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SÉRGIO PIRES DIAS
DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO LIMITADOR DE
CORRENTE SUPERCONDUTOR RESISTIVO MODULAR
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Engenharia Elétrica do Centro
Tecnológico da Universidade Federal do Espírito
Santo, como requisito parcial para obtenção do
Grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Marcos T. D. Orlando
Co-orientador: Prof. Dr. Jussara F. Fardin
VITÓRIA
2010
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Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP)
(Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)
Dias, Sérgio Pires, 1982-
D541d Desenvolvimento de dispositivo limitador de corrente
supercondutor resistivo modular / Sérgio Pires Dias. – 2010.
99 f. : il.
Orientador: Marcos Tadeu D'Azeredo Orlando.
Co-Orientador: Jussara Farias Fardin.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito
Santo, Centro Tecnológico.
1. Supercondutores. I. Orlando, Marcos Tadeu D'Azeredo. II.
Fardin, Jussara Farias. III. Universidade Federal do Espírito
Santo. Centro Tecnológico. IV. Título.
CDU: 621.3
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SÉRGIO PIRES DIAS
DESENVOLVIMENTO DE DISPOSITIVO LIMITADOR DE
CORRENTE SUPERCONDUTOR RESISTIVO MODULAR
Dissertação submetida ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica do Centro
Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para a
obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Elétrica.
Aprovada em 08 de junho de 2010
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando - Orientador
Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Jussara Farias Fardin - Co-orientador
Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Domingos Sávio Lyrio Simonetti
Universidade Federal do Espírito Santo
Prof. Dr. Rubens de Andrade Junior
Universidade Federal do Rio de Janeiro
“I have not failed, I’ve just found ten thousand ways that won’t work”
Thomas Alva Edison
A meus pais e irmãos, pelo incentivo, amor e dedicação que tanto
me influenciaram para o crescimento pessoal, espiritual e
profissional. A minha esposa Maya que acreditou na minha
competência, me depositando coragem e perseverança para a
conclusão desse trabalho.
Agradecimentos
Ao meu orientador Prof. Dr. Marcos Tadeu D’Azeredo Orlando, pela disponibilidade em me
orientar e pelos esforços empenhados durante os desenvolvimentos do trabalho.
Aos professores Dra. Jussara Farias Fardin e Dr. Domingos Sávio Lyrio Simonetti pela
compreensão e orientação a esta área específica da engenharia.
Aos colegas José Luiz Passamai Júnior e Valdi Rodrigues Júnior pela ajuda costumeira e pela
boa vontade.
À FAPES pelo auxílio e oportunidade oferecidos.
Resumo
O desenvolvimento de um dispositivo limitador de corrente de falta supercondutor do tipo
resistivo de design modular é o principal objetivo desta dissertação. As soluções de
engenharia para problemas crônicos deste tipo de limitador, dentre os quais podemos incluir
o método de injeção de corrente na cerâmica supercondutora, a dissipação joulica no interior
do criostato e a limitação na dimensão longitudinal das cerâmicas são abordadas na tentativa
de se conseguir um dispositivo eficiente e com grande resistência de limitação. Paralelamente
buscou-se criar e deixar disponível, para uso futuro, procedimentos e ferramental de testes
padronizados para realização de testes com limitadores de corrente supercondutores de alta
temperatura. Também foram demonstradas algumas topologias de limitadores que não são
eficazes para passagem de correntes elevadas. Por fim, testes práticos de limitação foram
realizados utilizando o limitador tipo pilha em configuração mono-camada. Simulações de
limitação de corrente com o limitador tipo pilha operando em configuração multi-camada
concluem a apresentação do dispositivo proposto demonstrando a sua superioridade com
relação aos dispositivos resistivos convencionais.
Palavras-chaves: Supercondutor, Dispositivo limitador de corrente de falta supercondutor.
Abstract
The development of a superconducting fault current limiter device of resistive type with
modular design was the main purpose of this thesis. As an attempt of reaching an efficient
device that shows high limitation electrical resistance, current problems involving this
particular kind of limiter were detailed such as: superconductor sample current injection
technique, power losses inside the cryostat and limitation of the longitudinal dimension of the
superconductor chip. Additionally, standard analysis procedures and hardware were created
and left available for future use with a variety of superconducting fault current limiter types.
All the development process that led to the definitive device configuration was presented
including the devices that weren’t effective when working with higher current levels. Finally,
practical current limitation experiments were carried out at a “stack” type device configured
as “mono-layer” limiter. In order to demonstrate the advantages of the proposed device in
comparison with the conventional devices, simulations of current limitation of the stack
device configured as multi-layer were conducted concluding the study.
Key words: Superconductor, Superconductor fault current limiter device
Sumário
Lista de Figuras
Lista de Tabelas
Capítulo 1: Introdução....................................................................................... 17
1.1 Objetivos.......................................................................................................................18
1.2 Desenvolvimento da Dissertação..................................................................................19
Capítulo 2: Teoria da Supercondutividade........................................................ 20
2.1 Um Breve Resumo Sobre a História da Supercondutividade........................................20
2.2 Os Supercondutores de Alta T
c
.....................................................................................22
2.3 Supercondutores a Base de Mercúrio...........................................................................24
2.4 A História dos Cupratos Dopados com Rênio..............................................................25
Capítulo 3: Limitadores de Corrente de Falta...................................................28
3.1 Reator com Núcleo de Ar.............................................................................................29
3.2 Dispositivos Pirotécnicos .............................................................................................31
3.3 HVDC (High Voltage Direct Current).........................................................................32
3.4 IPC (Interphase Power Controller)..............................................................................33
3.5 Tecnologia FACTS (Flexible AC Transmission Systems)............................................34
3.6 Disjuntores Eletrônicos de Rápida Interrupção............................................................36
3.7 Limitadores de Corrente Supercondutores...................................................................37
3.7.1 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Resistivo...............................38
3.7.2 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Indutivo – Núcleo
Blindado ..........................................................................................................................39
3.7.3 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Indutivo – Secundário
Supercondutor..................................................................................................................40
3.8 Dispositivo Limitador Desenvolvido............................................................................41
Capítulo 4: Metodologia e Instrumentação para Testes de Limitação de
Corrente..............................................................................................................42
4.1 Circuito de Testes.........................................................................................................42
4.2 Interface de Gatilhamento de Curto Circuito ...............................................................44
4.3 Software SUPERA........................................................................................................46
4.4 Software de Tratamento de Curvas...............................................................................48
Capítulo 5: Projeto do Dispositivo Limitador de Corrente de Falta
Supercondutor .................................................................................................... 52
5.1 Introdução.....................................................................................................................52
5.2 Dispositivo Limitador por Cerâmica Tipo Paralelepípedo.......................................... 52
5.2.1 Projeto....................................................................................................................52
5.2.2 Execução................................................................................................................53
5.2.3 Testes e Resultados................................................................................................54
5.2.4 Análise dos Resultados..........................................................................................56
5.3 Dispositivo Limitador do Tipo Camada Depositada....................................................59
5.3.1 Projeto....................................................................................................................59
5.3.2 Execução................................................................................................................60
5.3.3 Testes e Resultados................................................................................................61
5.3.4 Análise dos Resultados..........................................................................................62
5.4 Dispositivo Limitador por Cerâmica Tipo Pilha..........................................................65
5.4.1 Projeto....................................................................................................................65
5.4.2 Execução................................................................................................................70
5.4.3 Testes e Resultados................................................................................................72
5.4.4 Análise dos Resultados..........................................................................................75
Capítulo 6: Limitador Supercondutor Resistivo Tipo Pilha Monocamada....... 76
6.1 Introdução.....................................................................................................................76
6.2 Testes............................................................................................................................76
6.3 Resultados.....................................................................................................................77
Capítulo 7: Limitador Supercondutor Resistivo Tipo Pilha Multicamada....... 87
7.1 Introdução.....................................................................................................................87
7.2 Resultados da Simulação..............................................................................................87
Capítulo 8: Conclusões...................................................................................... 92
8.1 Introdução.....................................................................................................................92
8.2 Cerâmicas Supercondutoras .........................................................................................92
8.3 Injeção de Corrente.......................................................................................................93
8.4 Bancada de Testes ........................................................................................................93
8.5 Próximos Trabalhos......................................................................................................94
Referências Bibliográficas ................................................................................. 95
Lista de Figuras
Figura 2.1 Desenvolvimento cronológico das descobertas de novos supercondutores
e suas respectivas temperaturas de transição, conforme Tabela 2.1.................................24
Figura 2.2 Estruturas cristalinas da família HgBa2Can-1CunO2n+2+δ - Hg - 12(n –
1)n. Da esquerda para a direita temos n = 1, n = 2, n = 3 e n = 4, sendo a TC
indicado abaixo da estrutura. Todas estruturas têm simetria P4/mmm e os planos
de CuO são ressaltados
.. ...................................................................................................25
Figura 2.3 Célula unitária dos compostos Hg-1223 e Hg,Re-1223. As respectivas
temperaturas de transição encontram-se indicadas abaixo da estrutura............................26
Figura 3.1 Reatores limitadores de corrente de núcleo de ar – SE Mogi das Cruzes
345 kV [34].......................................................................................................................29
Figura 3.2 Ligação típica de um reator limitador de núcleo de ar [34].................................29
Figura 3.3 Limitador pirotécnico – Trench USA [34]...........................................................31
Figura 3.4 Linha de transmissão utilizando HVDC. .............................................................32
Figura 3.5 Esquema de ligação de um IPC em uma subestação [35]....................................33
Figura 3.6 Esquema de ligação de um limitador utilizando tecnologia FACTS [39]. ..........35
Figura 3.7 Esquemático de montagem física de um limitador utilizando tecnologia
FACTS montado em Vincent - Califórnia [39]. ...............................................................36
Figura 3.8 Circuito equivalente de um limitador resistivo....................................................38
Figura 3.9 Núcleo de ferro blindado por um tubo supercondutor – invisível para o
fluxo magnético quando em estado supercondutor [43]...................................................39
Figura 3.10 Fluxo magnético penetra o núcleo de ferro no estado resistivo, refletindo
a impedância do enrolamento secundário para o circuito [43].........................................40
Figura 3.11 Esquema de limitador indutivo com anel secundário supercondutor[44]..........41
Figura 4.1 Arranjo do circuito para teste com supercondutor inserido.................................42
Figura 4.2 Arranjo do circuito para teste com resistores de comparação..............................44
Figura 4.3 Circuito do gatilhador. .........................................................................................45
Figura 4.4 Interface de gatilhamento ou simulador de curto.................................................45
Figura 4.5 Janela de introdução – Software SUPERA..........................................................46
Figura 4.6 Janela de operação – Software SUPERA.............................................................47
Figura 4.7 Exemplo de curva de tensão capturada do osciloscópio......................................49
Figura 4.8 Exemplo de curva de tensão capturada do osciloscópio após tratamento
em ambiente Matlab..........................................................................................................50
Figura 4.9 Curva antes do tratamento (azul) sobre curva após tratamento (vermelha).........50
Figura 5.1 Arranjo para supercondutor tipo paralelepípedo..................................................53
Figura 5.2 Execução do dispositivo com cerâmica tipo paralelepípedo. ..............................53
Figura 5.3 Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado
em 06/08/2009. .................................................................................................................55
Figura 5.4 Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado
em 12/08/2009. .................................................................................................................55
Figura 5.5 Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado
em 13/08/2009. .................................................................................................................56
Figura 5.6 Representação da passagem da corrente na ponta tipo paralelepípedo
antes da vaporização.........................................................................................................57
Figura 5.7 Representação da ponta tipo paralelepípedo após a vaporização. .......................58
Figura 5.8 Representação da ponta tipo camada depositada.................................................60
Figura 5.9 Execução do dispositivo com supercondutor tipo camada depositada................60
Figura 5.10 Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste
realizado em 20/08/2009...................................................................................................62
Figura 5.11 Distribuição da passagem de corrente no dispositivo tipo camada
depositada com a cerâmica em estado supercondutor. .....................................................63
Figura 5.12 Demonstração da passagem de corrente no dispositivo tipo camada
depositada com pastilha em estado resistivo. ...................................................................64
Figura 5.13 Demonstração da passagem de corrente no dispositivo tipo camada
depositada com pastilha em estado resistivo e supercondutor danificado........................64
Figura 5.14 Vista explodida do limitador tipo pilha. ............................................................66
Figura 5.15 Corpo externo do dispositivo.............................................................................67
Figura 5.16 Vista da tampa superior do dispositivo com os elementos internos
montados...........................................................................................................................68
Figura 5.17 Conjunto montado com quatro pastilhas supercondutoras. ...............................68
Figura 5.18 Conjunto montado com capacidade máxima de pastilhas
supercondutoras. ...............................................................................................................69
Figura 5.19 Dispositivo tipo pilha após a construção. ..........................................................70
Figura 5.20 Dispositivo tipo pilha após a construção (vista explodida)................................70
Figura 5.21 Dispositivo tipo pilha sendo inserido no criostato.............................................71
Figura 5.22 Dispositivo inserido no criostato. ......................................................................71
Figura 5.23 Resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de teste – Teste
realizado em 22/09/2009...................................................................................................72
Figura 5.24 Resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de teste – Teste
realizado em 23/09/2009...................................................................................................73
Figura 5.25 Gráfico de resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de teste –
Teste realizado em 23/09/2009.........................................................................................74
Figura 6.1 Fluxograma de testes com corrente do limitador tipo pilha.................................77
Figura 6.2 Curva I x t para corrente de pico de 630 mA.......................................................78
Figura 6.3 Curva I x t para corrente de pico de 1,16 A.........................................................79
Figura 6.4 Curva I x t para corrente de pico de 2,44 A.........................................................80
Figura 6.5 Curva I x t para corrente de pico de 4,94 A.........................................................81
Figura 6.6 Curva I x t para corrente de pico de 9,48 A.........................................................82
Figura 6.7 Curva I x t para corrente de pico de 13,29 A.......................................................83
Figura 6.8 Análise do momento da transição da cerâmica (curvas sobrepostas)..................84
Figura 6.9 Esquemático dos elementos do dispositivo limitador com respectivas
resistências elétricas..........................................................................................................85
Figura 7.1 Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada.............................88
Figura 7.2 Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada utilizando
16 pastilhas durante corrente de falta................................................................................89
Figura 7.3 Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada utilizando
uma cerâmica de altura 80 mm.........................................................................................91
Lista de Tabelas
Tabela 2.1 Relação dos supercondutores e suas respectivas temperaturas de
transição............................................................................................................................23
Tabela 3.1 Tipos de limitadores de corrente de falta e suas fases de desenvolvimento
[34]....................................................................................................................................28
Tabela 3.2 Vantagens e desvantagens do reator limitador com núcleo de ar........................30
Tabela 3.3 Vantagens e desvantagens do dispositivo pirotécnico.........................................32
Tabela 5.1 Dados do supercondutor tipo paralelepípedo.......................................................52
Tabela 5.2 Dados do supercondutor tipo camada depositada................................................59
Tabela 6.1 Teste 01 com corrente de pico de 630 mA. .........................................................78
Tabela 6.2 Teste 02 com corrente de pico de 1,16 A. ...........................................................79
Tabela 6.3 Teste 03 com corrente de pico de 2,44 A. ...........................................................80
Tabela 6.4 Teste 04 com corrente de pico de 4,94 A. ...........................................................81
Tabela 6.5 Teste 05 com corrente de pico de 9,48 A. ...........................................................82
Tabela 6.6 Teste 06 com corrente de pico de 13,29 A. .........................................................83
Tabela 7.1 Teste utilizando dispositivo multi-camada com 16 cerâmicas de Mercúrio.........88
Tabela 7.2 Teste utilizando dispositivo multi-camada com cerâmica única de 80 mm
de altura.............................................................................................................................90
Capítulo 1: Introdução
O setor elétrico brasileiro está em permanente evolução, fruto tanto de mudanças
legais e normativas quanto do avanço tecnológico. É um desafio levar energia elétrica a
mais de 61 milhões de consumidores espalhados num território de dimensões
continentais. O Brasil superou no ano de 2007 a marca de 100 mil megawatts (MW) em
potência instalada (75% de fonte hídrica e 25% de fonte térmica). E muito ainda pode
ser feito para expandir o parque hidroelétrico, já que menos de 30% foi aproveitado.
