ESTUDIO DE LOS DISPOSITIVOS SFCL (SUPERCONDUCTING FAULT
CURRENT LIMITER), COMO ALTERNATIVA REAL DE PROTECCIÓN
CONTRA CORRIENTES DE FALLA
CARLOS ALBERTO MORENO TAPIA
CÓD. 20161372087
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C.
2018
ESTUDIO DE LOS DISPOSITIVOS SFCL (SUPERCONDUCTING FAULT
CURRENT LIMITER), COMO ALTERNATIVA REAL DE PROTECCIÓN
CONTRA CORRIENTES DE FALLA
CARLOS ALBERTO MORENO TAPIA
Cód. 20161372087
DIRECTOR:
Ing. CARLOS ALBERTO AVENDAÑO
Trabajo presentado como requisito parcial para optar el título de:
Ingeniero Eléctrico
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA ELÉCTRICA
BOGOTÁ D.C.
2019
NOTA DE ACEPTACIÓN
_________________________________
_________________________________
_________________________________
_________________________________
FIRMA DIRECTOR
_________________________________
FIRMA JURADO 1
_________________________________
CIUDAD Y FECHA
LISTADO DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1: Región superconductora de elementos según parámetros críticos (AZO MATERIALS,
s.f.)..................................................................................................................................................... 16
Ilustración 2: Tabla periódica de elementos químicos con características superconductoras a baja
temperatura, en condiciones normales o alteradas en laboratorio (Eck, 1999). ................................ 17
Ilustración 3 Comportamiento de los parámetros críticos de los superconductores de tipo 1 y 2
(Rolf, 1994) ....................................................................................................................................... 20
Ilustración 4 Ejemplo comparativo entre un material superconductor de tipo 1 y tipo 2 (Rolf, 1994)
........................................................................................................................................................... 20
Ilustración 5. Formas de onda de corriente generalizada con y sin limitador de falla ( Electric Power
Research Institute (EPRI), 2009) ...................................................................................................... 23
Ilustración 6. SFCL tipo Resistivo con impedancia Shunt y un diagrama normalizado de voltaje y
corriente en un superconductor a temperatura y campo magnético constante (EPRI, 2009) ............ 24
Ilustración 7. Esquema SFCL de tipo inductivo (Ahmed, 2002) ...................................................... 28
Ilustración 8. Funcionamiento SFCL tipo híbrido ( Electric Power Research Institute (EPRI), 2009)
........................................................................................................................................................... 29
Ilustración 9. Esquema SFCL tipo núcleo saturable (Linmang Wang, 2012) ................................... 30
Ilustración 10. Operación de un SFCL tipo resistivo vs tipo núcleo saturable (Western Power
Distribution , 2017) ........................................................................................................................... 30
Ilustración 11. SFCL tipo híbrido (Linmang Wang, 2012) ............................................................... 31
Ilustración 12. Estructura del SFCL tipo blindaje magnético (Linmang Wang, 2012) ..................... 32
Ilustración 13. SFCL núcleo blindado (Chetna V. Chaudhary, 2015) .............................................. 32
Ilustración 14. SFCL tipo puente (Zhang. Z., 2006). ........................................................................ 33
Ilustración 15. SFCL de tipo activo (Zhang. Z., 2006) ..................................................................... 33
Ilustración 16. SFCL tipo reactancia de tres fases (Zhang. Z., 2006) ............................................... 34
Ilustración 17. Modelo simplificado PSCAD del circuito Avanti con SFCL ( Electric Power
Research Institute (EPRI), 2009) ...................................................................................................... 35
Ilustración 18. Diseño CEC FCL núcleo saturado (Franco Moriconi, 2010). ................................... 36
Ilustración 19. Contenedor criogénico CEC SFCL (Franco Moriconi, 2010) .................................. 36
Ilustración 20. CEC FCL Instalado en la subestación Shandin, San Bernardino California (Franco
Moriconi, 2010). ................................................................................................................................ 37
Ilustración 21. Prueba de verificación de rendimiento del CEC FCL (Franco Moriconi, 2010) ...... 38
