando l’induttanza e la resistenza non lineare superconduttiva del ramo centrale sono realizzate in modo fisicamente distinguibile. Detto resistore convenzionale 11 consente di drenare parte della corrente che interessa detto resistore non lineare superconduttivo 10 durante un guasto, riducendo così il carico termico sullo stesso e il conseguente tempo di recupero di detto limitatore di corrente di guasto 1.

In altre parole, l’effetto tecnico di detto resistore convenzionale 11 à ̈ quello di ridurre il surriscaldamento del resistore non lineare superconduttivo 10, riducendone il suo tempo di ripristino nel passaggio dalla configurazione attiva a quella normale.

La figura 3a mostra una terza forma di realizzazione del limitatore di corrente di guasto 1 secondo l’invenzione, in cui una resistenza convenzionale 11’ à ̈ collegato a detto terzo nodo 6 e detto quarto nodo 7 non consecutivi di detto ponte raddrizzatore 2. Questa forma realizzativa à ̈ applicabile anche quando l’induttanza e la resistenza non lineare superconduttiva del ramo centrale non sono realizzate in modo fisicamente distinguibile. Anche in questo caso, detto resistore convenzionale 11’ consente di drenare parte della corrente che interessa detto resistore non lineare superconduttivo 10 durante un guasto, così riducendo il carico termico sullo stesso e il conseguente tempo di recupero del limitatore di corrente di guasto 1.

Tra l’altro, la forma di realizzazione della figura 3a presenta anche un ulteriore vantaggio rispetto a quelle descritte nella figura 2. Infatti, nel caso in cui anche l’induttore 9 sia superconduttivo, à ̈ possibile adoperare solo due anziché tre collegamenti (c.d. discendenti di corrente) delle parti superconduttive con parti del circuito operanti a temperatura ambiente, implicando un minor carico termico sul sistema di raffreddamento.

La figura 3b mostra un’altra forma di realizzazione del limitatore di corrente di guasto 1 secondo l’invenzione, in cui una resistenza convenzionale 11’’ à ̈ collegato a detto primo nodo 4 e a detto secondo nodo 5 non consecutivi di detto ponte raddrizzatore 2, i.e. in parallelo all’intero limitatore 1.

Infine, à ̈ possibile prevedere un’ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, in cui à ̈ possibile integrare l’induttore 9 e il resistore non lineare superconduttivo 10, mediante la realizzazione dell’induttore (avvolgimento, bobina) in materiale superconduttivo, che presenti:

- una prima condizione operativa, in cui la corrente passante attraverso detto limitatore di corrente 1 Ã ̈ al di sotto di una soglia predefinibile, per cui detto induttore si trova in uno stato di superconduzione; e

- una seconda condizione operativa, in cui la corrente attraverso detto limitatore di corrente 1 à ̈ al di sopra di detta soglia predefinibile, per cui il materiale di detto induttore 9 transisce dallo stato superconduttore a quello di non superconduttore, così presentando una componente resistiva.

In tal modo, si integra l’induttore 9 ed il resistore non lineare superconduttore 10 in un unico elemento.

Detto resistore non lineare superconduttivo 10, ovvero detto induttore 9 nel caso in cui questo sia realizzato mediante materiale superconduttivo, possono essere realizzati mediante qualsiasi materiale superconduttore, indipendentemente dalla sua temperatura critica e dalle condizioni di pressione necessarie per il suo utilizzo.

Inoltre, sempre secondo l’invenzione, le modalità realizzative di detto resistore non lineare superconduttivo 10, ovvero di detto induttore 9 nel caso in cui sia realizzato mediante materiale superconduttivo e integri detto resistore non lineare superconduttivo 10, possono comprendere qualsiasi configurazione, processo o tecnologia adoperati per la loro fabbricazione, e.g. avvolgimenti di data geometria realizzati mediante nastri o fili o fogli, avvolgimenti bifilari, avvolgimenti a pancake alternati, avvolgimenti con quench assistito dal campo magnetico, meandri superconduttivi, film sottili, bulk, ecc.

Ulteriormente, à ̈ ben noto che per evitare che un superconduttore sia soggetto ad una transizione parziale, à ̈ opportuno sottoporlo a campo magnetico (per evitare il cosiddetto fenomeno delle hot spots). Pertanto, in una preferita forma di realizzazione, à ̈ possibile disporre l’induttore 9 in prossimità del resistore non lineare superconduttivo 10 per agevolarne, mediante il campo magnetico da esso prodotto, una transizione ottimale dallo stato superconduttivo a quello non superconduttivo.

La figura 4 mostra un’applicazione del limitatore di corrente di guasto 1 collegato ad una rete trifase di distribuzione dell’energia elettrica 12 di media tensione ad un carico 13. Naturalmente, à ̈ necessario prevedere un limitatore di corrente di guasto 1 per ciascuna fase della linea.