Em 2008 realizou-se o primeiro leilão de biomassa, energia gerada pela queima
do bagaço de cana-de-açúcar neste caso. Para isso foi necessário licitar novas
instalações de conexão à rede básica, para escoamento da energia produzida pelas
usinas de cana-de-açúcar localizadas na região Centro Oeste do Brasil.
Numa escala ainda reduzida e experimental, têm sido criados incentivos à
produção de energia pela queima do lixo urbano e pela utilização do metano associado a
dejetos de suínos. Ambos os projetos apontam o caminho da correta sustentabilidade
ambiental ao unir a despoluição das cidades e dos rios à geração de energia elétrica.
O equilíbrio entre oferta e demanda não é alcançado apenas aumentando a
oferta. É possível e desejável atuar também pelo lado da demanda. Nesse sentido, é de
grande relevância a busca da eficiência energética. Os projetos apresentados pelas
distribuidoras de energia elétrica nessa área, desde o início do primeiro ciclo em 1998,
totalizam investimentos de mais de R$ 1,93 bilhão. Projetos aprovados pela Agência
Nacional de Energia Elétrica (Aneel) já atingiram uma economia de redução anual na
ordem de 5.597 GWh/ano no consumo de energia elétrica. O setor finalizou o ano de
2008 com o leilão da maior linha de transmissão do mundo, uma conexão elétrica de
2.400 km das usinas do Complexo do rio Madeira com o Sistema Interligado Nacional
[1].
É neste contexto que se faz imprescindível, cada vez mais, o desenvolvimento de
sistemas de proteção contra faltas que sejam eficientes e que operem com baixo custo.
No âmbito deste trabalho, será tratada exclusivamente a questão dos limitadores de
corrente de falta que são dispositivos destinados a diminuir o nível de corrente elétrica
na rede durante um curto circuito, preservando, assim, os equipamentos a ela
conectados. Dentre os dispositivos limitadores de corrente de falta, aqueles que usam
18
cerâmicas supercondutoras serão aqui investigados, ou seja, os dispositivos limitadores
de corrente de falta supercondutores (DLCFS).
1.1 Objetivos
Este trabalho propõe primariamente a construção de um DLCFS que apresente
parâmetros próximos das aplicações reais no sistema elétrico em termos de nível de
corrente, tensão, potência e capacidade de limitação.
Propõe-se também a construção de um dispositivo limitador que comporte vários
tipos diferentes de cerâmicas supercondutoras em um mesmo corpo de maneira a tornar
o dispositivo modular e que possa ser adaptado de acordo com a sua aplicação. Além
disso, a acomodação de cerâmicas de composições diferentes cria perfis de operação
específicos para cada limitador, abrindo a possibilidade de se projetar gradientes
funcionais para o limitador, como, por exemplo, níveis de limitação diferentes em
função de correntes instantâneas diferentes. Em outras palavras, procurou-se criar um
dispositivo que apresente uma variação de resistência significativa (da ordem de 5 Ω)
com capacidade de corrente elevada.
Detalhes técnicos sobre a produção e as características das cerâmicas
supercondutoras são abordados superficialmente focando estritamente aqueles aspectos
que interferem ou afetam o desempenho do DLCFS do ponto de vista de engenharia.
Paralelamente, o trabalho objetiva criar uma bancada de testes padronizada para
possibilitar futuros trabalhos na área de DLCFS sem a necessidade de se empenhar
esforços no desenvolvimento das ferramentas de medição e análise permitindo, assim,
que o pesquisador mantenha o foco na parte mais importante deste tipo de trabalho, ou
seja, o desempenho das cerâmicas supercondutoras.
Tão importante quanto descrever os resultados positivos da pesquisa é o registro
das etapas as quais resultaram em dispositivos falhos e sem aplicação prática. Em outras
palavras, este trabalho também objetiva criar um registro dos tipos de dispositivos
(pontas) e composição química das cerâmicas supercondutoras que não são adequadas
para a construção de um limitador. É importante observar que nem toda a cerâmica que
apresenta ótima característica supercondutora servirá como um bom limitador de
corrente.
19
1.2 Desenvolvimento da Dissertação
O desenvolvimento da dissertação será realizado em 8 capítulos.
O Capítulo 1 trata da introdução do trabalho, situando o mesmo no contexto
atual de aplicações de engenharia elétrica e explicando seus objetivos.
O Capítulo 2 traz explicações sobre a teoria da supercondutividade, os
supercondutores de alta temperatura crítica e sua evolução. Também expõe
quantitativamente o fenômeno da supercondutividade e apresenta os modelos mais
aceitos para explicá-la.
O Capítulo 3 descreve sucintamente os principais tipos de limitadores de
corrente de falta em uso atualmente. São descritos limitadores convencionais (não-
supercondutores) e limitadores supercondutores.
O Capítulo 4 introduz a metodologia e o ferramental utilizado nos testes dos
supercondutores demonstrando todos os detalhes técnicos de construção e aplicação da
bancada de testes e os programas de interpretação dos resultados.
O Capítulo 5 mostra todo o desenvolvimento de um projeto eficiente para um
limitador de corrente de alta resistência e alta capacidade de corrente. Este Capítulo
também deixa registradas todas as etapas de evolução até a fase final, na qual um
limitador apropriado é finalmente projetado.
A versão final do limitador projetado é então testada efetivamente com uma
cerâmica supercondutora real e no Capítulo 6 os resultados provenientes de testes
práticos são mostrados.
O Capítulo 7 promove uma simulação detalhada dos resultados da utilização do
limitador final munido de sua capacidade de limitação máxima (16 pastilhas
supercondutoras associadas em série). Também traz a comparação dos resultados entre
esta simulação e os resultados reais obtidos no capítulo anterior.
Por fim, o Capítulo 8 traz as conclusões sobre os resultados do trabalho,
descreve as vantagens e desvantagens do limitador estudado e sugere futuros trabalhos
com topologias diferentes para os dispositivos limitadores.
20
Capítulo 2: Teoria da Supercondutividade
2.1 Um Breve Resumo Sobre a História da
Supercondutividade
Três anos depois de liquefazer o gás de Hélio pela primeira vez (1911), Heike
Kammerling Onnes estava estudando o comportamento da resistência elétrica do
mercúrio (Hg) com a diminuição da temperatura, quando ao atingir a temperatura de
4,19 K a resistência caiu abruptamente para valores incomensuráveis em seu sistema de
medida [2]. Esta observação experimental confirmou ser característica de uma transição
de fase de um estado no qual a matéria apresenta resistência elétrica para um estado
com resistência nula. Este estado foi chamado estado supercondutor. Uma vez que a
queda da resistência ocorreu de forma descontínua (a transição de estado se apresentou
sem a existência de calor latente) a temperatura relacionada a essa transição de fase foi
denominada de temperatura crítica de transição, T
C
. Sabe-se que um supercondutor
deixa seu estado de resistência elétrica nula quando o valor de pelo menos um dos seus
parâmetros críticos se excede. Estes parâmetros são: Temperatura, campo
eletromagnético e densidade de corrente os quais devem respeitar aos valores limites
temperatura crítica (T
C
), campo crítico (H
C
) e densidade de corrente crítica (J
C
)
respectivamente.
Em 1933, Meissner e Ochenfeld [3] descobriram que se uma substância
supercondutora for esfriada abaixo de sua temperatura crítica na presença de um campo
magnético aplicado, ela expulsa todo e qualquer fluxo magnético de seu interior. Se o
campo for aplicado depois que a substância estiver abaixo da T
C
, o fluxo é excluído
também. Esta propriedade foi denominada de Efeito Meissner, a qual caracteriza um
novo estado termodinâmico.
Uma teoria foi desenvolvida (1935) pelos irmãos Fritz e Heinz London [4] para
explicar essas duas propriedades. Entretanto, a primeira sugestão de um entendimento
teórico do fenômeno da supercondutividade veio em 1950 quando V. L. Ginzburg e L.
D. Landau [5] propuseram sua teoria fenomenológica. Esta teoria teve o mérito de
ressaltar o fato básico de que a supercondutividade teria de ser entendida como um
21
fenômeno macroscópico de natureza cooperativa. Segue como consequência natural da
teoria de Ginzburg-Landau (GL) a obtenção das equações de London [4].
No mesmo ano de 1950, H. Fröhlich publicou um trabalho no qual era sugerido
uma correlação microscópica entre a massa dos íons na rede e a T
C
[6], isto é, havia
uma interação entre elétrons e a rede cristalina mediada por fônons.
Em 1956, Cooper [7] demostrou que dois elétrons interagindo logo abaixo do
nível de Fermi poderiam apresentar um estado ligado na presença de uma interação
atrativa fraca. Nesse modelo ele indicava a formação de pares de elétrons, hoje
denominados de pares de Cooper.
Logo após essa publicação, J. Bardeen, L. Cooper e J. R. Schrieffer [8]
propuseram uma teoria microscópica da supercondutividade na qual assumiam a
existência de pares de elétrons ligados, que formavam uma super corrente e um gap de
energia formado entre o estado normal e o estado supercondutor. Satisfatoriamente, as
teorias de Ginzburg-Landau e London foram reproduzidas pela teoria de Bardeen,
Cooper e Schrieffer, hoje conhecida como Teoria BCS.
Desde então, vários pesquisadores vêm se esforçando para produzir materiais
com o propósito de obter os valores mais altos possíveis da temperatura de transição
(T
C
), visando aplicações tecnológicas. Apesar desta procura, nenhuma temperatura
crítica maior que 30 K foi atingida por mais de setenta anos desde o descobrimento
inicial da supercondutividade.
Em abril de 1986, um novo tipo de supercondutor foi descoberto por J. G.
Bendnorz e K. A. Müller [9] que publicaram um trabalho intitulado Possible High T
C
Superconductivity. Começa, então, a era da supercondutividade de altas temperaturas
críticas. Muitos pesquisadores não acreditaram neste novo composto visto que em anos
antecedentes vários erros de interpretação de resultados foram cometidos em outras
publicações. Entretanto, os resultados de Bendnorz e Müller foram reproduzidos por um
grupo de pesquisadores do Japão [10] e por um grupo de pesquisadores americanos
[11]. Rapidamente outros grupos iniciaram pesquisas nesta área fazendo surgir novas e
mais altas temperaturas críticas com sucesso.
22
2.2 Os Supercondutores de Alta T
C
Em 1987, foram produzidos compostos a base de Lantânio (LaBaCuO) com
temperaturas críticas próximas de 40 K à pressão atmosférica [12, 13]. Ao se aplicar
pressão externa hidrostática sobre esse tipo de cerâmica supercondutora obteve-se uma
nova temperatura de transição em torno de 52 K [14]. Este mesmo grupo de pesquisa
fez uma série de substituições químicas usando átomos com raios iônicos menores,
procurando causar uma pressão química na posição ocupada pelo Lantânio (La+3). Este
procedimento mais tarde resultou no surgimento do sistema ítrio (YBaCuO) [15, 16],
cuja T
C
é aproximadamente 92 K.
Assim, no mesmo contexto, estudos de substituições químicas levaram em 1993
à descoberta de compostos da família HgBaCaCuO, que à pressão atmosférica
apresentam uma temperatura crítica de até 135 K [17, 18], e ao se aplicar nestes
materiais pressão hidrostática externa, a T
C
atingiu valores da ordem de 160 K [19].
Sabe-se que a pressão externa hidrostática provoca nesses compostos um incremento da
ordem de 30 K na temperatura de transição. Isto revela ser possível encontrar novos
compostos que atinjam temperaturas críticas maiores. Para tanto, usa-se a substituição
química de outros elementos nos compostos atuais, gerando com isso a possibilidade de
encontrar novos compostos com maiores T
C
.
No ano de 2008 pesquisadores do Japão descobriram um novo composto a base
de ferro e arsênio (LaOFeAs) que apresenta temperatura crítica de 26K, sendo que com
substituição de Sm no sítio de Lantânio tem-se uma temperatura crítica de 50K [20].
Considerando apenas a cronologia das descobertas, pode-se classificar o período
de 1930 a 1986 como bem representado pela supercondutividade das ligas a base de
Nióbio tendo o modelo BCS com orbitais do tipo s e interação elétron-fônon. A partir
de 1986, passa-se a lidar com supercondutores a base de óxido de cobre e os orbitais
passam a ser do tipo p e d com hibridizações. Nesses supercondutores a base de óxido a
interação entre os portadores não é bem estabelecida, gerando uma variedade de
interpretações. Por outro lado, um novo composto a base de boro (B) [20], com a
temperatura crítica de transição de aproximadamente 40 K, a princípio pode ser descrito
pela teoria BCS com possibilidade de aumentar T
C
quando submetido a pressão
hidrostática externa. Pode-se analisar a Tabela 2.1 a seguir a fim de comparar os mais
23
representativos compostos e suas respectivas temperaturas críticas bem como o ano de
descoberta.
Tabela 2.1 – Relação dos supercondutores e suas respectivas temperaturas de transição [21].