Ilustración 22. Prueba de sobre esfuerzo (Franco Moriconi, 2010). ................................................. 39
Ilustración 23. Secuencia de doble falla y operación de re-cierre del CEC SFCL ............................ 39
Ilustración 24. Unifilar subestación Chester Street con RSFCL. ...................................................... 41
Ilustración 25. Ubicación del RSFCL en la subestación Chester Street (WESTERN POWER
DISTRIBUTION FLEXDGRID, 2013) ............................................................................................ 41
Ilustración 26. Modelo CAD RSFCL enclosure (Jonathan Berry – Innovation and Low Carbon
Networks Engineer, 2014)................................................................................................................. 42
Ilustración 27. Recinto RSFCL subestación Chester Street (Western Power Distribution (WPD)) . 42
Ilustración 28. Modelo CAD módulo RSFCL (Beate WEST, 2105) ................................................ 43
Ilustración 29. Esquema general del sistema de refrigeración RSFCL (WESTERN POWER
DISTRIBUTION (FLEXDGRID), 2016) ......................................................................................... 43
Ilustración 30. Sistema de refrigeración RSFCL Chester Street (WESTERN POWER
DISTRIBUTION (FLEXDGRID), 2016) ......................................................................................... 44
Ilustración 31. Módulos RSFCL uno por fase en contenedores criogénicos (WESTERN POWER
DISTRIBUTION (FLEXDGRID), 2016) ......................................................................................... 44
Ilustración 32. Circuito implementado en pruebas de corto circuito y limitación de corriente RSFCL
(WESTERN POWER DISTRIBUTION, 2016) ............................................................................... 45
Ilustración 33, Corriente pico soportada por el dispositivo en la línea 2 (WESTERN POWER
DISTRIBUTION , 2016)................................................................................................................... 46
Ilustración 34. Limitación de corriente de falla actual en la subestación Chester Street (WESTERN
POWER DISTRIBUTION , 2016) .................................................................................................... 46
Ilustración 35. Paso de corriente nominal en el subestación Chester Street antes y después de
implementación el RSFCL (WESTERN POWER DISTRIBUTION , 2016) ................................... 47
Ilustración 36 Ubicación geográfica de la subestación Icheon y vista de la subestación Icheon (Min
Jee Kim, 2011) .................................................................................................................................. 48
Ilustración 37. Unifilar de la ubicación del SFCL hibrido en la subestación Icheon (Min Jee Kim,
2011) ................................................................................................................................................. 49
Ilustración 38. Diagrama del SFCL hibrido y secuencia de la limitación de corriente de falla (Min
Jee Kim, 2011). ................................................................................................................................. 50
Ilustración 39. Dispositivo SFCL Icheon (a) Modulo HTS (b) Módulos FS (c) Módulo CLR (Min
Jee Kim, 2011) .................................................................................................................................. 51
Ilustración 40 Prueba de corriente asimétrica por fase a 12,5 kA RMS (Min Jee Kim, 2011). ........ 52
Ilustración 41. SFCL hibrido instalado en subestación Icheon (Min Jee Kim, 2011). ...................... 53
Ilustración 42. Curva actual de comportamiento diario de la corriente ............................................ 54
Ilustración 43. Temperatura, presión y nivel del nitrógeno líquido (Min Jee Kim, 2011). ............... 54
- Ilustración 44. Muestra superconductora 𝑮𝒅𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶 .......................................................... 56
Ilustración 45 unidad de medida de origen Keithley 2460 KEITHLEY ........................................... 58
Ilustración 46 Probeta para ensayo de muestra superconductora ...................................................... 58
Ilustración 47. Efecto Meissner con muestra de 𝑮𝒅𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶𝟕 ..................................................... 59
Ilustración 48. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente ............................................ 60
