Contribution for the Study of the Integration of Inductive Superconducting Fault Current Limiters in Electrical Distribution Grids

A wider adoption of distributed generation sources and an increased interconnection of networks tend to increase the complexity of electric power grids, thus causing a surge in failures, especially short-circuits. The conventional solution against short-circuit currents, for example, the construction of new substations, splitting of busbars, even updating the technology of the existing current limiters may prove either economically or technically unfeasible. Fault current limiters, mainly the superconducting fault current limiters, have already demonstrated their viability in electric power grids. Fault current limiter devices at normal operation are invisible to the grid, acting almost instantly upon a fault, returning to their normal state upon its correction. To disseminate these technologies, the development of straightforward design tools is required. These tools must consider the properties of the available constitutive elements of the devices. Behind these design tools, the integrity of the fault current limiter should be assured during its operation. Problems regarding the electrodynamic forces developed under short-circuit events must be properly characterized because they can damage windings, causing device breakage and affecting the power grid. In this thesis, a design methodology that intends to model and optimise saturated cores superconducting fault current limiters is presented. This methodology considers the characteristics of each constitutive element of the limiter while addressing utility requirements and power grid characteristics. Genetic algorithms are used both to optimise the constitutive elements of the limiter and its performance in the power grid. In order to validate the present methodology, a three-phase superconducting fault current limiter is designed/optimised, built and tested. The electrodynamic forces analysis developed in superconducting tapes of an inductive transformer type superconducting fault current limiter, under short-circuit conditions is performed.A crescente adoção de fontes de geração distribuída e o aumento das ligações internas entre redes de energia levou ao aumento da complexidade das redes elétricas, causando um provável aumento do número de falhas, especialmente os curto-circuitos. Soluções convencionais para lidar com curto-circuitos, como por exemplo, a construção de novas subestações, a divisão dos barramentos, ou a atualização tecnológica dos limitadores de corrente existentes, podem se mostrar muito dispendiosas ou tecnicamente inviável. Os limitadores de corrente de defeito, principalmente os dispositivos supercondutores, têm vindo a demostrar a sua viabilidade em redes de energia elétrica. Estes dispositivos são considerados invisíveis para a rede, quando em operação normal. Quando uma falha na rede ocorre, estes agem instantaneamente, retornando ao seu estado normal após a falha terminar. De modo a disseminar estas tecnologias, é necessário o desenvolvimento de ferramentas de projeto e modelação, de fácil uso. Essas ferramentas devem considerar as propriedades dos elementos que constituem os dispositivos de proteção. Por detrás dessas ferramentas de projeto, a integridade do limitador deve ser assegurada durante todo o seu funcionamento. Problemas relacionados com forças eletrodinâmicas desenvolvidas sob eventos de curto-circuito devem ser devidamente caracterizados, pois podem danificar os enrolamentos, e por sua vez o equipamento e afetar a rede elétrica. Nesta tese, é apresentada uma metodologia de projeto, que visa modelar e otimizar limitadores de corrente de defeito supercondutores, do tipo núcleos saturados. Esta metodologia considera as características de cada elemento constitutivo do limitador enquanto aborda os requisitos da concessionária da rede de distribuição de energia e as características da rede elétrica. Algoritmos genéticos são usados para otimizar os o limitador e o seu desempenho na rede elétrica. A fim de validar a metodologia atual, um limitador trifásico é projetado/otimizado, construído e ensaiado. É ainda realizada a análise das forças eletrodinâmicas desenvolvidas em fitas supercondutoras de um limitador de corrente de defeito, do tipo transformador, em condições de curto-circuito

Construção e ensaio de um limitador de corrente supercondutor de núcleos saturados

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresA introdução de novas instalações de produção de energia eléctrica, principalmente de origem renovável e descentralizada, e por um aumento da procura de energia, pode resultar no aumento das correntes de curto-circuito na rede eléctrica e no ultrapassar dos níveis de protecção dos dispositivos de protecção já existentes. As soluções convencionais existentes para a protecção contra as correntes de curto-circuito, como a construção de novas subestações, a divisão de barramentos ou a actualização de disjuntores pode resultar económica ou tecnicamente inviável. Os limitadores de corrente supercondutores podem ser assim economicamente mais competitivos que as soluções convencionais. Estes dispositivos são, em operação normal, invisíveis à rede, actuam de forma quase instantânea em situação de falha e voltam ao estado normal automaticamente após a resolução da falha. O objectivo desta dissertação é projectar, construir e ensaiar um protótipo de um limitador de corrente supercondutor de núcleos saturados, numa rede à escala de laboratório. Pretende-se por fim, analisar o seu desempenho e contribuir para a sua modelização