Número Composto T
C
(K) Ano
1 Hg 4,2 1911
2 Pb 7,2 1913
3 Nb 9,2 1930
4 NbN
0,96
15,2 1950
5 Nb
3
Sn 18,1 1954
6 Nb
3
(Al
0,75
Ge
0,25
) 20-21 1966
7 Nb
3
Ga 20,3 1971
8 Nb
3
Ge 23,2 1973
9 Ba
x
La
5-x
Cu
5
O
y
30-35 1986
9ª (Ba
0,1
La
0,9
)Cu
4-d
com pressão 1 GPa 52 1986
10
YBa
2
Cu
3
O
7-δ
92 1987
11 Bi
2
Sr
2
Ca
2
Cu
3
O
10
110 1988
12 Tl
2
Sr
2
Ca
2
Cu
3
O
10
125 1988
12ª Tl
2
Sr
2
Ca
2
Cu
3
O
10
com pressão de 7 GPa 131 1993
13 HgBa
2
Ca
2
Cu
3
O
8+d
133 1993
14 HgBa
2
Ca
2
Cu
3
O
8+d
com pressão 25 GPa 155 1993
14ª HgBa
2
Ca
2
Cu
3
O
8+d
com pressão 30 GPa 164 1994
14b (Hg
0,8
Pb
0.2
)Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8+d
134 1994
14c (Hg
0,8
Re
0.2
)Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8+d
134 1995
15 MgB
2
40 2001
16 SmO(x)FeAs 50 2008
De forma esquemática pode-se ver na Figura 2.1 o avanço da temperatura crítica
de transição T
C
obtido ao longo dos anos, sem o uso da pressão externa hidrostática.
24
Figura 2.1: Desenvolvimento cronológico das descobertas de novos supercondutores e suas respectivas temperaturas
de transição, conforme Tabela 2.1.
As temperaturas críticas acima da linha do Nitrogênio líquido (77K) representam
um marco histórico, no que se refere à aplicabilidade dos supercondutores, já que o litro
do N
2
é 100 vezes mais barato do que o He líquido, usado para esfriar os
supercondutores à base de Nióbio que possuem temperaturas críticas mais baixas.
2.3 Supercondutores a Base de mercúrio
Em 1991, S. N. Putilin e outros [22] sintetizaram os primeiros compostos da
família HgBa
2
Ca
n-1
Cu
n
O
2n + 2 + δ
- Hg - 12(n-1)n. A partir daí, novos cupratos desta série
foram desenvolvidos através de uma exaustiva investigação realizada por vários grupos
de pesquisa.
Nota-se que oito décadas depois da descoberta da supercondutividade no
mercúrio (Hg) metálico, este volta a ser um tema central de pesquisa, porém desta vez
combinado com outros elementos químicos. Agora são utilizados óxidos metálicos para
formar um composto cerâmico que possui maior temperatura crítica à pressão
atmosférica.
1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
0
20
40
60
80
100
120
140
160
(77 K)
Linha do Nitrogênio Líquido
15
14c
14b
13
12
11
10
9
8
7
6
5
3
2
4
1
Temperatura Crítica (K)
Ano
25
2.4 A História dos Cupratos Dopados com Rênio
E. M. Kopnin et al. [23] observaram, em cerâmicas supercondutoras a base de
mercúrio (Hg-1223), oriundas de carbonatos tratados termicamente, que a T
C
diminuía e
apresentavam a fase Hg-1234 (n = 4). A causa responsável por esse problema era a
entrada do carbono na posição do mercúrio, que provocava distorções locais na camada
de CuO
2
[25].
Na Figura 2.2 mostra-se uma estrutura típica da série HgBa
2
Ca
n-1
Cu
n
O
2n+2+δ
com
n = 1, 2, 3 e 4. Estas estruturas devem ser analisadas com cuidado para entender a
formação do composto.
Figura 2.2: Estruturas cristalinas da família HgBa
2
Ca
n-1
Cu
n
O
2n+2+δ
- Hg - 12(n – 1)n. Da esquerda para a direita
temos n = 1, n = 2, n = 3 e n = 4, sendo a T
C
indicado abaixo da estrutura. Todas estruturas têm simetria P4/mmm e
os planos de CuO são ressaltados.
Para solucionar o problema causado pelo carbono, pesquisadores propuseram a
substituição do Hg por um cátion de mais alta valência a fim de estabilizar a estrutura
dessa família. Shimoyama et al. [26] introduziram vários dopantes na fase
supercondutora a base de mercúrio, sendo que eles encontraram que o melhor dopante
era o Rênio (Re).
Ca
Ba
Cu
Hg
O
Hg-1201
Hg-1234
Hg-1223
Hg-1212
97K
127K
134K
128K
26
Yamura et al. [27] foram os primeiros autores a indicar uma clara tendência do
Re de se ligar e substituir o sítio ocupado pelo Hg, como tentado pelo grupo de
Shimoyama et al. [26]. Para melhor visualização desta estrutura veja a Figura 2.3. A
adição parcial de Re no lugar do Hg evita a contaminação de carbono, tornando a fase
supercondutora mais resistente à contaminação do CO
2
, chamado de processo de
envelhecimento.
Figura 2.3: Célula unitária dos compostos Hg-1223 e Hg,Re-1223. As respectivas temperaturas de transição
encontram-se indicadas abaixo da estrutura.
Várias pesquisas foram realizadas para saber a concentração de Re mais
adequada para a produção de cerâmicas supercondutoras com as melhores propriedades
físicas [28, 29]. Sabe-se que a concentração de 18% nominal é a que produz maior
temperatura crítica e maior intensidade de blindagem magnética [30, 31, 32, 33, 34].
Esta concentração nominal na verdade corresponde a uma concentração real de 23% Re,
o que se aproxima do limite de solubilidade do Re no Hg, que é de 30%. Neste trabalho,
realizou-se um estudo sistemático da concentração de oxigênio em cerâmicas
Ca
Ba
Cu
Hg
O
Re
Hg-1223
134K
Hg,Re-1223
134K
27
supercondutoras com concentrações nominais de Re iguais a 18%. Seguindo a mesma
idéia de Sin et al. [28], procurou-se restringir o intervalo de variação do oxigênio entre
0% e 20%, produzindo cerâmicas supercondutoras com teor de O
2
controlado,
melhorando as características da cerâmica.
A primeira cerâmica analisada neste trabalho é um supercondutor com base em
ítrio de composição YBa
2
Cu
3
O
7
. A segunda cerâmica se trata de um filme fino de
supercondutor com base em Rênio de composição Re
0.2
Ba
2
Ca
2
Ca
2
Cu
3
O
5+x
depositado
sobre um substrato não-supercondutor de composição PrBa
2
Cu
3
O
7
. Por fim, é
investigada a cerâmica com base em mercúrio de composição Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
.
28
Capítulo 3: Limitadores de Corrente de Falta
Limitadores de corrente de falta são todos os dispositivos, eletrônicos ou eletro-
mecânicos, destinados a diminuir ou interromper a corrente de falta no circuito onde o
mesmo encontra-se instalado.
As principais características que se desejam para estes dispositivos são [35]:
• Impedância pequena em condições normais de operação;
• Impedância alta sob condição de falta;
• Transição rápida entre os regimes normal e sob falta, após a ocorrência de uma
falta;
• Recuperação rápida para o regime normal de operação, após a interrupção da
falta;
• Alta confiabilidade e manutenção mínima;
• Dimensões reduzidas, visando sua instalação em SEs existentes;
• Baixo custo.
A Tabela 3.1 classifica os tipos de limitadores de corrente de falta convencionais
de acordo com sua fase de desenvolvimento atual.
Tabela 3.1 – Tipos de limitadores de corrente de falta e suas fases de desenvolvimento [35].
Limitadores de corrente de
falta disponíveis no mercado
com ampla experiência de uso
Limitadores de corrente de
falta disponíveis no mercado
com experiência de uso ainda
limitada
Limitadores de corrente de
falta em fase de pesquisa e
desenvolvimento
Reator com núcleo de ar
IPC (Interphase Power
Controller)
Disjuntores com
interrupção rápida (chaves
eletrônicas)
Dispositivo pirotécnico
Dispositivo com tecnologia
FACTS
HVDC HVDC Light
29
3.1 Reator com Núcleo de Ar
Dispositivos limitadores utilizando reatores de núcleo de ar constituem a solução
mais tradicional para limitação de correntes de falta em média e alta tensão no sistema
elétrico. São dispositivos que trabalham através de uma acentuada limitação no nível
CC da corrente de curto circuito [36]. A Figura 3.1 mostra um reator real em uma
subestação, onde a ligação típica do reator limitador de corrente de falta é mostrada na
Figura 3.2.
Figura 3.1: Reatores limitadores de corrente de núcleo de ar – SE Mogi das Cruzes 345 kV [35].
Figura 3.2: Ligação típica de um reator limitador de núcleo de ar [35].
30
A Tabela 3.2 demonstra as vantagens e desvantagens deste tipo de limitador.
Tabela 3.2: Vantagens e desvantagens do reator limitador com núcleo de ar.
Vantagens Desvantagens
Baixo custo de aquisição e instalação
Custos operacionais ao longo do tempo de
operação causados por perdas inerentes ao
limitador.
Diminuição dos investimentos na
aquisição dos outros componentes do
sistema elétrico devido à redução no nível
da corrente de curto do sistema.
Queda de tensão introduzida pelo
limitador na linha.
Tecnologia de amplo domínio
Elevado fluxo magnético gerado pelo
limitador demandando amplo
espaçamento físico para instalação.
Fabricantes nacionais fornecendo em
tempo reduzido.
Uma característica importante a ser observada é que a impedância introduzida
por este limitador está sempre presente no circuito mesmo em operação normal. Outro
aspecto interessante é a dispersão do fluxo magnético causado pelas bobinas deste
dispositivo. Como não há um núcleo ferro-magnético para centralizar as linhas de fluxo,
estas acabam interferindo com os objetos ao redor do limitador. Cuidados especiais
devem ser tomados com outros dispositivos metálicos próximos ao reator, pois podem
apresentar sobreaquecimento devido à indução eletromagnética. Até mesmo a armação
metálica do prédio da subestação que contém os dispositivos pode ser afetada por
correntes induzidas e sobreaquecer.
A determinação da reatância do dispositivo é efetuada, em geral, através de
estudos de curto-circuito, fluxo de potência e transitórios eletromagnéticos, sempre
levando em consideração os limites de tecnologia de cada fabricante. Em função do
valor de reatância do reator, calculam-se ainda os valores de quedas de tensão e as
perdas introduzidas na rede, utilizando também programas de fluxo de potência [36].
31
3.2 Dispositivos Pirotécnicos
Dispositivos pirotécnicos consistem de um elemento fusível de alta tensão em
paralelo com um barramento de grande seção transversal. Esses fusíveis são
especialmente desenvolvidos para ter uma capacidade de absorção de energia muito
maior do que a maioria dos fusíveis comerciais encontrados para atender ao mesmo
nível de corrente nominal. Durante operação normal, o barramento conduz a maior parte
da corrente da carga e uma parcela bem pequena desta flui pelo fusível. Isto é devido a
relativamente alta impedância do fusível quando comparada à impedância do
barramento.
Quando uma falta ocorre no circuito, um transformador de corrente detecta a
corrente de curto e dispara cargas explosivas, também conhecidas como cargas
pirotécnicas. Esta explosão controlada no interior da câmara onde se encontra o
barramento principal separa o mesmo em cinco seções deixando quatro espaços vazios
entre estas seções. A tensão do arco resultante da abertura destes quatro espaços vazios
causa uma rápida transferência de corrente para o fusível de alta tensão. O fusível se
rompe e interrompe a corrente de curto em ¼ de ciclo para casos de faltas simétricas ou
em até ½ ciclo para casos de correntes de falta completamente assimétricas [37]. A
Figura 3.3 mostra um dispositivo pirotécnico comercial.
Figura 3.3: Limitador pirotécnico – Trench USA [35].
32
A Tabela 3.3 apresenta as vantagens e desvantagens deste tipo de limitador.
Tabela 3.3: Vantagens e desvantagens do dispositivo pirotécnico.
Vantagens Desvantagens
Rápida extinção da corrente de falta em
tempos menores do que ½ ciclo.
Alto valor de reposição após falta uma vez
que a câmara do barramento principal e o
fusível devem ser substituídos.
Alta capacidade dos fusíveis de ruptura
geralmente com até 210 kA.
Limitação tecnológica em termos de
tensão comercialmente disponível.
Atualmente é comum encontrar
dispositivos que operam até 40kV.
Baixíssima impedância inserida no
circuito em funcionamento normal.
3.3 HVDC (High Voltage Direct Current)
Uma linha de transmissão em HVDC usualmente consiste em dois cabos e duas
estações conversoras. Cada estação conversora é composta por um conversor de tensão,
ou um voltage source converter (VSC), o qual é construído com chaves estáticas,
reatores, filtros AC e transformadores como mostrado na Figura 3.4.
Figura 3.4: Linha de transmissão utilizando HVDC.
Através da utilização de modulação por largura de pulso (PWM), a amplitude,
ângulo de fase e até mesmo a frequência do conversor de tensão podem ser ajustados
simultaneamente.
Embora o sistema HVDC não seja primordialmente um dispositivo destinado a
limitação de corrente, sua crescente utilização em linhas de transmissão e sua
capacidade de controlar eletronicamente o nível de corrente que está sendo entregue ao
33
circuito o faz digno de menção. Nos sistemas HVDC convencionais, existe uma função
de controle bem conhecida que é denominada Voltage Dependent Current Order
Limiter (VDCOL). O propósito desta função é evitar instabilidades de tensão e potência
durante situações de falta na rede AC. Graças ao VDCOL, o nível de corrente fornecido
pelo sistema HVDC diminui quando a tensão AC se reduz durante a ocorrência de uma
falta [38]. Esta função permite que este sistema trabalhe com uma grande capacidade de
limitação de corrente de falta e resposta rápida.
O sistema HVDC Light criado pela ABB foi uma evolução do sistema HVDC
convencional e foi desenvolvido para atender a demandas ambientais e econômicas
mais atuais. É um sistema mais moderno que utiliza IGBT em seu conversor ao invés de
tiristores de alta tensão como eram utilizados no HVDC original.
3.4 IPC (Interphase Power Controller)
O IPC se constitui de elementos convencionais como capacitores, indutores e
transformadores defasadores os quais, quando conectados convenientemente ao sistema
de potência, podem realizar as seguintes funções [39]:
• Interligação entre sistemas síncronos;
• Controle do fluxo de potência entre linhas de transmissão;
• Interligação de redes assíncronas;
• Limitação de corrente de falta.
Focando no tema específico da limitação de corrente de falta, a Figura 3.5
exemplifica a ligação de um IPC em uma subestação.
Figura 3.5: Esquema de ligação de um IPC em uma subestação [36].
34
Um ramo composto por um transformador defasador ajustável em série com um
capacitor controla a amplitude e fase da corrente I
2
. Este ramo fica instalado em paralelo
com os transformadores da subestação, representados pela impedância equivalente jX
L
e
submetidos à corrente I
1
. A correta configuração dos parâmetros do transformador
defasador e do valor do capacitor faz com que, em situação normal de funcionamento, o
ramo do IPC cause poucas perdas e interferências no circuito. Entretanto, em situação
de curto-circuito no barramento receptor, a corrente resultante I
r
que passará pela linha é
limitada, pois esta é resultado do somatório fasorial entre I
1
e I
2
. Em outras palavras, o
ramo do IPC provoca uma corrente I
2
de amplitude semelhante à corrente I
1
, porém
180º defasada, causando a anulação da corrente I
r
.