Ilustración 49 Disposición de electrodos para medición de resistencia eléctrica según el método de
Van der Pauw (FRAGA, 1995) ......................................................................................................... 61
Ilustración 50. Curva V vs I Prueba de resistencia eléctrica ............................................................. 62
Ilustración 51. Resistencia de la muestra superconductora a temperatura ambiente ......................... 62
Ilustración 52. Prueba de resistencia eléctrica 77 K .......................................................................... 63
Ilustración 53. Recipiente fabricado para prueba de resistencia eléctrica a 77 K ............................. 64
Ilustración 54. Recipiente modificado para prueba de resistencia eléctrica ...................................... 65
Ilustración 55. Prueba de resistencia eléctrica a 77 K ....................................................................... 65
Ilustración 56 Diagrama de fases campo magnético H vs temperatura critica Tc (FRAGA, 1995). 66
Ilustración 57 Comportamiento magnético frente a diferentes tazas de enfriamiento para YBACUO
(J. Roa-Rojas, 2002). . ....................................................................................................................... 67
Ilustración 58. Criostato para medir propiedades de transporte (1) Porta muestras, (2) y (5) tomas de
vacío, (3) válvulas de aguja, (4) entrada para el transvase, (6) depositito de N2, (7) y (11) Pantallas
aislantes, (8) solenoides, (9) depósito de He y (10) camisas de vacío (FRAGA, 1995). .................. 69
Ilustración 59 Característica Corriente – Tensión, medidas en un puente de (100 μm x 1 mm) en una
película de 𝑬𝒖𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶𝟕 a 50 K. .................................................................................................. 70
Ilustración 60 Comparación de tecnologías limitadoras de corrientes (SUPEROX, 2018). ............. 72
Ilustración 61 Superior - Despeje de un corto circuito de 100 kA con tecnologías, reactor inductivo,
circuito electrónico de apertura rápida (DHR), SFCL y controlador rectificador, a una distancia del
punto a proteger. Inferior - Despeje de un corto circuito de 100 kA con tecnologías, reactor
inductivo, circuito electrónico de apertura rápida (DHR), SFCL y controlador rectificador a larga
distancia del punto a proteger (Sam Breugelmans∗, 2014). .............................................................. 73
LISTADO DE ECUACIONES
Ecuación 1: Longitud de coherencia Ginzburg-Landau .................................................................... 18
Ecuación 2: Longitud de penetración Ginzburg-Landau .................................................................. 19
Ecuación 3: Parámetro Ginzburg-Landau ......................................................................................... 19
Ecuación 4: Modelo exponencial simplificado Rsc (A. Etxegarai, 2017) ........................................ 25
Ecuación 5: Modelo eléctrico SFCL resistivo (A. Etxegarai, 2017) (A. Etxegarai, 2017) ............... 25
Ecuación 6: Etapa 1 limitadora de corriente máxima de falla (A. Etxegarai, 2017) ......................... 26
Ecuación 7: Etapa 2 limitadora valor eficaz de la falla (A. Etxegarai, 2017) ................................... 26
Ecuación 8: Etapa 3 Resistividad del material en función de la temperatura crítica y la corriente (A.
Etxegarai, 2017) ................................................................................................................................ 26
Ecuación 9: Función lineal de corriente crítica respecto de la temperatura (A. Etxegarai, 2017) .... 26
Ecuación 10: Función lineal de resistividad del material respecto de la temperatura (A. Etxegarai,
2017) ................................................................................................................................................. 26
Ecuación 11: Cálculo del aumento de la temperatura en el material debida a disipación de potencia
(A. Etxegarai, 2017) .......................................................................................................................... 27
Ecuación 12. Campo Magnético critico modelo Beam superconductores ........................................ 28
Ecuación 13. Relación Campo crítico, devanado y corriente (Bello, 2008) ..................................... 28
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1: Listado de materiales superconductores convencionales y su temperatura crítica (Eck,
