1.1 Motivação
O mercado mundial dos supercondutores tem vindo a crescer muito significativamente nos últimos anos. Os processos de fabrico destes materiais são cada vez mais eficientes, o que se traduz num aumento da sua relação qualidade/preço, bem como uma redução nos custos dos equipamentos adjacentes à sua aplicação. Por esta razão, os materiais supercondutores encontram cada vez mais aplicações práticas, que se mostram progressivamente mais viáveis, algumas delas caminhando para a comercialização, particularmente na indústria.
O sector energético engloba um mercado cada vez mais competitivo, onde, seja ou não liberal, a satisfação do cliente é a principal prioridade. Neste sentido, existe uma constante preocupação na redução dos custos do serviço, com a garantia de que este seja de qualidade e fiável. Dado o panorama actual do sector energético a nível mundial, estas são premissas cada vez mais difíceis de garantir, dada a crise de recursos energéticos face ao aumento da demanda energética. Por esta razão, as redes energéticas surgem inevitavelmente mais complexas, principalmente em zonas de elevada densidade populacional ou industrial, onde a geração distribuída proveniente essencialmente de fontes de energia renovável está cada vez mais presente. Este é um cenário que contribui para o aparecimento e intensificação de falhas na rede, geralmente ao nível da distribuição, o que faz surgir elevadas correntes de curto-circuito capazes de danificar severamente os equipamentos da rede, podendo levar a linha a ficar fora de serviço.
Existem várias tecnologias frequentemente usadas para solucionar o problema das correntes de curto-circuito na rede, e.g. os disjuntores de alta corrente, fusíveis, transformadores de alta impedância, bobinas com núcleo de ar ou alterações estruturais na rede. Apesar de todos eles apresentarem desvantagens e de nenhum se mostrar
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No entanto, surge uma tecnologia que indiscutivelmente apresenta melhores desempenhos na limitação de correntes de falha, os limitadores de corrente. Sendo uma aplicação directa dos materiais supercondutores, os limitadores de corrente supercondutores em particular enfrentam neste momento barreiras à penetração de mercado, não só de cariz tecnológico mas também económico.
Apesar de já haver dispositivos deste tipo a funcionar em condições reais, a sua implementação envolve estudos teóricos e simulações prévias para modelizar o dispositivo e prever o seu comportamento na rede. Contudo, para dispositivos à escala real em redes complexas, as simulações envolvem tempos de processamento que as tornam inviáveis. No sentido de colmatar estas lacunas, foi proposto em (Pina, 2010) um método rápido e simples que permite modelizar os limitadores e efectuar estas simulações em tempos de computação irrisórios. Assim, uma vez que estes modelos foram validados somente com base em simulações, a principal motivação desta dissertação é validar o referido método com resultados experimentais, potenciando a sua aplicação em dispositivos de limitação à escala real, facilitando assim a penetração de mercado dos limitadores de corrente supercondutores e da supercondutividade em geral.
1.2 Objectivos
Todo o trabalho experimental desenvolvido tem por base o estudo e aplicação de limitadores de corrente indutivos focando a questão da validação experimental da ferramenta proposta em (Pina, 2010), que permite a modelização e simulação do desempenho e comportamentos dinâmicos destes dispositivos em redes de energia, de forma incomparavelmente mais rápida face aos tradicionais métodos de modelização por elementos finitos.
Em torno desta questão, os principais objectivos são:
Construção de um limitador de corrente supercondutor indutivo à escala laboratorial.
Modelização do referido limitador com base em resultados experimentais, utilizando diferentes topologias de núcleos de ferro.
Ensaio do dispositivo em diferentes condições de falha a fim de avaliar o seu comportamento dinâmico perante correntes de curto-circuito.
Estudo comparativo dos resultados, com vista à validação experimental da ferramenta de modelização proposta.
1.3 Sumário do Trabalho Desenvolvido
A supercondutividade é um tema imensamente vasto, sendo que o seu estudo exaustivo sai fora do âmbito desta dissertação. Esta foca-se somente nos limitadores de corrente supercondutores indutivos, particularmente com recurso a cilindros maciços de material supercondutor de alta temperatura. Assim, somente para o estado da arte foi feito um desvio, abordando a história, propriedades, tipo e aplicações dos supercondutores, que ainda assim são suficientes para que o desvio seja considerável.
No que diz respeito ao trabalho experimental propriamente dito, este foi, como qualquer trabalho de cariz experimental, algo moroso e com os seus previstos imprevistos. O trabalho envolveu uma forte componente laboratorial, com uso de diversos materiais e equipamentos, e portanto acabam sempre por surgir as adversidades próprias deste tipo de trabalhos, que têm de ser ultrapassadas de modo a garantir a sua continuidade.
Adicionalmente, muito do trabalho desenvolvido produziu resultados que por diversas razões acabaram por ser descartados, o que faz com que parte do trabalho desenvolvido não se reflicta neste documento. Apresentam-se então, de forma sucinta, as principais fases do trabalho, ignorando alguns procedimentos menores mas não menos importantes no interior de cada uma:
Construção das bobinas a integrar no limitador de corrente.
Construção e montagem do limitador, o qual inclui diversos núcleos de ferro e um cilindro supercondutor de alta temperatura. núcleo de ferro distinto e em diferentes instantes de tempo.
Análise comparativa dos resultados ao nível dos diferentes núcleos usados e das diferentes condições de falha.
Validação experimental do método de modelização proposto.
1.4 Contribuições Originais
As contribuições originais desta dissertação consistem essencialmente na avaliação de um modelo para limitadores de corrente indutivos proposto anteriormente, baseada em dados experimentais. O modelo do limitador tem por base a obtenção isolada das
dispositivo, que consiste essencialmente na característica magnética do núcleo de ferro, e do cilindro supercondutor de alta temperatura. A sua construção experimental permitiu avaliar o modelo teórico formulado previamente, o que contribuiu para a confirmação de alguns dos seus atributos e a para o refinar de alguns outros, no sentido de convergir os resultados teóricos com os experimentais. Considera-se ainda a metodologia experimental usada na obtenção da característica do cilindro supercondutor, i.e., das correntes que nele circulam, uma contribuição original, já que é feita uma medição real e fidedigna dessa grandeza no material supercondutor, factor indispensável na construção experimental descrita anteriormente.
Desta dissertação surgiram contributos para a publicação dos seguintes artigos científicos:
1. João Murta Pina, Pedro Pereira, Anabela Pronto, Pedro Arsénio, Tiago Silva,
“Modelling and Simulation of Inductive Fault Current Limiters”, Physics
Procedia, Volume 36, 2012, Pages 1248-1253.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1875389212022213 2. Arsenio, P.; Silva, T.; Vilhena, N.; Pina, J.M.; Pronto, A., "Analysis of
Characteristic Hysteresis Loops of Magnetic Shielding Inductive Fault Current Limiters”, Applied Superconductivity, IEEE Transactions on , vol.23, no.3,
pp.5601004,5601004, June 2013.
http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6392214&isnumb er=6366257
1.5 Organização da Dissertação
Esta dissertação apresenta-se organizada em sete capítulos, incluindo o presente, de introdução. Uma vez que cada capítulo começa com uma breve introdução apresentando os temas abordados, faz-se aqui apenas uma breve referência geral a cada capítulo.
Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica: este capítulo faz a revisão bibliográfica da