3.5 Tecnologia FACTS (Flexible AC Transmission Systems)
FACTS (Flexible AC Transmission Systems) é como se denomina a tecnologia
modular e fortemente baseada em eletrônica de potência sobre a qual são desenvolvidos
diversos equipamentos para o sistema de potência. A flexibilidade se encontra no fato
de que, a partir da popularização da eletrônica de potência, dispositivos eletromecânicos
custosos e ineficientes podem ser substituídos por soluções eletrônicas ágeis e mais
acessíveis [40].
Dentre os principais dispositivos FACTS encontrados, destacam-se [36]:
• Compensadores estáticos – SVC (Static Var Compensator);
• Reator controlado por tiristor – TCR (Thyristor Controlled Reactor);
• Capacitor chaveado por tiristor – TSC (Thyristor Switched Capacitor);
• Capacitor série chaveado por tiristor – TSSC (Thyristor Switched Series
Capacitor);
• Capacitor série controlado por tiristor – TCSC (Thyristor Controlled Series
Capacitor);
• Transformador defasador – PST (Phase Shift Transformer);
35
• Compensador Síncrono Estático – STATCOM (Static Synchronous
Compensator);
• Controlador universal de fluxo de potência – UPFC (Unified Power Flow
Controller).
• Compensador série protegido por tiristor – TPSC (Thyristor Protected Series
Compensator).
Dentre todas as possibilidades de aplicações da tecnologia FACTS, uma
topologia é especialmente vantajosa para os propósitos de limitação de corrente. Trata-
se da utilização de um compensador série protegido por tiristor, ou TPSC, em série com
um reator convencional, Figura 3.6.
Figura 3.6: Esquema de ligação de um limitador utilizando tecnologia FACTS [40].
Na compensação em série, um capacitor é utilizado para compensar a
impedância do reator criando uma impedância total nula para o dispositivo. Entretanto,
durante condições de transientes, correntes de curto-circuito causam altas tensões sobre
o capacitor, as quais devem ser limitadas para um valor específico. No passado, esta
limitação era provida por um para-raio montado em paralelo com o capacitor. Este
recurso está sendo substituído por tiristores de alta potência ligados em paralelo ao
capacitor, os quais são projetados e testados para correntes de pico de até 110 kA por
tempos suficientemente longos [40]. Uma vez que estes tiristores entram em condução,
ocorre o by-pass do capacitor e a impedância do reator limita a corrente de curto
circuito da linha. Garantindo-se uma perfeita sintonia entre o capacitor e o reator, o
dispositivo apresentará uma impedância alta apenas durante situação de curto-circuito.
Registros retirados de situações reais mostram que este tipo de limitador apresenta
velocidade de resposta próxima a dos limitadores supercondutores, ou seja, da ordem de
milissegundos.
36
Uma unidade deste limitador foi colocada em operação na subestação de Vincent
ao sul da Califórnia em uma linha de transmissão de 500 kV. A Figura 3.7 mostra o
esquemático da montagem física do limitador.
Figura 3.7: Esquemático de montagem física de um limitador utilizando tecnologia FACTS montado em Vincent -
Califórnia [40].
3.6 Disjuntores Eletrônicos de Rápida Interrupção
Disjuntores eletrônicos de rápida interrupção têm a mesma função que os
disjuntores eletromecânicos normais, porém o seu mecanismo de abertura do circuito é
eletrônico. Com o desenvolvimento da eletrônica de potência, os contatos móveis dos
disjuntores convencionais, os quais levam entre 1,5 e 4 ciclos para interromperem a
corrente de curto, foram substituídos por dispositivos de estado sólido como tiristores,
IGBT, SCR e GTO, os quais levam até 0,5 ciclo para cessar a condução [36].
Embora não esteja diretamente relacionado à limitação de corrente, os
disjuntores eletrônicos possuem a vantagem do fechamento controlado de maneira que
todas as fases comecem a conduzir no início de cada ciclo quando a corrente passa pelo
zero. Isto diminui os transitórios na rede e aumenta a vida útil do equipamento. Por
37
outro lado, a operação ininterrupta com semicondutores causa perdas e distorções
harmônicas que podem ser prejudiciais ao sistema [35].
3.7 Limitadores de Corrente Supercondutores
O uso de dispositivos limitadores de corrente de falta utilizando supercondutores
de alta temperatura crítica (Tc) vem sendo amplamente pesquisado tanto nos meios
acadêmicos quanto na indústria de equipamentos elétricos internacional [41].
No ano de 1996 foi colocado em operação um dos primeiros dispositivos
limitadores de corrente de falta supercondutor (DLCFS) para aplicações industriais [42].
Trata-se de um DLCFS instalado em uma usina hidrelétrica na Suíça, construído pela
empresa ABB, refrigerado a nitrogênio líquido, com tensão de operação de 10,5kV e
potência de 1MVA. Este dispositivo foi considerado o primeiro DLCFS utilizando
supercondutores de alta temperatura totalmente operacional e comercializável a ser
instalado em um sistema público de fornecimento de energia elétrica.
Alemanha, Reino Unido, Estados Unidos, Coréia do Sul e a China
representavam os países mais avançados na pesquisa com supercondutores de alta
temperatura para construção de DLCFS segundo dados de 2007 [43]. Também neste
ano, relatórios do Departamento de Energia dos Estados Unidos reportavam que 29
milhões de dólares estavam sendo investidos em três principais projetos de limitadores
para serem empregados na rede pública de energia daquele país [43].
Assim como em outros campos de tecnologia de ponta, os DLCFS de alta
temperatura encontram aplicações imediatas em equipamentos de propósitos militares,
principalmente para proteção dos circuitos elétricos de embarcações que utilizam
motores elétricos para locomoção (diesel-elétrico ou nuclear) dentre as quais se
encontram submarinos e cruzadores de alta velocidade [43].
Dentre as vantagens do DLCFS podem-se citar:
• Menor solicitação térmica, mecânica e eletrodinâmica dos equipamentos e
sistemas;
• Menor necessidade de equipamentos sobressalentes;
38
• Capacidade de limitar a corrente de falta sem causar interrupção no
fornecimento de energia elétrica para situações de curto-circuito de curta
duração;
• Tempo de resposta de limitação de corrente imediato;
• O fato de não ser necessário a instalação de circuitos eletrônicos de detecção de
falta, circuitos eletrônicos de disparo da proteção, ou mecanismos de
substituição de elementos fusíveis. As características físicas intrínsecas da
cerâmica supercondutora realizam todas estas funções sem necessidade de
acessórios;
Entretanto, por se tratar de uma tecnologia ainda incipiente em termos
comerciais, as principais desvantagens são de ordem econômica como alto custo de
projeto, instalação e manutenção. Existem várias configurações de DLCFS, entretanto,
duas vertentes são as mais exploradas [43]: Os limitadores resistivos e os limitadores
indutivos.
3.7.1 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Resistivo
Os limitadores resistivos são todos limitadores nos quais as cerâmicas
supercondutoras são submetidas à passagem da corrente de falta diretamente sobre si e
em sua totalidade. A passagem de uma corrente elétrica cujo valor excede a densidade
de corrente crítica da cerâmica provoca um aumento instantâneo da resistividade do
material cerâmico. Devido ao fato desta cerâmica ser ligada em série com o circuito a
ser protegido, a corrente total que o percorre sofre uma diminuição acentuada. Nestes
limitadores somente um dos três parâmetros físicos que caracterizam o estado
supercondutor é explorado, a saber: a densidade de corrente (J).
A Figura 3.8 exemplifica uma montagem básica de um DLCFS do tipo resistivo.
Figura 3.8: Circuito equivalente de um limitador resistivo.
39
A impedância do DLCFS do tipo resistivo pode ser considerada, em termos de
aproximação, como nula em caso de operação normal, ou sendo igual a Z
SC
no caso da
passagem da corrente de falta I
F
. Esta impedância adicional, inserida no circuito
automaticamente em caso de falta, é responsável pela limitação da corrente de falta.
3.7.2 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Indutivo – Núcleo
Blindado
Este limitador consiste de dois enrolamentos coaxiais sobrepostos e um núcleo
magnético. O enrolamento primário conectado em série ao circuito é feito de cobre e o
enrolamento secundário é feito de material supercondutor. Durante funcionamento
normal, como mostrado na Figura 3.9, o limitador é quase invisível para o circuito ao
qual ele está conectado. A resistência do enrolamento secundário é zero e o fluxo
magnético não penetra o núcleo ferro-magnético, pois o tubo supercondutor, o qual
também é o enrolamento secundário, age como uma blindagem magnética. Durante a
operação normal, a resistência do enrolamento primário e a reatância de dispersão
determinam a impedância total do limitador. A tensão no limitador no estado
supercondutor é baixa. Quando uma falta ocorre, como mostrado na Figura 3.10, o valor
da corrente induzida no tubo excede a densidade de corrente crítica (J
C
) do elemento
supercondutor, o fluxo magnético penetra o núcleo de ferro e a impedância do
enrolamento secundário é refletida para o primário aumentando a impedância total do
limitador. O rápido aumento da impedância no circuito limita o valor da corrente de
falta [44].
Figura 3.9: Núcleo de ferro blindado por um tubo supercondutor – invisível para o fluxo magnético quando em
estado supercondutor [44].
40
Figura 3.10: Fluxo magnético penetra o núcleo de ferro no estado resistivo, refletindo a impedância do enrolamento
secundário para o circuito [44].
3.7.3 Limitadores de Corrente Supercondutores do Tipo Indutivo –
Secundário Supercondutor
O dispositivo consiste de um enrolamento primário de material convencional,
como o cobre, por exemplo, e um anel supercondutor como enrolamento secundário os
quais estão acoplados magneticamente a um núcleo ferro-magnético de três pernas,
conforme o desenho da Figura 3.11. Uma das pernas está sob os enrolamentos e a outra
perna possui um entreferro. O enrolamento primário é ligado em série com o circuito a
ser protegido.
Sob condições normais, o fluxo induzido no anel supercondutor resulta no
cancelamento do fluxo no núcleo ferro-magnético. Desta maneira, a impedância total do
limitador é pequena e determinada apenas pela resistência do enrolamento primário e
pela reatância de dispersão. Sob condições de falta, a corrente induzida no anel
supercondutor cresce e ultrapassa a corrente crítica do mesmo. Instantaneamente, o
supercondutor passa a operar no modo resistivo e a sua resistência total é refletida ao
primário, aumentando a impedância total do circuito [45].
41
Figura 3.11: Esquema de limitador indutivo com anel secundário supercondutor [45].
3.8 Dispositivo Limitador Desenvolvido
Dentre todos os tipos de limitadores apresentados, os limitadores
supercondutores fazem parte do que há de mais moderno neste ramo. Sua alta
velocidade de resposta em situações de curto circuito e o fato de não seccionarem a rede
em situações de curto não-prolongados os tornam especialmente atrativos. Outra
vantagem desta tecnologia é a não utilização de equipamentos auxiliares de detecção e
disparo da proteção, já que as próprias características físicas do material supercondutor
se encarregam da detecção e disparo da proteção automaticamente.
Seguindo a linha de evolução das experiências realizadas pelo Grupo de
Supercondutividade Aplicada (SUPERA), da UFES, ao longo do tempo, este trabalho
analisará o limitador do tipo resistivo devido a sua simplicidade de construção e análise.
Este tipo de limitador, que já foi abordado em trabalhos prévios [46, 47], apresenta
ampla margem de inovação e melhorias em questões práticas desde contatos para
injeção de corrente até aspectos térmicos do líquido refrigerante.
42
Capítulo 4: Metodologia e Instrumentação para Testes
do Limitador de Corrente
O circuito de testes e seus periféricos são a instrumentação necessária para
visualizar os efeitos da limitação de corrente no dispositivo limitador supercondutor
durante as simulações de curto-circuito em laboratório.
Em outras palavras, o circuito de testes é responsável por traduzir as mudanças
físicas experimentadas pelo supercondutor em suas condições críticas (transição) em
grandezas elétricas, mais especificamente em sinais de tensões elétricas que possam ser
colhidos, armazenados e analisados.
4.1 Circuito de Testes
O desenvolvimento do circuito de testes foi uma evolução natural do circuito
encontrado no laboratório SUPERA e foi realizado com o intuito de ser utilizado como
uma plataforma semi-profissional para realização de testes dos mais variados tipos de
limitadores de corrente de falta.
O circuito de testes e seus periféricos são a instrumentação necessária para
visualizar os efeitos da limitação de corrente do dispositivo limitador supercondutor
durante as simulações de curto-circuito em laboratório como mostrado na Figura 4.1.
Figura 4.1: Circuito para teste com supercondutor inserido.
43
Uma fonte variável senoidal (V
i
) ligada à rede elétrica fornece tensão ao circuito
com uma faixa variável entre 0 e 25V com até 12A de corrente.
Um reostato (R
control
) em série com o circuito é utilizado para controlar a
corrente que passa pelo supercondutor no momento da simulação de curto.
O dispositivo limitador supercondutor é representado pela sua resistência
instantânea (R
sc
). Esta resistência é na verdade o somatório de todas as resistências
encontradas na ponta de prova, ou seja, as resistências dos cabos de alimentação, dos
blocos de cobre, dos contatos de prata, das folhas de índio e do supercondutor em si,
quando este se encontrar fora da região de supercondutividade.
A chave S
1
é uma chave estática industrial de 25A operada remotamente através
do comando do software SUPERA. Esta chave é acionada por um circuito conversor
serial-pulso (C
1
) desenvolvido especialmente para esta finalidade. Este conversor recebe
um sinal do computador rodando o software SUPERA e aplica um pulso de gatilho na
chave S
1
durante o momento da simulação do curto circuito. Este pulso tem duração
selecionável através do software SUPERA sendo possível selecionar um tempo mínimo
de 1ms até um pulso contínuo de vários minutos.
O osciloscópio trabalha com dois canais colhendo as ondas de tensão
simultaneamente sobre o resistor de controle (R
control
) e sobre o dispositivo limitador
supercondutor (R
sc
). Este equipamento fica conectado ao computador através de portas
de comunicação seriais.
Com o osciloscópio trabalhando com o seu gatilho no modo disparo único o
software SUPERA envia uma mensagem via porta serial comandando o osciloscópio
para fazer o registro das formas de onda no instante exato do curto circuito.
O circuito acima descrito foi utilizado para os testes com o supercondutor
inserido. Entretanto, para se fazer uma comparação entre as curvas de um circuito com o
limitador supercondutor e as curvas de um circuito sem este dispositivo, é necessário
lançar mão de um resistor de comparação. Este resistor de comparação tem a função de
reproduzir fielmente a resistência elétrica do dispositivo quando o supercondutor está no
estado de resistência nula, ou seja, o somatório dos cabos, contatos e outras resistências
permanentes presentes no dispositivo. Em outras palavras, o uso do resistor de
comparação serve para mostrar que, ao se comparar as curvas com e sem o limitador, a
diferença entre elas seja exatamente a limitação causada pelo supercondutor.