1999).. ............................................................................................................................................... 17
Tabla 2. Parámetros de diseño CEC FCL (Franco Moriconi, 2010) ................................................. 37
Tabla 3. Parámetros eléctricos del dispositivo RFCLS de la subestación Chester Street (Beate
WEST, 2105) ..................................................................................................................................... 42
Tabla 4 Parámetros eléctricos del SFCL hibrido (Min Jee Kim, 2011). .............................................. 52
Tabla 5. Porcentajes de corriente de corto circuito limitadas por cada tecnología (Sam
Breugelmans∗, 2014) ........................................................................................................................ 73
LISTADO DE ABREVIATURAS
B
BCS: Bardeen–Cooper–Schrieffer · 9
BIL: Basic Insulator Level · 37
C
C_b: Dipositivo de corte SFCL resistivo · 23
CEC: California Energy Commission · 35
CLR: Current Limiter Reactor · 50
D
DOE: Departament Of Energy · 35
F
FS: Fast Switch · 50
H
Hc: Campo magnetico crítico · 15
Hc2: Campo magnético crítico 2 · 21
Hg: Mercurio · 15
HTS: Superconductor de alta temperatura · 25
I
I_(p1 ): Reduccion de corriente de falla 1 debida la
limitador · 23
I_max: Corrinte pico de falla · 23
I_p2: Reducción de corriente 2 de falla debida la
limitador · 23
In: Corriente nominal · 17, 23
J
Jc: Densidad de correinte crítica · 15
K
K: Kelvin · 15
KEPCO: Korea Electric Power Corporation · 49
KEPRI: Korea Electric Power Research Institute · 48
L
LCN: Low Carbon Networks · 40
LSIS: LS Industrial Systems · 48
M
medio criogénico (Criogénia): Es el conjunto de
técnicas utilizadas para enfriar un material a la
temperatura de ebullisión del nitrógeo o a
temeperaturas aun mas bajas. (77,36 Kelvin).
También se emplea helio líquido que permite
alcanzar temepraturas de 4,22 Kelvin. · 14
R
R_sc: Elemento supercondcutor SFCL resistivo · 23, 25
S
SCE: Southern California Edison Co · 35
SFCL · 9; Superconductor Fault Current Limiter · 9
T
t_a: Tiempo de acción · 23; Tiempo de acción del
limitador de corriente SFCL · 23
t_p1: Tiempo de disminución de corriente 1 · 23
Tc: Tempereatura crítica · 15
U
U.K.: United kingdow · 40
W
WPD: Western Power Distribution · 40
Z
ZEN: Zenergy Power, Inc · 35
RESUMEN
Este estudio describe el funcionamiento de algunos de los dispositivos SFCL más
relevantes, diseñados y fabricados en los últimos 20 años, para ésta labor se parte de los
inicios de la superconductividad, pasando por la teoría BCS y algunas teorías
complementarias que permitirán entender el funcionamiento de los diferentes tipos de
materiales superconductores empleados como limitadores de corrientes de falla.
Se describen las configuraciones básicas, así como las de algunos prototipos empleados en
aplicaciones reales alrededor del mundo, dado que algunos de ellos emplean elementos
adicionales para su funcionamiento.
Para dar una visión clara y tangible del funcionamiento de los dispositivos SFCL se
efectuaron pruebas donde se sometió una muestra de material superconductor a señales de
corriente nominales y de falla.
Por último, se realizó una comparación entre las protecciones de corrientes de falla
convencionales y los dispositivos SFCL reseñados por el estudio, esto en cuanto a
eficiencia y costos, finalmente se procedió a concluir.
Palabras clave: Limitador de corriente, Superconductores, corrientes de falla, SFCL,
Protecciones contra corriente de falla.
ABSTRACT
This study describes the operation of some of the most important SFCL devices designed
and manufactured in the last 20 years, for this work it starts of the beginnings of
superconductivity, going through the theory BCS and some complementary theories that
will allow understanding the operation of the different types of superconducting
compounds used as fault current limiters.
The basic configurations are described, as well as those of some prototypes used in real
applications around the world, since some of them use additional elements for their
operation, each configuration is explained in detail.
To give a clearer and more tangible view of the functioning of the SFCL devices, tests were
carried out where a SFCL prototype was subjected to nominal and fault current signals.
Finally, a comparison was made between the protections of conventional fault currents and
the SFCL devices reviewed by the study, this in termsof efficiency and costs, finally
proceeded to conclude.
Keywords: Current limiter, Superconductor, fault currents, SFCL, Fault current protections.