Nella figura 4 stessa sono riportati anche i parametri della rete di distribuzione dell’energia elettrica 12.

Come si osserva, la rete di distribuzione dell’energia elettrica 12 comprende una rete di trasmissione 14 a 132 kVolt, un trasformatore 15 di media tensione, con rapporto di trasformazione da 132 kVolt a 20 kVolt.

Il trasformatore 15 à ̈ successivamente collegato ad un interruttore 16, in serie al quale à ̈ collegato il limitatore superconduttivo 1, che, a sua volta, à ̈ collegato il carico 13 mediante una linea 17 lunga 8 km nella presente forma di realizzazione.

Le figure successive mostrano i grafici del funzionamento del limitatore superconduttivo 1 di corrente della forma di realizzazione della figura 1 secondo lo schema riportato in figura 4.

In figura 5 si riportano la variazione di tensione di rete durante una variazione di carico dell’80% dovuta a normale manovra (e.g. inserzione di un grosso stabilimento) per diversi valori dell’induttanza.

Dalla figura si osserva come, per valori dell’induttanza dell’induttore 9 al di sotto dei 5 mH, il disturbo sia inferiore al 4%, come stabilito dalla norma EN 50160. Il valore dell’induttanza L= 5mH dell’induttore 9 à ̈ scelto come induttanza di progetto dell’avvolgimento superconduttivo.

In figura 6 si riporta, invece, l’andamento della corrente all’interno del superconduttore per vari valori dell’induttanza L. Al crescere del valore dell’induttanza si osserva una diminuzione dell’ampiezza del ripple AC della corrente. Per L = 5 mH la corrente nel superconduttore à ̈ pari a 459.5 ± 1.4 A.

In figura 7 si riporta, invece, l’andamento della corrente di corto circuito per un guasto trifase per L = 5 mH e vari valori della resistenza raggiunta a transizione completa. Si osserva che, nel caso di un comportamento resistivo del materiale superconduttore con un valore della resistenza R= 4 Ohm, la corrente di cortocircuito raggiunge circa il 25% del valore che raggiungerebbe in assenza del limitatore di corrente 1. Il valore R= 4 Ohm à ̈ scelto come resistenza di progetto dell’avvolgimento superconduttivo.

Infine la figura 8 mostra una serie di configurazioni di seguito elencate e contrassegnate nella figura con lettere:

(a) linea uscente da un generatore 18;

(b) alimentazione di servizi ausiliari di centrale;

(c) accoppiamento di reti di distribuzione 19;

(d) connessioni di busbar 20;

(e) shunt di reattori per la limitazione della corrente di guasto;

(f) linee uscenti da un trasformatore 15;

(g) linee uscenti da busbar 20;

(h) combinazione con altri dispositivi superconduttivi, come cavi superconduttivi 21;

(i) collegamento di unità di generazione distribuite 22;

(l) chiusura di reti ad anello.

Un vantaggio della presente invenzione à ̈ che dal punto di vista funzionale il limitatore proposto à ̈ in grado di produrre un significativo effetto limitante senza influenzare il sistema in condizioni di normale funzionamento. Nei limitatori a ponte raddrizzatore convenzionali queste due condizioni non possono essere soddisfatte contemporaneamente. Inoltre, il limitatore proposto rende l’impedenza equivalente in condizioni di corto circuito essenzialmente resistiva pertanto facilita l’estinzione dell’arco e non peggiora la stabilità dinamica della rete.

Un vantaggio della presente invenzione à ̈ che il resistore non lineare superconduttivo opera in corrente continua e non in corrente alternata, senza l’ausilio di alcun generatore di corrente esterno attivo.