O circuito demonstrado na Figura 4.2 mostra o arranjo utilizado no teste com os
resistores de comparação. Tratam-se dos resistores de ajuste grosso (R
compg
) e o de
44
ajuste fino (R
compf
) os quais são, na verdade, dois reostatos. Ajustando-se corretamente
estes dois reostatos, é possível conseguir uma precisão de 0,001 ohms durante a
operação de equiparação entre a resistência de comparação e a resistência do dispositivo
limitador em estado supercondutor. Este nível de precisão conseguido no ajuste das
resistências de comparação possibilita a reprodução com elevada fidelidade das curvas
de corrente sobre o circuito com e sem o dispositivo limitador.
Figura 4.2: Circuito de teste com resistores de comparação.
4.2 Interface de Gatilhamento de Curto-Circuito
A interface de gatilhamento de curto-circuito, também chamada de simulador de
curto, é representada pelo componente C1 nas Figuras 4.1 e 4.2 e é, na realidade, um
conversor serial-pulso.
A função deste componente é converter um sinal de gatilho proveniente de uma
das portas seriais do computador rodando o software SUPERA em um comando para
fechar a chave que provocará o curto-circuito no dispositivo limitador de corrente. Seu
circuito interno é mostrado na Figura 4.3.
45
U1
4N25
1 6
2
5
4
U2
TSZC-25A
1
2 4
6
5
R1
D2
J5
Plugue de força
C2
F1
1A
T1
1 5
6
4 8
D1
J3
Pontas de curto
1
2
3
4
J4A
Porta Serial
Figura 4.3: Circuito do gatilhador.
Alimenta-se a interface de gatilhamento através da tomada (110Vca) que,
através de um retificador formado por T1, D1, D2 e C2 disponibiliza uma tensão de
12Vcc em sua saída.
O computador rodando o software SUPERA fornece um tensão de cerca de
8Vcc durante o tempo de pulso selecionado no programa o que, através do opto-
acoplador U1, energiza a entrada do relé de estado sólido U2 e provoca o curto-circuito
por tempo controlado nas pontas de curto 3 e 4 do conector J3.
Este circuito foi encapsulado em uma caixa de aço e instalado sobre a bancada
de testes conforme mostra a Figura 4.4.
Figura 4.4: Interface de gatilhamento ou simulador de curto.
46
4.3 Software SUPERA
O software SUPERA é um aplicativo desenvolvido em linguagem Visual Basic
6.0 para rodar em sistema operacional Windows (95 ou superior). É o software que
controla todas as funcionalidades da bancada de testes e, após pronto e compilado, é
fornecido na forma de um arquivo de instalação padrão do Windows, podendo ser
instalado e utilizado em qualquer microcomputador rodando o sistema operacional
citado.
O software SUPERA foi desenvolvido para realizar as seguintes funções:
• Comandar um curto-circuito de duração controlada e selecionável através
da interface de gatilhamento;
• Comandar o osciloscópio para gravar as formas de onda no exato
momento do curto-circuito;
• Receber e mostrar graficamente as curvas capturadas no osciloscópio;
• Salvar os vetores com os valores que formam as curvas de tensão em
arquivo texto para posterior tratamento.
As Figuras 4.5 e 4.6 mostram a janela de introdução e a janela de operação do
software SUPERA.
Figura 4.5: Janela de introdução – Software SUPERA.
47
Figura 4.6: Janela de operação – Software SUPERA.
Abaixo são apresentadas as funcionalidades do software:
Campo Capturar Curva:
• Caixa de escolha de canal: Seleciona qual canal de tensão do
osciloscópio deverá ser capturado (canal 1 ou canal 2);
• Botão Importar Curva: Comanda o osciloscópio para transmitir a curva
lida para o software SUPERA através da comunicação serial;
• Botão Salvar Curva: Abre a janela para salvar a curva recebida pelo
software em arquivo texto.
Campo Comunicação:
• Caixa de escolha de porta de comunicação: seleciona a porta serial do
computador que será utilizada para a recepção da curva do osciloscópio;
48
• Caixa de escolha de porta de trigger: seleciona a porta serial do
computador que será utilizada para o gatilhamento do curto-circuito;
• Opções habilitar e desabilitar: Habilita ou desabilita as portas seriais
selecionadas acima.
Campo Gatilho:
• Botão Preparar: Envia um comando para o osciloscópio se preparar para
captura da onda;
• Botão Force Trigger: Envia um comando para o osciloscópio capturar a
onda no momento do curto-circuito;
• Botões Zerar e Setar: Habilita e desabilita manualmente a saída serial que
provoca o curto-circuito;
• Cursor delay do pulso: Seleciona o tempo em milissegundos entre o
momento do curto-circuito e o início da leitura da onda pelo osciloscópio
(trigger);
• Cursor duração do pulso: Seleciona a duração do período que a interface
de gatilhamento manterá o curto-circuito no circuito de teste.
Campo Curva:
• Mostra a curva capturada do osciloscópio;
4.4 Software de Tratamento de Curvas
As curvas de tensão capturadas pelo software SUPERA durante os ensaios
geralmente apresentam-se com ruídos em sua amplitude, os quais são causados pelos
ruídos naturais da rede, pelos ruídos inerentes aos canais de entrada do osciloscópio e
pela perda de resolução que os valores da curva sofrem durante o processo de
comunicação entre o osciloscópio e o computador.
Percebe-se que quanto menor é a amplitude da curva capturada, maior é a
influência do ruído na interpretação dos resultados, o que prejudica consideravelmente a
análise da corrente que passa sobre o dispositivo limitador de corrente em situações de
49
baixa corrente. A Figura 4.7 mostra uma onda de tensão típica coletada pelo
osciloscópio.
Figura 4.7: Exemplo de curva de tensão capturada do osciloscópio.
Como é possível perceber, a curva possui ruídos em toda sua extensão
prejudicando, principalmente, a determinação do seu valor de pico devido ao
engrossamento da onda. Estes ruídos são indesejáveis já que o objetivo de todo o
instrumental é detectar variações de resistividades da ordem de centésimos de ohms nas
cerâmicas supercondutoras. Em outras palavras, a amplitude dos ruídos não pode ser
superior à amplitude da queda de tensão causada pela pequena variação de resistência
do dispositivo limitador de corrente.
Para se amenizar este efeito e diminuir a influência dos ruídos sobre a análise do
desempenho do supercondutor, todas as curvas são tratadas em ambiente Matlab® antes
da análise.
As curvas são salvas em formato texto (.txt) pelo software SUPERA e são
importadas pelo Matlab® como matrizes de dados. Após importadas, uma rotina
especial chamada shifter_manual é executada e, como resultado, a onda de corrente do
teste com o limitador e a onda de corrente do teste sem o limitador são filtradas e suas
fases são ajustadas para torná-las sobrepostas, disponibilizando-as para a análise da
limitação de corrente ocorrida.
50
Após a filtragem feita via Matlab® é possível se obter uma onda muito mais
pura e útil para os fins de comparação como pode ser verificado na Figura 4.8.
Figura 4.8: Exemplo de curva de tensão capturada do osciloscópio após tratamento em ambiente Matlab.
Para se demonstrar a coerência da curva filtrada em relação à curva original, a
Figura 4.9 demonstra as duas curvas sobrepostas em um determinado espaço de tempo.
Figura 4.9: Curva antes do tratamento (azul) sobre curva após tratamento (vermelha).
51
É possível verificar que a curva filtrada (curva em vermelho) representa uma
interpolação da curva real coletada do osciloscópio (curva em azul) em cada intervalo
de tempo.
52
Capítulo 5: Projeto do Dispositivo Limitador de
Corrente de Falta Supercondutor
5.1 Introdução
Um dos principais objetivos na concepção deste novo projeto de limitador de
corrente supercondutor é o aumento da resistência de transição da cerâmica
supercondutora. Geralmente este tipo de limitador apresenta uma variação de resistência
pequena (da ordem de décimos de ohm), o que é indesejável para os propósitos de
limitação de corrente. Ao mesmo tempo, existe uma necessidade de elevar o nível de
corrente de operação do dispositivo para aproximar o limitador das condições de
funcionamento dos circuitos práticos utilizados no dia a dia.
5.2 Dispositivo Limitador por Cerâmica Tipo Paralelepípedo
Com a intenção de se resolver o primeiro problema, ou seja, aumentar a
resistência de transição do dispositivo, foi proposto um arranjo no qual a dimensão
longitudinal da cerâmica supercondutora utilizada fosse a maior possível, dentro dos
limites da infra-estrutura disponível, para provocar uma maior queda de tensão durante
o momento do curto-circuito.
5.2.1 Projeto
Usou-se uma cerâmica supercondutora disponível com base de ítrio de
dimensões apresentadas na Tabela 5.1:
Tabela 5.1: Dados do supercondutor tipo paralelepípedo.
Composição YBa
2
Cu
3
O
7
Seção 4 mm
2
Comprimento 32 mm
53
Para a preparação do conjunto supercondutor e contatos, a cerâmica deve ser
colada sobre um corpo de cobre isolado com verniz e suas extremidades devem ser
pintadas com tinta prata para estabelecimento dos contatos elétricos. Sobre as regiões
pintadas com tinta prata, ponteiras também de prata devem ser posicionadas e
pressionadas, através de um conjunto de mola e parafuso, para estabelecer um melhor
contato elétrico.
Após a preparação final do conjunto descrito, o corpo de cobre deve ser fechado
e selado através de uma capa externa também de cobre. O esquemático do dispositivo
pode ser verificado na Figura 5.1.
Figura 5.1: Arranjo para cerâmica tipo paralelepípedo.
5.2.2 Execução
O projeto descrito foi executado na prática conforme a Figura 5.2:
Figura 5.2: Execução do dispositivo com cerâmica tipo paralelepípedo.
Supercondutor
Tinta Prata
Ponta de Prata
54
Uma montagem com parafusos de nylon, molas e arruelas foi utilizada para
manter pressionadas as pontas de prata sobre as extremidades do supercondutor. Fios
soldados às arruelas são utilizados para conduzir a corrente que flui pela cerâmica
supercondutora para fora do criostato. Depois de fechada a ponta, todo o conjunto foi
mergulhado no criostato e resfriado até 77K sob nitrogênio líquido.
5.2.3 Testes e Resultados
O dispositivo desenvolvido foi resfriado e, durante este processo, a resistência
do conjunto foi continuamente monitorada com o auxílio de um micro-ohmímetro.
Durante os testes com corrente contínua, a resistência do dispositivo também foi
medida. As seguintes observações são relevantes:
a) Durante o processo de resfriamento, a resistência do conjunto não assumiu
valores decrescentes, como era de se esperar à medida que a cerâmica entrasse no
estado supercondutor.
b) A resistência medida do dispositivo aumentou bastante durante o processo de
resfriamento, indicando que a contração do conjunto interfere na pressão de contato das
pontas e no deslocamento relativo das mesmas.
c) Vários testes foram realizados, entretanto, todos eles demonstraram uma forte
variação da resistência total do dispositivo de acordo com a corrente sob a qual o
dispositivo era submetido durante os testes sob corrente elétrica.
A Figura 5.3 apresenta a variação de resistência num teste realizado em uma
cerâmica tipo paralelepípedo montada sobre a ponta de cobre e demonstra uma
tendência decrescente da resistência total do dispositivo à medida que a cerâmica é
submetida a níveis de correntes diferentes.
55
R x I - Ítrio - 06/08/2009
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
0,41 0,30 0,58 0,75 0,92 0,95 1,37 1,52
Corrente de Teste (A)
Resistência da amostra (ohms)
Figura 5.3: Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado em 06/08/2009.
Como é possível perceber na Figura 5.3, para uma faixa de corrente curta
(410mA a 1,52A), a resistência da cerâmica supercondutora variou entre 1,61 Ω e 2,29
Ω. Além disso, a variação ocorrida foi contrária à natureza do supercondutor, ou seja, a
resistência do dispositivo decresceu à medida que a corrente que passava sobre o
mesmo aumentava e se aproximava da corrente crítica da cerâmica.
Outro teste realizado com uma outra cerâmica feita do mesmo material resultou
na curva da Figura 5.4. É possível observar que desta vez, mesmo uma variação de
corrente bem curta (110mA a 420mA) resultou em uma variação de resistência entre
3,10 Ω e 4,63 Ω, novamente com tendência decrescente com relação ao aumento da
corrente.
R x I - Ítrio - 12/08/2009
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4,50
5,00
0,11 0,15 0,19 0,24 0,28 0,32 0,41 0,42
Corrente de Teste (A)
Resistência da Amostra (ohms)
Figura 5.4: Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado em 12/08/2009.
56
Mais um teste realizado com outra cerâmica feita do mesmo material resultou no
comportamento representado pelo gráfico na Figura 5.5. Desta vez, uma variação de
corrente entre 30mA e 700mA resultou em uma variação de resistência entre 4,59 Ω e
9,62 Ω, novamente com tendência decrescente com relação ao aumento da corrente.
R x I - Ítrio - 13/08/2009
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
0,03 0,09 0,13 0,16 0,18 0,20 0,24 0,35 0,44 0,53 0,61 0,70
Corrente de Teste (A)
Figura 5.5: Gráfico de Resistência do Dispositivo X Corrente de Teste – Teste realizado em 13/08/2009.
Alguns outros experimentos foram realizados com esta topologia e foi verificado
que se o nível de corrente de teste continua crescendo, a resistência medida do
dispositivo limitador continua diminuindo até um ponto em que ela cresce novamente
para valores significativamente mais altos, cerca de 10 vezes o valor da resistência
inicial.
5.2.4 Análise dos Resultados
O comportamento apresentado pelo dispositivo ao variar sua resistência total
durante os testes com corrente provou ser um obstáculo que impossibilita a análise de
sua operação. Este comportamento é contrário às características conhecidas dos
elementos supercondutores, pois a resistência apresentada pelo dispositivo deveria
aumentar durante o aumento da corrente de testes, e não diminuir.
Foram realizados, então, testes de corrente com o dispositivo aberto e fora do
criostato. No momento da passagem da corrente pela cerâmica, foi possível observar a
57
vaporização do solvente orgânico da tinta prata. Mesmo para correntes baixas (cerca de
500mA) a vaporização observada foi bem acentuada.