Contenido
LISTADO DE ILUSTRACIONES 4
LISTADO DE ECUACIONES 6
LISTADO DE TABLAS 6
LISTADO DE ABREVIATURAS 7
RESUMEN 9
INTRODUCCIÓN 13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14
2. OBJETIVOS DEL PROYECTO 15
2.1. Objetivo general 15
2.2. Objetivos específicos 15
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS DISPOSITIVOS SFCL 15
3.1. Materiales superconductores 15
3.1.1. Materiales superconductores convencionales o de tipo 1 17
3.1.2. Materiales superconductores no convencionales o de tipo 2 18
3.2. TIPOS DE DISPOSITIVOS SFCL 22
3.2.1. SFCL tipo resistivo 23
3.2.2. SFCL Tipo inductivo 27
3.2.3. Otros tipos de SFCL 29
4. ALGUNOS DE LOS DISPOSITIVOS SFCL IMPLEMENTADOS EN SISTEMAS
ELÉCTRICOS ALREDEDOR EL MUNDO 34
4.1. Circuito de distribución avanti, sur de california e.u. 35
4.2. Subestación chester street u.k. 40
4.3. Subestación icheon Corea del sur. 47
5. PRUEBAS A MATERIAL SUPERCONDUCTOR, FENÓMENOS Y MEDICIONES, COMO
PRINCIPIO DE LOS DISPOSITIVOS SFCL. 55
5.1. Materiales 55
5.2. Pruebas realizadas 59
5.2.1. Prueba de efecto Meissner 59
5.2.2. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente 60
5.2.3. Prueba de resistencia a 77 K. 63
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 66
6.1. Prueba de efecto Meissner. 66
6.2. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente 68
6.3. Prueba de resistencia eléctrica a 77 K. 68
6.4. Prueba en condiciones de falla 70
7. COMPARACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS SFCL VS TECNOLOGÍAS
CONVENCIONALES EMPLEADAS COMO PROTECCIONES O LIMITADORES DE
CORRIENTES DE FALLA. 71
8. CONCLUSIONES 74
BIBLIOGRAFÍA 76
13
INTRODUCCIÓN
Dado que los modelos matemáticos y teóricos no se han establecido plenamente en el
fenómeno de la superconductividad, se trabaja en la producción de nuevos compuestos que
permita la implementación de estos dispositivos en casos reales.
En la actualidad los dispositivos SFCL están apareciendo como una nueva alternativa para
proteger contra corrientes de falla los sistemas eléctricos de potencia. Sin embargo esta
tecnología es joven y presenta muchos desafíos, solo algunos países de Europa y Asia han
dado grandes avances en estudios relacionados con el área, motivo que les ha permitido
implementar los primeros prototipos en sistemas eléctricos de mediana potencia (Nexas,
2009).
En este estudio se abordan los dispositivos SFCL desde sus orígenes en el fenómeno
superconductor y los materiales donde se presenta. A partir de ello aparecen los diferentes
tipos de SFCL los cuales intentan adaptarse a las características de los sistemas eléctricos
actuales, postulándose como una solución al aumento de la demanda energética,
involucrando los sistemas de generación distribuida y las energías alternativas (WESTERN
POWER DISTRIBUTION (FLEXDGRID), 2016).
Teniendo en cuenta los desafíos presentados en casos particulares alrededor del mundo se
hace necesario abordar esta tecnología de forma práctica, es así como mediante pruebas de
laboratorio se observa el fenómeno superconductor.
Finalmente será necesario evaluar estas tecnologías y determinar a través de la información
que presenta éste estudio, la factibilidad de esta tecnología en los sistemas de potencia, sus
ventajas y desventajas respecto a las tecnologías convencionales.
14
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La superconductividad es un fenómeno físico que fue descubierto en 1911 por el físico
Heike Kamerling Onnes, (The Nobel Foundation, 2014). Para entonces se observó como la
resistencia eléctrica en el mercurio se hacía nula cuando éste se llevaba a temperaturas
cercanas al cero absoluto 0 K.
Fue entonces cuando se comenzó a especular sobre aplicaciones sin precedentes como la
creación de grandes campos magnéticos mediante bobinas superconductoras.
En la actualidad sigue sin conocerse o formularse una teoría que explique el principio
general de superconductividad y que contemple todos los compuestos superconductores
descubiertos hasta el momento, así mismo que permita predecir compuestos y sus
características ((ICMM-CSIC) Instituto de ciencia de materiales de Madrid- Consejo
superior de investigaciones científicas, s.f.).