Un ulteriore vantaggio della presente invenzione à ̈ che il limitatore di corrente di guasto descritto à ̈ applicabile non solo a reti elettriche di trasmissione dell’energia, ma anche a sistemi elettrici di bordo di veicoli navali, aerospaziali o terrestri nonché a sistemi di elettrificazione per trasporti su rotaia.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Limitatore (1) di corrente di guasto comprendente un ponte raddrizzatore (2) di dispositivi attivi (3a, 3b, 3c, 3d) collegato ad un circuito da proteggere, detto ponte raddrizzatore (2) avendo quattro rami che formano quattro nodi (4, 5, 6, 7), in cui un primo nodo (4) ed un secondo nodo (5), non consecutivo a detto primo nodo (4), sono collegati a detto circuito da proteggere (12, 13), caratterizzato dal fatto di comprendere un ramo centrale (8) di collegamento tra il terzo nodo (6) ed il quarto nodo (7) di detto ponte raddrizzatore (2), comprendente o consistente di almeno un elemento circuitale comprendente una componente induttiva, atta a limitare l’oscillazione della corrente su detto ramo centrale (8), ed una componente resistiva non lineare superconduttiva presentante: - una prima condizione operativa in cui la corrente passante attraverso detto ramo centrale (8) à ̈ al di sotto di una soglia predefinibile, per cui detto almeno un elemento circuitale che presenta detta componente resistiva non lineare superconduttiva à ̈ in uno stato di superconduzione; e - una seconda condizione operativa, in cui la corrente passante attraverso detto ramo centrale (8) à ̈ al di sopra di detta soglia predefinibile, per cui detto almeno un elemento circuitale che presenta detta componente resistiva non lineare superconduttiva à ̈ in uno stato di non superconduzione, così presentando un com portamento resistivo.
2. 2. Limitatore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento circuitale comprende un induttore (9) e un resistore non lineare superconduttivo (10).
3. 3. Limitatore (1) secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detto induttore (9) à ̈ realizzato in materiale superconduttivo ed à ̈ configurato in modo da non transire in detta seconda condizione operativa.
4. 4. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto induttore (9) e detto resistore non lineare superconduttivo (10) sono collegati in serie.
5. 5. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni 2 - 4, caratterizzato dal fatto che detto induttore (9) à ̈ posto in prossimità di detto resistore non lineare superconduttivo (10) per agevolarne la transizione da detta prima a detta seconda condizione operativa attraverso il campo magnetico generato.
6. 6. Limitatore (1) secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto almeno un elemento circuitale comprende un induttore realizzato in materiale superconduttivo, che presenta detta componente induttiva e detta componente resistiva non lineare superconduttiva.
7. 7. Limitatore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un resistore convenzionale (11, 11’, 1’’) collegato in parallelo a detto almeno un elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva, in modo da assorbire parte della corrente che scorre attraverso detto almeno un elemento circuitale in detta seconda condizione operativa, così riducendo il carico termico sullo stesso e il tempo di recupero di detto limitatore di corrente (1).
8. 8. Limitatore (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detto almeno resistore convenzionale (11’’) à ̈ collegato a detto primo nodo (4) e detto secondo nodo (5) di detto ponte raddrizzatore (2).
9. 9. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni 7 o 8, caratterizzato dal fatto di comprendere un resistore convenzionale (11’) collegato a detto terzo nodo (6) e detto quarto nodo (7) di detto ponte raddrizzatore (2).
10. 10. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni 7 - 9, caratterizzato dal fatto di comprendere un resistore convenzionale (11) collegato in parallelo a detto elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva.
11. 11. Limitatore (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il materiale superconduttore di detto almeno un elemento circuitale comprendente detta componente resistiva non lineare superconduttiva à ̈ selezionato tra i seguenti: diboruro di magnesio (MgB2); ossido di bismutostronzio-calcio-rame (BSCCO); ossido di rame-ittriobario (YBCO).
12. 12. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema di raffreddamento di detto almeno un elemento circuitale comprendete detta componente resistiva non lineare superconduttiva.
13. 13. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi attivi comprendono diodi (3a, 3b, 3c e 3d).
14. 14. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni 1 - 12, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi attivi comprendono tiristori e dal fatto di comprendere mezzi di controllo di detti tiristori.
15. 15. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto ponte raddrizzatore (2) presenta detti dispositivi attivi, ciascuno provvisto di un anodo e di un catodo, collegati come segue: - un primo dispositivo attivo (3a) presenta l’anodo collegato a detto primo nodo (4) ed un catodo collegato a detto terzo nodo (6); - un secondo dispositivo attivo (3b) presenta l’anodo collegato a detto quarto nodo (7) ed il catodo collegato a detto secondo nodo (5); - un terzo dispositivo attivo (3c) presenta l’anodo collegato a detto quarto nodo (7) ed il catodo collegato a detto primo nodo (4); e - un quarto dispositivo attivo (3d) presenta l’anodo collegato a detto secondo nodo (5) ed un catodo collegato a detto terzo nodo (6).
16. 16. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazio ni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di raffreddamento di detta componente resistiva non lineare superconduttiva.
17. 17. Limitatore (1) secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto circuito da proteggere à ̈ selezionato tra i seguenti: linea elettrica (12), collegata a detto primo nodo (4), e un carico (13), collegato a detto secondo nodo (5); linea uscente da un generatore (8); alimentazione di servizi ausiliari di centrale; accoppiamento di reti di distribuzione (19); connessioni di busbar (20); shunt di reattori per la limitazione della corrente di guasto; linee uscenti da un trasformatore (15); linee uscenti da busbar (20); combinazione con altri dispositivi superconduttivi, come cavi superconduttivi (21); collegamento di unità di generazione distribuite (22); chiusura di reti ad anello.