Por fim, foi concluído que a variação de resistência em função da corrente de
teste apresentada pela cerâmica decorre da variação do volume da tinta prata entre a
ponta e o supercondutor e também devido à progressiva acomodação da ponta sobre a
tinta. A cada teste, cada vez mais solvente orgânico é vaporizado e o que sobram são as
partículas de prata com concentração cada vez maior, contribuindo, assim, para a
melhoria momentânea da condutividade apresentada pela parte decrescente da curva de
resistência versus corrente levantada. Ao final deste processo, todo o solvente orgânico
entre a ponta e o supercondutor é evaporado e a ponta de prata entra em contato direto
com a superfície do supercondutor. Quando isto acontece, a resistência do dispositivo
cresce a valores muito altos, entre 10 e 10
5
vezes o valor da resistência original.
Conforme pode ser observado na Figura 5.6, a alta concentração de corrente
elétrica no ponto de contato entre a ponta de prata e a tinta prata provoca a vaporização
da tinta.
Figura 5.6: Representação da passagem da corrente na ponta tipo paralelepípedo antes da vaporização.
Supercondutor
Tint
a
Ponta
Supercondutor
Tinta Prata
Ponta de Prata
Corrent
-Alta densidade de corrente
na tinta prata vaporiza a tinta
condutiva e altera a resistência
do conjunto após cada teste.
58
Após vários ciclos de vaporização, a ponta de prata entra em contato direto com
a cerâmica supercondutora, como mostra a Figura 5.7.
Figura 5.7 – Representação da ponta tipo paralelepípedo após a vaporização.
Concluiu-se, portanto, que o arranjo das pontas de prata para uma cerâmica tipo
paralelepípedo não é operacional devido à reduzida área de contato entre as pontas de
prata e a camada de tinta prata. Além disso, o fato da resistência de contato aumentar
durante o processo de resfriamento do dispositivo indica que, de alguma forma, a
contração do conjunto altera a condição dos contatos pressionados contra a cerâmica
supercondutora.
Tint
a
Prat
a
Ponta
Supercondut
Tinta Prata
Ponta
Tinta prata derrete e aumenta muito
a resistência de contato.
Supercondutor
59
5.3 Dispositivo Limitador do Tipo Camada Depositada
O dispositivo limitador de corrente supercondutor do tipo camada depositada é
uma evolução do primeiro dispositivo apresentado e se propôs a resolver o problema da
alta concentração de corrente na tinta condutiva e também apresentar uma cerâmica de
alta resistência elétrica durante o momento da limitação.
A cerâmica supercondutora utilizada é composta por um grosso substrato de um
material mal-condutor elétrico com uma finíssima camada supercondutora de 100
mícrons de espessura em sua face superior. Esta camada é depositada sobre o substrato
através do método conhecido como laser ablation.
O objetivo de se utilizar uma camada tão fina de supercondutor é diminuir a sua
corrente crítica e aumentar a resistência total do dispositivo durante o período da
limitação de corrente.
5.3.1 Projeto
Usou-se uma cerâmica supercondutora com base de Rênio conforme dados
apresentados na Tabela 5.2:
Tabela 5.2: Dados do supercondutor tipo camada depositada.
Composição Filme de Re
0.2
Hg
0,8
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
5+x
sobre substrato de PrBa
2
Cu
3
O
7
Seção 100 mícrons por 6 mm
Comprimento 20 mm
A cerâmica é posicionada sobre o corpo de cobre isolado com verniz
apresentado no modelo anterior e as extremidades da face supercondutora são pintadas
com tinta prata.
Com o objetivo de resolver o problema da alta concentração de corrente na tinta
prata, uma folha de Índio de cerca de 0,5 mm de espessura é posicionada entre as pontas
de prata e as extremidades pintadas com a tinta condutiva.
60
O contato entre a ponta de prata e a folha de Índio é muito mais resistente à
passagem de corrente do que o contato entre a ponta e a tinta prata. Além disso, devido
ao fato da folha de índio ser moldável, a pressão da ponta sobre a folha arredonda a
camada de Índio revestindo a superfície curva da ponta de prata e aumentando a área
para passagem da corrente elétrica. A corrente agora passa uniformemente por toda a
seção da folha de Índio e chega à camada da tinta prata com uma densidade bem menor
do que a do primeiro modelo, não causando a sua evaporação e mantendo as resistências
de contato constantes.
Figura 5.8: Representação do dispositivo limitador tipo camada depositada.
5.3.2 Execução
O projeto descrito foi executado na prática conforme a Figura 5.9:
Figura 5.9: Execução do dispositivo com supercondutor tipo camada depositada.
Ponta de prata
Folha de Índio
Tinta Prata
Supercondutor
61
A mesma estrutura de parafusos de nylon, molas, fios e pontas de prata utilizada
no primeiro dispositivo foi novamente utilizada no dispositivo com a cerâmica de
camada depositada. A diferença está na utilização das folhas de Índio para eliminar a
evaporação da tinta prata.
Depois de fechada a ponta, todo o conjunto foi mergulhado no criostato e
resfriado até 77K sob nitrogênio líquido.
5.3.3 Testes e Resultados
Assim como o primeiro dispositivo, o dispositivo limitador com a cerâmica de
camada depositada foi resfriada e sua resistência monitorada com um micro-ohmímetro
durante este processo de resfriamento.
a) Assim como o primeiro modelo, durante o processo de resfriamento, a
resistência do conjunto não assumiu valores decrescentes, como era de se esperar à
medida que a cerâmica entrasse no estado supercondutor;
b) Diferentemente do primeiro modelo, a resistência medida do dispositivo
permaneceu praticamente constante durante o resfriamento, o que indica que houve uma
melhora no conjunto de pressão das pontas sobre o supercondutor;
c) Os testes realizados com corrente contínua demonstraram que por uma faixa
de corrente considerável, a resistência do conjunto não sofreu alteração significativa,
indicando que a utilização da folha de Índio para diminuir a concentração de corrente
sobre a tinta prata foi eficaz;
d) Os testes também demonstraram que após determinado nível de corrente, a
resistência da cerâmica aumenta para infinito, indicando que o supercondutor ficou
aberto, e verificou-se que a cerâmica foi danificada no ponto imediatamente após o fim
da tinta prata.
Conforme pode ser verificado na Figura 5.10, para a faixa de corrente entre
72mA e 1,3A a resistência da cerâmica permaneceu próxima a 1,25 ohms. Entretanto,
caiu significativamente quando a corrente de teste subiu chegando até 2,1A.
62
R x I - Ítrio (Camada Depositada) - 20/08/2009
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
1,25
1,30
72 105 156 222 264 323 376 430 530 632 744 851 960 1067 1266 1587 2152
Corrente de Teste (mA)
Resistência da Amostra (ohms)
Figura 5.10: Gráfico de resistência do dispositivo X corrente de teste – Teste realizado em 20/08/2009.
Sérgio, na Figura 5.10 não é ítrio, acerte a legenda dentro da figura por favor.
Após este ponto, a cerâmica foi danificada na região adjacente à tinta prata na
superfície supercondutora quando se tentou elevar a corrente de teste para valores acima
de 3A.
5.3.4 Análise dos Resultados
O novo dispositivo provou ser mais eficiente no tocante à eliminação da
evaporação da tinta condutiva, chegando a correntes bem maiores do que o primeiro
dispositivo sem ter a resistência global do conjunto significantemente modificada.
Entretanto, o dano do supercondutor após certo nível de corrente indica que o modelo
ainda não é o mais apropriado para os propósitos do trabalho.
Como é possível verificar na Figura 5.11, a folha de Índio resolveu o problema
da concentração de corrente que entra na camada superior da tinta prata. Além disso,
como a folha de Índio tem uma boa maleabilidade, a superfície curva da ponta de prata
molda a superfície de contato do Índio e aumenta a área de contato com a ponta,
proporcionando, assim, um melhor contato.
63
Figura 5.11: Distribuição da passagem de corrente no dispositivo tipo camada depositada com a cerâmica em
estado supercondutor.
Enquanto a cerâmica está em estado supercondutor, a corrente flui mais
uniformemente pela camada inferior da tinta prata, entrando na cerâmica do
supercondutor com baixa densidade de corrente. Este comportamento é semelhante para
diversos valores de corrente testados. Entretanto, quando a corrente atinge um
determinado nível, a cerâmica do supercondutor passa a trabalhar no estado resistivo e a
corrente agora tende a procurar a trajetória de menor resistência entre a ponta e a
cerâmica supercondutora. Neste momento, toda a corrente se concentra no ponto mais
próximo do fim da tinta prata, aumentando muito a densidade naquela seção,
vaporizando a tinta prata e danificando o supercondutor apenas naquele ponto, como
mostrado nas Figuras 5.12 e 5.13.
Supercondutor
Tinta Prata
Folha de Índio
Ponta de prata
Pastilha em
estado
supercondutor
Tint
a
Prat
a
Folha
Ponta
-Folha de Índio resolveu o
problema de evaporação da
tinta prata diminuindo a
densidade de corrente sobre a
64
Figura 5.12: Distribuição da corrente no dispositivo tipo camada depositada com cerâmica em estado resistivo.
Figura 5.13: Distribuição da corrente no dispositivo tipo camada depositada com a pastilha em estado resistivo e
o supercondutor danificado.
65
Por fim, foi verificado que o dispositivo utilizando supercondutor tipo camada
depositada com utilização da camada de Índio apresenta uma evolução com relação à
evaporação da tinta prata, entretanto não é operacional devido aos constantes danos à
cerâmica do supercondutor devido à alta densidade de corrente na seção do
supercondutor durante o momento da transição.
5.4 Dispositivo Limitador por Cerâmica Tipo Pilha
As tentativas anteriores de se conseguir aumentar a resistência de limitação do
dispositivo através de uma cerâmica de pequena seção e grande comprimento provaram-
se ineficazes principalmente devido ao método de injeção de corrente (pontas de prata)
que provocavam um aumento na densidade de corrente nos pontos de contato.
Fez-se necessário criar um dispositivo que englobasse as seguintes
características:
• Alta capacidade de transferência de corrente nas suas regiões de contato
sem danificar os elementos de acoplamento (tinta condutiva) e sem gerar
dissipação de calor elevada por efeito Joule;
• Baixa interferência da temperatura na resistência de contato, ou seja,
insensibilidade à contração do dispositivo causada pelo resfriamento;
• Capacidade modular, ou seja, possibilidade de se montar várias
cerâmicas associadas de maneira que se consiga uma resistência de
transição mais alta possível;
Foi desenvolvido, então, o dispositivo tipo pilha que consiste em um dispositivo
no qual são montadas uma ou várias cerâmicas cilíndricas supercondutoras fortemente
pressionadas uma contra as outras, conforme mostrado na Figura 5.14.
5.4.1 Projeto
O dispositivo limitador tipo pilha possui, no seu núcleo, uma ou várias
cerâmicas supercondutoras cilíndricas associadas em série fortemente pressionadas uma
contra a outra.
66
Figura 5.14: Vista explodida do limitador tipo pilha.
Envolvendo as pastilhas supercondutoras, estão os blocos de contato cilíndricos
feitos em cobre. Um bloco se posiciona imediatamente acima do conjunto
supercondutor, e o outro bloco é posicionado imediatamente abaixo das pastilhas. É
através destes blocos que a corrente entra, passa pelas cerâmicas supercondutoras e sai
do dispositivo com a ajuda de fios elétricos fixados através de parafusos.
Pastilhas de nylon no mesmo diâmetro das cerâmicas supercondutoras são
utilizadas para preencher o espaço vazio entre o início e o fim do dispositivo e, também,
para transmitir a força de compressão que mantém as pastilhas pressionadas.
Adicionalmente, molas são instaladas para manter a compressão do conjunto e, por fim,
67
duas tampas com rosca são giradas no corpo do dispositivo até que a compressão
necessária seja atingida.
Todo o dispositivo é montado em um corpo cilíndrico oco de nylon, como
demonstrado na Figura 5.15. Este corpo possui um canal interno feito no mesmo
diâmetro que as pastilhas supercondutoras de maneira que as mesmas são guiadas em
seu interior de acordo com a pressão exercida pelas molas e pelas tampas com rosca.
Figura 5.15: Corpo externo do dispositivo.
Todos os elementos são inseridos dentro do corpo de nylon e as tampas são
fechadas proporcionando sustentação mecânica rígida para o conjunto e assegurando
uma pressão de contato adequada para os elementos que conduzirão a corrente elétrica,
conforme visto na Figura 5.16.
O dispositivo foi projetado com uma concepção modular, sendo possível utilizar
tantas pastilhas supercondutoras quanto necessárias para atingir a resistência de
68
limitação de projeto. Na Figura 5.17 é apresentado o dispositivo com quatro cerâmicas
supercondutoras.
Figura 5.16: Vista da tampa superior do dispositivo
com os elementos internos montados.
Figura 5.17: Conjunto montado com quatro pastilhas
supercondutoras.
Este dispositivo em particular tem capacidade máxima de empilhamento de 16
pastilhas supercondutoras de 5mm de espessura, totalizando um comprimento máximo
de 80mm de material supercondutor, como na Figura 5.18. Este grande comprimento do
conjunto supercondutor é responsável por causar uma significativa variação de
resistência no dispositivo, o que é uma das premissas básicas do projeto proposto por
este trabalho.
69
Figura 5.18: Conjunto montado com capacidade máxima de pastilhas supercondutoras.
70
5.4.2 Execução
De posse do projeto do dispositivo, a nova ponta foi fabricada em uma oficina de
usinagem e montado na prática, como visto nas Figuras 5.19 e 5.20.
Figura 5.19: Dispositivo tipo pilha após construção.
Figura 5.20: Dispositivo tipo pilha após construção (vista explodida).
Foi construída também uma haste de nylon parafusada no dispositivo com o
objetivo de inserir o mesmo no interior do criostato, como visto nas Figuras 5.21 e 5.22.
71
Figura 5.21: Dispositivo tipo pilha sendo inserido no criostato.
Figura 5.22: Dispositivo inserido no criostato.
72
5.4.3 Testes e Resultados
Prosseguindo com a metodologia adotada nas outras pontas, o dispositivo foi
resfriado com uma pilha de sete pastilhas de ítrio em seu interior e sua resistência global
foi monitorada com a ajuda de um micro-ohmímetro.
Durante todo o processo de resfriamento, o valor da resistência do dispositivo
ficou inalterado. Foi, então, realizado o teste de corrente e obteve-se o comportamento
apresentado na Figura 5.23:
R x I - 07 pastilhas de Ítrio (tipo pilha) - 22/09/2009
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
77
1
77
252
3
4
4
4
25
4
9
8
5
94
674
8
6
8
1
0
67
1280
15
2
1
1
7
29
1923
2
1
66
2590
30
22
3
4
56
38
9
7
4
3
44
4807
50
83
5
1
57
Corrente (mA)
Resistência do Conjunto (ohms)
Figura 5.23: Resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de teste – Teste realizado em 22/09/2009.
Pode-se verificar que, diferente dos modelos anteriores, uma variação bem mais
significativa de corrente contínua injetada na cerâmica, causou uma variação muito
pequena de resistência do dispositivo. No caso do dispositivo testado, as correntes de
teste foram aumentadas gradativamente, partindo de 77 mA até 5,15 A. Entretanto, a
resistência total da cerâmica iniciou-se em 0,36 ohms e, no fim dos testes, estabilizou
em 0,31 ohms.