Sin embargo, esto no ha sido impedimento ya que en la actualidad existen varias
aplicaciones que emplean materiales superconductores; el transporte, la medicina y la
energía eléctrica, han sido algunas áreas donde se han logrado implementar. En el caso
particular de la electricidad y contrario a lo que se pudiere pensar han sido pocos los
escenarios en los que se ha logrado reemplazar tecnología convencional con tecnología
basada en superconductores, los estudios y prototipos continúan apareciendo pero sigue
faltando investigación para su implementación final en problemas reales (Fondo de cultura
económica de México, 1997).
Un caso particular son los dispositivos SFCL, estos se han venido desarrollando desde hace
varias décadas, actualmente ya se encuentran funcionando en aplicaciones reales
principalmente en niveles de media tensión. Países europeos y asiáticos son pioneros en el
desarrollo de esta tecnología que se caracterizan por su velocidad de respuesta y capacidad
de disipar gran cantidad de energía, además de lograr un sistema ininterrumpido frente a
fallas de cortocircuito y sobrecarga. Otra de sus ventajas es que solo dependen de un medio
criogénico* y de sí mismos para operar, contrario a las protecciones convencionales que
requieren para la misma causa, una serie de elementos complementarios como equipos de
medida, relés y motores (Nexas, 2009).
En la región se investiga sobre compuestos superconductores, aunque el tema de
aplicaciones específicamente de dispositivos SFCL es escaso. Dadas las ventajas
económicas entre otras que pudieren traer los SFCL en los sistemas eléctricos, se hace
necesario aumentar los conocimientos y las investigaciones en el área (Constain, 2016) .
15
2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
A continuación, se presentan los objetivos planteados por el estudio.
2.1. Objetivo general
Estudiar los dispositivos SFCL (Superconducting Fault Current Limiter) como una
alternativa de protección contra corrientes de falla.
2.2. Objetivos específicos
- Estudiar los diferentes tipos de dispositivos SFCL más comunes, configuración y
funcionamiento.
- Mostrar el potencial de los dispositivos SFCL mediante casos particulares existentes
alrededor del mundo.
- Realizar pruebas de laboratorio a un SFCL tipo resistivo que permita el entendimiento
práctico de su operación.
- Determinar las ventajas y desventajas de los dispositivos SFCL respecto a una
protección contra corrientes de falla convencional.
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS DE LOS DISPOSITIVOS SFCL
Los dispositivos SFCL nacen al considerar el comportamiento de los materiales
superconductores como ideal para limitar grandes corrientes eléctricas.
Dado que las condiciones necesarias para que el fenómeno se presente son complejas y
dependen exclusivamente del material, se hace necesario hallar materiales con mejores
características, lo que ha motivado investigaciones cuyo propósito es encontrar nuevos
materiales para su uso en los sistemas eléctricos.
Como la razón de ser de los SFCL son los materiales superconductores, es necesario
conocer algunas de sus características, así como su evolución.
3.1. Materiales superconductores
Como se mencionó anteriormente la superconductividad fue evidenciada al llevar el
mercurio (Hg) a una temperatura cercana a los 0 K, en éste caso se logró ver que la
resistencia eléctrica se hacía nula (cero), este evento fue procedido por estudios que
permitieron determinar los demás parámetros limitantes del fenómeno superconductor, en
resumen estos parámetros son:
Temperatura crítica (Tc)
Densidad de Corriente Crítica (Jc)
Campo magnético Crítico (Hc)
16
Ilustración 1: Región superconductora de elementos según parámetros críticos (AZO MATERIALS, s.f.).
En la ilustración 1 se presenta la región donde los elementos cuentan con sus facultades
superconductoras, dicha región está acotada por las variables de temperatura, campo
magnético y densidad de corriente. Fuera de esta región cada material que pudiera ser
superconductor mostrará sus características normales.