O dispositivo utilizado é mais robusto e insensível à passagem de correntes mais
altas, em termos de resistência de contato. A pequena variação de resistência detectada à
medida que a corrente de teste subia deve-se a evaporação da tinta condutiva e a
acomodação das pastilhas do supercondutor baseado em ítrio.
73
A diferença deste arranjo com relação aos anteriores é que a cerâmica não foi
danificada ao final do teste, ou seja, a resistência do conjunto não subiu a valores que
indicassem que a cerâmica foi inutilizada.
Entretanto, vale destacar os seguintes:
• Durante o processo de resfriamento, não foi detectada nenhuma redução
de resistência da cerâmica entre o momento em que a mesma se encontra
em temperatura ambiente e o momento no qual a temperatura do
supercondutor se encontra estabilizada com a temperatura do criostato
(77K). De acordo com a teoria apresentada, a resistência do
supercondutor deveria ser nula quando refrigerada abaixo da temperatura
crítica da cerâmica, no caso, 110K.
• Durante os testes de corrente, a resistência também não apresentou
mudanças à medida que o nível da corrente de teste era elevado. Isto
também contradiz a teoria, segundo a qual é previsto que a resistência da
cerâmica deveria aumentar à medida que a corrente que passa pelo
supercondutor se aproxima de sua corrente crítica.
Como foi provado que a nova ponta resolveu os problemas críticos de
evaporação da tinta condutiva e das superfícies de contato, restou apenas testar um
supercondutor de composição diferente para se observar os comportamentos citados
acima. Foi então retirada do dispositivo tipo pilha as sete pastilhas de supercondutores
com base em ítrio e instalada apenas uma pastilha com base em mercúrio. Os resultados
dos testes com corrente são demonstrados na Figura 5.24.
R x I - 01 pastilha de Mercúrio (tipo pilha) - 23/09/2009
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
4
9
133
2
59
3
71
5
62
68
8
82
8
1
00
6
1
3
64
1
6
45
2089
2
78
7
3
42
2
3
92
3
Corrente (mA)
Resistência do Conjunto (ohms)
Figura 5.24: Resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de teste – Teste realizado em 23/09/2009.
74
É possível observar que para uma gama de corrente de testes até cerca de 2 A, a
resistência do conjunto varia bastante, entretanto, após este valor de corrente, a
resistividade da cerâmica se estabiliza até crescer.
Foi observado que todas as cerâmicas testadas possuem esta primeira fase de
variação de resistência, na qual a passagem da corrente evapora a tinta condutiva nos
seus pontos mais concentrados e provoca uma acomodação da cerâmica. Também foi
observado que após este período de acomodação, a resistividade do conjunto passa a
não variar tanto à medida que a corrente é elevada, pois a cerâmica já se assentou em
sua posição final.
Focando a análise da curva apenas na parte na qual a resistência da ponta
encontra-se estabilizada, tem-se o comportamento apresentado na Figura 5.25.
R x I - 01 pastilha de Mercúrio (tipo pilha) - 23/09/2009
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
2089 2348 2787 3089 3422 3819 3923
Corrente (mA)
Resistência do Conjunto (ohms)
Figura 5.25: Gráfico de resistência do dispositivo tipo pilha X corrente de Teste – Teste realizado em
23/09/2009.
Pela primeira vez foi observada uma resposta coerente da resistência apresentada
pelo dispositivo em função da variação de corrente sobre o mesmo. A análise não foi
estendida para correntes mais altas devido à limitação da capacidade de corrente da
fonte CC utilizada.
75
5.4.4 Análise dos Resultados
O dispositivo tipo pilha resolveu os problemas de evaporação da tinta condutiva
e da concentração da corrente na ponta, provando que é o arranjo mais eficiente.
Entretanto, verificou-se também que o supercondutor original proposto para realização
dos testes, ou seja, o supercondutor com base em ítrio (YBCO) apresenta uma variação
de resistência pequena quando entra no estado supercondutor comparada à resistência
de contato conseguida. Este fato é confirmado quando o conjunto é resfriado e a
resistência do dispositivo não se altera. Diferentemente do supercondutor com base em
ítrio, a cerâmica de mercúrio, desde a primeira experiência, apresentou uma variação de
resistência significativa e consistente durante o processo de resfriamento, cerca de 2
ohms de variação.
É válido destacar que mesmo o dispositivo com 7 pastilhas de supercondutor
com base em ítrio associadas em série não causou nenhuma variação da resistência do
conjunto durante o resfriamento e os teste com corrente enquanto apenas uma pastilha
do supercondutor com base em mercúrio causou uma variação bastante significativa.
Portanto, ao final das análises apresentadas neste capítulo, todos os problemas
do dispositivo e da cerâmica foram resolvidos, permitindo, assim, o início das análises
com o sistema de limitação definitivo, ou seja, o dispositivo tipo pilha munido de
supercondutores com base em mercúrio.
76
Capítulo 6: Limitador Supercondutor Resistivo Tipo
Pilha Mono-Camada
6.1 Introdução
Neste capítulo, serão exploradas as características de operação do limitador tipo
pilha utilizando um supercondutor de base em mercúrio.
O termo mono-camada advém do fato de ser utilizada apenas uma pastilha de
supercondutor neste teste que servirá para levantar as características de operação do
limitador utilizando-se apenas uma camada de cerâmica.
Graças à topologia modular do dispositivo desenvolvido, nos próximos tópicos
será possível simular as características do limitador funcionando com várias camadas e
os seus resultados poderão ser comparados com o limitador mono-camada.
Os testes apresentados nos capítulos anteriores foram todos realizados com
corrente contínua devido à facilidade de análise dos resultados. Outro motivo é o fato de
que o foco daquelas análises era escolher o melhor tipo de dispositivo e a cerâmica
supercondutora mais adequada, e não testar o desempenho do limitador em operação
real.
Neste capítulo, o conjunto limitador será testado em condições mais realistas, ou
seja, com corrente alternada e níveis de correntes mais próximos dos níveis práticos de
operação dos circuitos elétricos residenciais e industriais.
6.2 Testes
No Capítulo 4 foram demonstrados os circuitos e métodos utilizados para a
medição das características dos dispositivos limitadores de corrente.
Para se obter a maior fidelidade possível nas análises com corrente e para se
isolar o efeito da mudança de resistência da cerâmica em decorrência da vaporização da
tinta prata, as medições são realizadas seguindo as seguintes etapas do fluxograma
mostrado na Figura 6.1.
77
Figura 6.1 – Fluxograma de testes com corrente do limitador tipo pilha.
O teste de injeção de corrente no circuito com o supercondutor é conduzido
tantas vezes quanto necessário até que ocorra a situação na qual as resistências do
dispositivo limitador sejam idênticas quando medidas antes e após a passagem da
corrente pelo conjunto. Isto garante que a tinta prata não vaporizou e a pastilha não se
movimentou dentro do dispositivo e, apenas após esta confirmação, ocorre a injeção de
corrente no circuito equipado com o resistor de comparação para depois serem avaliadas
as curvas de corrente provenientes de ambos os testes.
6.3 Resultados
Foram realizados vários testes de injeção de corrente com o limitador mono-
camada e o nível de corrente foi elevado gradualmente.
A cerâmica utilizada em todos os teste é de mercúrio com composição
Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
.
A Tabela 6.1 apresenta alguns valores relacionados com o teste 01.
Início
Preparar circuito com
su
p
ercondutor inserido
Medir e registrar a
resistência do dispositivo
antes do teste.
Injetar corrente de teste
no circuito com o
su
p
ercondutor inserido.
Medir a resistência do
dispositivo após o teste
com corrente.
Resistência do
dispositivo mudou
a
p
ós o teste?
Sim
Coletar curvas do teste
com o su
p
ercondutor
Não
Ajustar a resistência de
comparação com o
valor do su
p
ercondutor.
Injetar corrente de teste
no circuito com o
resistor de com
p
ara
ç
ão.
Coletar curvas do teste
com o resistor de
com
p
ara
ç
ão.
Aumentar a corrente de
teste do circuito
g
radativamente.
78
Teste 01: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 630 mA
Tabela 6.1 – Teste 01 com corrente de pico de 630 mA.
A Figura 6.2 mostra o comportamento da corrente no tempo para teste realizado
com corrente de pico de 630 mA.
Figura 6.2: Curva I x t para corrente de pico de 630 mA.
O baixo nível de corrente injetado no circuito com o supercondutor não atingiu a
densidade de corrente crítica fazendo com que o dispositivo não limitasse a passagem
de corrente.
Esse comportamento é verificado na prática através da perfeita superposição
entre a curva de corrente com o dispositivo limitador inserido (curva vermelha) e a
curva de corrente sem o dispositivo limitador inserido e com o resistor de comparação,
no qual a corrente de pico foi cerca de 630mA e a resistência de transição foi nula (0 Ω).
I
pico
circuito sem o limitador: 630mA
I
pico
circuito com o limitador: 630mA
R
sc
antes e após a medida: 1,332 Ω
R
sc
máximo de transição: 0 Ω
Limitação de corrente: 0 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
79
Teste 02: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 1,16 A
Tabela 6.2 – Teste 02 com corrente de pico de 1,16 A.
O aumento de corrente injetada no circuito com o limitador neste teste atingiu a
densidade de corrente crítica e provocou a transição da cerâmica (quench), como
mostrado na Figura 6.3.
Figura 6.3: Curva I x t para corrente de pico de 1,16 mA.
As curvas demonstram uma redução na corrente do circuito com o limitador da
ordem de 8,6%, limitando a corrente de pico de 1,16 A para 1,06 A. Foi observada uma
variação máxima de resistência do dispositivo de 0,46 Ω no pico das ondas de corrente.
I
pico
circuito sem o limitador: 1,16 A
I
pico
circuito com o limitador: 1,06 A
R
sc
antes e após a medida: 1,395 Ω
R
sc
máximo de transição: 0,46 Ω
Limitação de corrente: 8,6 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
80
Teste 03: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 2,44 A
Tabela 6.3 – Teste 03 com corrente de pico de 2,44 A
O novo aumento do nível da corrente no circuito limitador confirmou a limitação
que teve um nível bem próximo da limitação do teste 02. Desta vez, houve uma
diminuição de 7,8% no valor de pico da onda de corrente com o supercondutor
apresentando uma variação de resistência máxima de 0,42 Ω no pico, conforme
demonstrado pela Figura 6.4.
Figura 6.4: Curva I x t para corrente de pico de 2,44 A.
I
pico
circuito sem o limitador: 2,44 A
I
pico
circuito com o limitador: 2,25 A
R
sc
antes e após a medida: 1,375 Ω
R
sc
máximo de transição: 0,42 Ω
Limitação de corrente: 7,8 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
81
Teste 04: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 4,94 A
Tabela 6.4 – Teste 04 com corrente de pico de 4,94 A.
Para este novo aumento de corrente de teste, próxima dos 5 A, a limitação
ocorreu novamente. Desta vez, houve uma diminuição de 7,9% no valor de pico da onda
de corrente com o supercondutor apresentando uma variação de resistência máxima de
0,42 Ω no pico, como mostrado na Figura 6.5.
Figura 6.5: Curva I x t para corrente de pico de 4,94 A.
I
pico
circuito sem o limitador: 4,94 A
I
pico
circuito com o limitador: 4,55 A
R
sc
antes e após a medida: 1,333 Ω
R
sc
máximo de transição: 0,42 Ω
Limitação de corrente: 7,9 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
82
Teste 05: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 9,48 A
Tabela 6.5 – Teste 05 com corrente de pico de 9,48 A.
Para uma corrente de teste próxima a 9,5 A, a limitação foi mais significativa,
com o dispositivo limitador apresentando uma resistência de transição de 0,50 Ω. O
dispositivo provocou uma redução de corrente de pico da ordem de 13,6%, como
mostrado na Figura 6.6.
Figura 6.6: Curva I x t para corrente de pico de 9,48 A
I
pico
circuito sem o limitador: 9,48 A
I
pico
circuito com o limitador: 8,19 A
R
sc
antes e após a medida: 1,360 Ω
R
sc
máximo de transição: 0,50 Ω
Limitação de corrente: 13,6 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
83
Teste 06: Teste de limitação de corrente real com dispositivo tipo pilha na configuração
mono-camada com corrente de pico de 13,29 A
Tabela 6.6 – Teste 06 com corrente de pico de 13,29 A
Neste teste, com uma condição mais severa de corrente, aproximadamente
13,3A, é possível ver que a capacidade de limitação do dispositivo aumentou para
21,89% com o supercondutor variando sua resistência em 0,61 Ω, como demonstrado na
Figura 6.7.
Figura 6.7: Curva I x t para corrente de pico de 13,29 A.
Analisando as ondas mais detalhadamente é possível verificar o momento exato
em que o supercondutor atinge sua densidade de corrente crítica e entra em modo
resistivo, conforme a Figura 6.8.
I
pico
circuito sem o limitador: 13,29 A
I
pico
circuito com o limitador: 10,38 A
R
sc
antes e após a medida: 1,650 Ω
R
sc
máximo de transição: 0,61 Ω
Limitação de corrente: 21,89 %
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Mono-Camada – Pastilha
84
Figura 6.8: Análise do momento da transição da cerâmica (curvas sobrepostas).
O momento da transição é caracterizado a partir do ponto no qual as curvas de
corrente do circuito com e sem o limitador deixam de ser idênticas, ou seja, deixam de
ser sobrepostas.
Em praticamente todas os experimentos com o dispositivo mono-camada com o
supercondutor em questão, a transição ocorreu com a corrente de 650 mA.
Outro fator de ordem prática que deve ser levado em consideração na análise do
limitador, é a dissipação de calor do dispositivo no interior do criostato. Dispositivos
com resistências altas, mesmo com a cerâmica em estado supercondutor, causam perdas
joulicas elevadas dentro do criostato, ocasionando a perda excessiva do material
refigerante.
No caso do dispositivo construído, a resistência total do limitador com a
cerâmica no estado supercondutor, gira em torno de 1,4 Ω.
A Figura 6.9 mostra um esquemático dos elementos do limitador repesentando
suas respectivas resistências elétricas.
Região do dispositivo em estado
supercondutor (resistência nula).
Correntes iguais nos circuitos com e sem o
dispositivo (curvas sobrepostas)
Corrente sem o dis
p
ositivo
Corrente com o dis
p
ositivo
Região do dispositivo em
estado resistivo(após
transição).
Correntes diferentes nos
circuitos com e sem o
dispositivo.
85
Figura 6.9: Esquemático dos elementos do dispositivo limitador com respectivas resistências elétricas.
É possível observar que o limitador é composto, basicamente, pelos condutores
elétricos que injetam a corrente no dispositivo e pelos elementos que se situam no
interior do criostato.