Este comportamiento fue descrito formalmente en 1957 con la formulación la teoría BCS,
nombre formado para las iniciales de los nombres de los científicos que la formularon; una
teoría en esencia descriptiva que a grandes rasgos describe el fenómeno superconductor
como:
“Un electrón que se mueve a través de un conductor atraerá cargas positivas cercanas en el
enrejado (superficie de fermi). Esta deformación de la red causa que otro electrón, con giro
opuesto, se mueva a la región de mayor densidad de carga positiva, los dos electrones se
correlacionan. Debido a que hay muchos de estos pares de electrones (pares de Cooper) en
un superconductor, estos pares se superponen muy fuertemente y forman un condensado
altamente colectivo (Onda cuántica colectiva). En este estado "condensado" (los pares de
Cooper tienen la misma energía y adquieren la misma fase), la ruptura de un par cambiará
la energía de todo el condensado, no solo un solo electrón o un solo par. Por lo tanto, la
energía requerida para romper un solo par está relacionada con la energía requerida para
romper todos los pares (o más de dos electrones). Debido a que el emparejamiento aumenta
esta barrera de energía, las patadas de los átomos oscilantes (vibraciones térmicas de los
iones) en el conductor (que son pequeñas a temperaturas suficientemente bajas) no son
suficientes para afectar el condensado como un todo, o cualquier "par de miembros"
individuales dentro del condensado. Por lo tanto, los electrones permanecen emparejados y
resisten todas las patadas, y el flujo de electrones como un todo (la corriente a través del
superconductor) no experimentará resistencia. Por lo tanto, el comportamiento colectivo del
17
condensado es un ingrediente crucial necesario para la superconductividad” (Bardeen,
Cooper, & Schrieffer, 1957).
3.1.1. Materiales superconductores convencionales o de tipo 1
Sin embargo, la teoría BCS solo permite definir parcialmente el comportamiento de los
superconductores conocidos hasta ese momento, además no permite predecir otros
elementos con facultades superconductoras.
Dentro de los elementos conocidos en la tabla periódica se destacan para este caso
particular los elementos que pueden alcanzar el estado superconductor bajo los parámetros
ya mencionados, además de condiciones controladas como el volumen y la presión.
Ilustración 2: Tabla periódica de elementos químicos con características superconductoras a baja temperatura, en
condiciones normales o alteradas en laboratorio (Eck, 1999).
En la ilustración 2 se presentan los materiales superconductores puros contemplados por la
teoría BCS.
Tabla 1: Listado de materiales superconductores convencionales y su temperatura crítica (Eck, 1999)..
Material Tc (K)
Plomo (Pb) 7.196 K
Lantano (La) 4.88 K
Tantalio (Ta) 4.47 K
Mercurio (Hg) 4.15 K
Estaño (Sn) 3.72 K
Indio (In) 3.41 K
Paladio (Pd) 3.3 K
Cromo (Cr) 3 K
18
Material Tc (K)
Talio (Tl) 2.38 K
Renio (Re) 1.697 K
Protactinio (Pa) 1.40 K
Torio (Th) 1.38 k
Aluminio (Al) 1.2 K
Galio (Ga) 1.175 K 1.083 K
Molibdeno (Mo) 0.915 K
Zinc (Zn) 0.85 K
Osmio (Os) 0.66 K
Circonio (Zr) 0.61 K
Americio (Am) 0.60 K
Cadmio (Cd) 0.517 K
Rutenio (Ru) 0.49 K
Titanio (Ti) 0.40 K
Uranio (U) 0.20 K
Hafnio (Hf) 0.1 K
Iridio ( Ir) 0.128 K 0.1125
Berilio (Be) 0.023 K (SRM 768)
Tungsteno (W) 0.0154 K
Platino (Pt) 0.0019 K
Litio (Li) 0.0004 K
Rodio (Rh) 0.000325 K
3.1.2. Materiales superconductores no convencionales o de tipo 2
Simultáneamente a la teoría BCS se formuló la teoría Ginzburg-Landau, está teoría
estableció los parámetros de superconductividad de forma macroscópica, además
contempla impurezas en los materiales lo que a su vez mejora los parámetros críticos,
permitiendo así el descubrimiento de un nuevo tipo de materiales superconductores que
posteriormente se conocerían como materiales no convencionales o de tipo 2. Esta teoría
presenta los siguientes conceptos:
La longitud de coherencia de Ginzburg-Landau [ξ(T)], la cual indica la magnitud de
las fluctuaciones termodinámicas en la fase superconductora.