Para o dispositivo construído, têm-se os seguintes valores de resistência:
• Rcabo = 0,2 Ω - Inclui-se neste valor a resistência dos fios elétricos e do
bloco de cobre ao qual o fio é conectado dentro do criostato;
• Ríndio = 0,1 Ω - Representa o valor da resistência da folha de Índio e
também da superfície de contato entre o índio e o bloco de cobre;
• R
CERÂMICA
= 0,8 Ω - Representa o valor da resistência de contato entre as
folhas de índio e a superfície do supercondutor pintada com tinta prata.
De posse destes dados, foi realizado um teste de longa duração com corrente na
cerâmica para verificar o desempenho térmico da mesma em funcionamento contínuo.
Foi instalado um termopar localizado a 3 mm da cerâmica dentro do criostato e foi
injetada uma corrente de 600 mApico (420 mArms) por 1 hora. Verificou-se que a
temperatura no termopar permaneceu constante durante todo o teste, em torno de 77 K,
não apresentando variação significativa.
A potência dissipada durante este teste no interior do criostato é dada pela
equação 6.1.
P = (2 . R
indio
+ 2 . R
cerâmica
) . I
2
(6.1)
R
cabo
R
ín
d
i
o
R
C
ERÂMI
C
A
R
ín
d
i
o
R
cabo
Criostato
86
Portanto, para o dispositivo testado, a potência da dissipação joulica total no
interior da criostato foi de cerca de 0,17 W em funcionamento contínuo. A pastilha de
8mm de diâmetro utilizada apresenta uma considerável área de contato, de maneira que,
sob as condições apresentadas acima, a cerâmica supercondutora apresenta sobre si uma
densidade de dissipação de cerca de 1,7 mW/mm
2
em cada face da pastilha. Em
situações de corrente de falta acima de 10 A como as testadas no último tópico (acima
de 10 A), é possível perceber a ebulição instantânea do nitrogênio em volta do
supercondutor. Isto, na prática, é verificado pelo ruído característico da ebulição
proveniente do interior do criostato.
Uma vez que a cerâmica atinge a sua densidade de corrente crítica, esta deixa
seu estado supercondutor e passa a apresentar um valor de resistência (∆R
cerâmica
) e,
consequentemente, o dispositivo passa a apresentar uma resistência maior no interior do
criostato. A nova potência de dissipação joulica é definida pela equação 6.2.
P = (2 . R
indio
+ 2 . R
cerâmica
+ ∆R
cerâmica
) . I
2
(6.2)
Considerando o caso da corrente de falta da ordem de 10 Apico (7 Arms), tem-se
uma potência de dissipação aproximada de 80 Wrms. Considerando novamente a área
da pastilha utilizada, temos, durante a falta, uma densidade de dissipação joulica de
cerca de 800 mW/mm
2
em cada face da cerâmica. Isto demonstra que o dispositivo não
pode operar continuamente em situação de falta, pois isto causará danos à estrutura do
dispositivo, danos aos contatos da cerâmica supercondutora e, na melhor das hipóteses,
o esgotamento do líquido refrigerante. Na prática, o dispositivo deverá trabalhar
conjugado a um equipamento de desligamento automático caso a corrente de falta
perdure por tempos prolongados.
87
Capítulo 7: Limitador Supercondutor Resistivo Tipo
Pilha Multi-Camada
7.1 Introdução
Neste capítulo, serão exploradas as características de operação do limitador tipo
pilha utilizando múltiplas camadas de supercondutores.
Devido à indisponibilidade de mais pastilhas supercondutoras de mercúrio, os
resultados apresentados serão de ensaios simulados considerando as características e
curvas práticas levantadas no ensaio com o limitador mono-camada apresentado no
capítulo anterior.
Para efeitos da simulação, será considerado um dispositivo tipo pilha na
configuração multi-camada carregado com sua capacidade máxima, ou seja, 16 pastilhas
cilíndricas de cerâmicas supercondutoras de base em mercúrio
(Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
) com 5 mm de altura, 8mm de diâmetro, corrente crítica (I
C
)
de 630 mA, corrente final de transição (I
F
) de 2 A e resistência de transição final (R
F
) de
0,61 Ω por pastilha.
As simulações serão feitas em ambiente Matlab Simulink utilizando modelos
matemáticos de limitadores de corrente resistivos [47, 48].
7.2 Resultados da Simulação
Em situação normal de funcionamento, ou seja, com a corrente que passa pelo
dispositivo provocando uma densidade de corrente abaixo da densidade crítica na
cerâmica, a curva da corrente sobre a pilha é bastante parecida com a curva de corrente
sobre o limitador mono-camada, uma vez que todas as pastilhas supercondutoras
apresentam resistência nula, Figura 7.1.
88
Figura 7.1: Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada.
Como pode ser observado na Figura 7.1, como a densidade de corrente entre
todas as pastilhas é a mesma em todo instante de tempo, se uma das pastilhas não
atingiu sua corrente crítica, consequentemente, as outras pastilhas também não
atingiram, fazendo com que todas as pastilhas permaneçam em estado supercondutor
(resistência nula).
Entretanto, aplicando agora no dispositivo multi-camada uma corrente próxima à
corrente do último teste com o dispositivo mono-camada, todas as pastilhas em série
realizam a transição simultânea para o estado resistivo limitando a corrente. Os valores
relacionados à simulação estão apresentados na Tabela 7.1.
Tabela 7.1: Teste utilizando dispositivo multi-camada com 16 cerâmicas de mercúrio.
I
pico
circuito sem o limitador: 12,72 A
I
pico
circuito com o limitador: 8,09 A
R
sc
antes e após a medida: 16 Ω
R
sc
máximo de transição: 9,76 Ω
Limitação de corrente: 36,4 %
89
É possível observar pelo gráfico acima que o dispositivo limitador multi-camada
utilizando 16 cerâmicas de mercúrio apresenta uma limitação de corrente bem superior
do que o limitador mono-camada.
Enquanto o mono-camada apresenta uma limitação de 21,89% para a situação
demonstrada, o desempenho teórico de um limitador multi-camada completamente
carregado é de 36,4% de limitação para um nível de corrente de teste próximo ao do
teste com o limitador mono-camada.
Figura 7.2: Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada utilizando 16 pastilhas durante corrente
de falta.
É importante notar que uma boa limitação de corrente não se deve apenas a uma
alta resistência de transição do supercondutor (∆R
sc
). O que garante uma alta capacidade
de limitação é a resistência de transição da cerâmica em relação à resistência global do
circuito a ser protegido (∆R
sc
/R
total
).
A utilização de várias pastilhas supercondutoras em série eleva
excepcionalmente o valor da resistência de transição do dispositivo quando comparado
a apenas uma pastilha. Vale lembrar que o limitador configurado como mono-camada
apresenta, para uma corrente próxima de 10 A, uma resistência de transição máxima de
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Multi-Camada (16 pastilhas) – Pastilhas Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
90
0,61 Ω enquanto a configuração multi-camada é capaz de apresentar uma variação
estimada de cerca de 9,76 Ω.
Entretanto, a capacidade de limitação do dispositivo multi-camada não segue
esta mesma proporção. Isso se deve ao fato de que a associação em série de várias
pastilhas apresenta vários pontos de contato entre as cerâmicas, aumentando, assim, a
resistência total do conjunto quando em estado supercondutivo. A resistência total do
dispositivo mono-camada com sua pastilha no estado supercondutor é de
aproximadamente 1,3 Ω. A resistência total do dispositivo multi-camada é calculada em
16 Ω.
Esta alta resistência no estado supercondutor apresenta as seguintes
desvantagens:
• Diminui a capacidade de limitação do dispositivo;
• Multiplica as perdas joulicas no interior do criostato;
• Consome mais líquido refrigerante no interior do criostato;
• Interfere diretamente no circuito o qual está protegendo uma vez que o
dispositivo de proteção deve ter impedância mínima para não afetar a
tensão sobre a carga.
Uma possível solução para este problema é a utilização de cilindros
supercondutores de alturas maiores. Se ao invés de 16 pastilhas supercondutoras de
mercúrio, de altura 5 mm cada, for considerado um único cilindro supercondutor de 80
mm instalado no dispositivo limitador, o mesmo passaria a apresentar a mesma
resistência global em estado supercondutivo que o limitador mono-camada apresentado,
ou seja, 1,3 Ω.
Considerando este novo arranjo, a curva teórica da limitação seria como
apresentando na Figura 7.3. A Tabela 7.2 apresenta os valores da simulação.
Tabela 7.2: Teste utilizando dispositivo multi-camada com cerâmica única de 80 mm de altura.
I
pico
circuito sem o limitador: 12,72 A
I
pico
circuito com o limitador: 2,31 A
R
sc
antes e após a medida: 1,3 Ω
R
sc
máximo de transição: 9,76 Ω
Limitação de corrente: 81,8 %
91
Figura 7.3: Curva simulada das correntes para o limitador multi-camada utilizando uma cerâmica de altura 80 mm.
Como é possível observar na Figura 7.3, o desempenho teórico de um
dispositivo multi-camada operando com um cilindro supercondutor de altura 80 mm é
muito superior ao dos outros modelos apresentados, causando uma limitação de corrente
de cerca de 80% durante a falta. É importante observar que nesta configuração o
dispositivo também poderia ser considerado mono-camada uma vez que, mesmo
completamente preenchido, apenas uma camada de supercondutor está instalada no
interior do mesmo.
Curva I x t – Dispositivo tipo Pilha – Configuração Multi-Camada (16 pastilhas) –
Configuração Cilindro Único Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
- Simulação
92
Capítulo 8: Conclusões
8.1 Introdução
Conforme exposto na seção 1.2, este trabalho teve como um dos seus objetivos
trazer a teoria da limitação de corrente por supercondutores para um nível mais próximo
das aplicações comerciais utilizando cerâmicas fabricadas na própria instituição de
ensino, mais precisamente no Laboratório de Alta Pressão (PRESLAB).
Os aparatos desenvolvidos não estão prontos para sua aplicação comercial,
entretanto, representam uma melhoria de condições significativas para os próximos
trabalhos do grupo SUPERA envolvendo limitadores supercondutores.
Também não foi foco deste trabalho esmiuçar toda a teoria das cerâmicas
supercondutoras concentrando-se no estudo dos seus efeitos do ponto de vista da
engenharia tais como melhoria na resistência de contato e na capacidade de limitação.
8.2 Cerâmicas Supercondutoras
As cerâmicas supercondutoras testadas durante este trabalho foram as seguintes:
• Supercondutor em ítrio - YBa
2
Cu
3
O
7
• Supercondutor em bismuto - BiSr
2
Ca
2
Cu
3
O
8.5
• Supercondutor por camada depositada - Re
0.2
Hg
0,8
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
5+x
com
substrato de PrBa
2
Cu
3
O
7
.
• Supercondutor em base de mercúrio - Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
.
Dentre as cerâmicas supercondutoras experimentadas, apenas uma delas, a
cerâmica supercondutora de base em mercúrio (Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
.) apresentou
características consistentes de limitação de corrente, em face ao valor da resistência de
contato que foi possível obter neste trabalho.
Deve-se registrar que existem ótimos limitadores de corrente com
supercondutores em base de ítrio e bismuto, por exemplo, mas com as técnicas usadas
neste trabalho para diminuir a resistência de contato, somente a cerâmica
supercondutora Hg
0,8
Re
0,2
Ba
2
Ca
2
Cu
3
O
8,7
.apresentou resultado satisfatório.
93
8.3 Injeção de Corrente
Outra conclusão importante foi o método de injeção de corrente criado para
testar as cerâmicas supercondutoras. Ficou evidente que métodos que trabalham com
injeção pontual de corrente como pinças, pontas e outros, são desaconselháveis devido
aos problemas provenientes da concentração de corrente.
É imprescindível que os terminais de injeção de corrente tenham a maior área
possível de contato, possuam um dispositivo guia para manter os elementos sempre
travados e também possuam um elemento que mantenha a pressão dos contatos
constante, como molas ou parafusos.
A diferença entre os coeficientes de dilatação das cerâmicas e do corpo dos
dispositivos que as contém pode causar variações na resistência global do dispositivo à
medida que o mesmo é refrigerado. Este fenômeno pode facilmente induzir a falsas
conclusões sobre o comportamento da resistência do supercondutor durante as
mudanças de temperatura.
O dispositivo tipo pilha criado representa uma plataforma padronizada para
futuros testes de pastilhas supercondutoras de maneira que é possível testar não só
várias pastilhas de um mesmo material, como também mesclar diferentes cerâmicas
para se conseguir efeitos de limitação de corrente diferenciados, criando-se um
gradiente funcional, ou um perfil de limitação específica para cada nível de corrente que
submete o dispositivo.
Ao contrário dos primeiros dispositivos experimentados, o dispositivo tipo pilha
criado se mostrou confiável no teste de corrente pois não apresenta variação excessiva
da resistência de contato não induzindo, assim, falsas conclusões relativas à variação de
resistência do supercondutor.
8.4 Bancada de Testes
Este trabalho proporcionou avanço significativo na metodologia de teste dos
limitadores. Foram criados softwares, metodologias e procedimentos que serão úteis
para próximos trabalhos. A padronização da metodologia de testes promove a maior
94
eficiência nos trabalhos tendo em vista que não será necessário empenhar esforços nos
ferramentais de teste mantendo, assim, foco nos efeitos de limitação das cerâmicas.
8.5 Próximos Trabalhos
No decorrer deste trabalho foi possível observar que os limitadores
supercondutores resistivos possuem a vantagem da simplicidade de aplicação,
entretanto, também possuem algumas desvantagens, que são:
• A passagem integral da corrente sobre a cerâmica submete a mesma a um
esforço contínuo podendo até danificar a cerâmica durante a ocorrência
de faltas de grande amplitude;
• Os elementos de contato encontram-se mergulhados no líquido
refrigerante e, geralmente, são nestes elementos que ocorre a maior
dissipação de calor durante a passagem da corrente. Isto contribui para o
aquecimento do dispositivo e o consumo excessivo do líquido
refrigerante;
• Por trabalharem com métodos de injeção direta de corrente, a qualidade
dos contatos elétricos pode variar significativamente à medida que
faiscamentos podem ocorrer entre superfícies de contato irregulares.
Considerando os fatores acima, faz-se necessário para os próximos trabalhos o
desenvolvimento de limitadores do tipo indutivo com funcionamento por injeção
indireta de corrente ou que operem por fluxo magnético. Isto quer dizer que o simples
acionamento do dispositivo limitador através do uso de um transformador não traz
benefícios significativos, uma vez que ainda há injeção de corrente direta no
supercondutor e no criostato e os problemas acima citados podem até ser agravados.
Faz-se necessário o desenvolvimento da manufatura de cerâmicas supercondutoras
cilíndricas ocas para criação de limitadores de núcleo blindado, os quais descartam
completamente a injeção direta de corrente na cerâmica.
95
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