Tamaño aproximado del par de Cooper:
𝜉(𝑇) =√ħ2
2𝑚/𝛼(𝑇)
Ecuación 1: Longitud de coherencia Ginzburg-Landau
19
Dónde:
ħ Es la constante de Planck reducida
𝑚 Es la masa de un par de electrones
𝛼 =2𝜉𝑐
2(𝑇)
𝑠2 Define el parámetro de acoplamiento que modela el cruce (crossver) del límite
2D, en altas temperaturas y que depende de los detalles microscópicos del sistema.
Permite aproximar las fluctuaciones termodinámicas que soportará un par de Cooper,
superado éste valor el par se desorientara generando una reacción en cadena, lo que hará
que el material vuelva a sus condiciones normales.
La longitud de penetración de Ginzburg-Landau [λ] que es la profundidad hasta la
que llega a penetrar un campo magnético en una muestra en fase superconductora:
𝜆 =√𝑚
4𝜇0𝑒2𝛹02
Ecuación 2: Longitud de penetración Ginzburg-Landau
Dónde:
𝛹02 Representa la densidad de pares de Cooper
𝑒 Representa la carga de un par de electrones
𝑚 Es la masa de un par de electrones
𝜇0 Es la permeabilidad magnética del vacío.
Esta variable establece la frontera permisible para el campo magnético externo, por encima
de esta frontera el material dejará de comportarse como superconductor.
Si se calcula el cociente entre la longitud de coherencia y la de penetración, se
obtiene lo que se conoce como el parámetro de Ginzburg-Landau:
𝑘 =𝜆
𝜉
Ecuación 3: Parámetro Ginzburg-Landau
Este parámetro permite diferenciar los superconductores de tipo I y los de tipo II, ya que,
como demostró Abrikósov:
• Si k < 1/√2 (especialmente, si k << m) entonces la energía superficial del
superconductor es positiva y se trata de un superconductor de tipo I,
20
• Si k > 1/√2 (especialmente, si k >> m) entonces la energía superficial del
superconductor es negativa y se trata de un superconductor de tipo II
Con la aparición de estos nuevos parámetros se hizo necesario distinguir entre dos tipos de
materiales superconductores, los convencionales y lo son convencionales o de tipo 1 y 2,
respectivamente.
Ilustración 3 Comportamiento de los parámetros críticos de los superconductores de tipo 1 y 2 (Rolf, 1994)
Como se puede apreciar en la ilustración 3, los materiales de tipo 2 tienen como
características relevantes respecto a los de tipo 1, la aparición de un segundo campo
magnético crítico y de mayor magnitud, así como una mayor temperatura crítica. Esto se da
gracias a un “estado mixto” del material, superconductor-normal.
Ilustración 4 Ejemplo comparativo entre un material superconductor de tipo 1 y tipo 2 (Rolf, 1994)
En la ilustración 4 se presenta un ejemplo real de dos materiales superconductores uno de
tipo 1 y otro de tipo 2, en esta ilustración se evidencian las proporciones de sus parámetros
críticos, temperatura y campo magnético. La temperatura crítica en el material de tipo 2 es
más de 4 veces la del tipo 1, así mismo el campo magnético 𝐵𝑐2 es casi 600 veces más
grande que 𝐵𝑐.
21
Estos materiales con temperatura mayor y un segundo campo critico se denominaron como
superconductores no convencionales o de TIPO 2, siendo así los elementos con un solo
campo crítico y temperatura critica no mayor a los 5 K, los denominados de TIPO 1 o
convencionales.
Dado que los parámetros para que la superconductividad se diera en los materiales seguían
siendo complejos e inviables en aplicaciones, era y es necesario continuar los estudios en el
ámbito, lo que ha permitido la aparición de nuevos materiales.
Fue en los años 60 y 70 cuando trabajos realizados entre físicos y químicos y cuyo fin era
buscar materiales con temperaturas criticas mayores, rinde fruto, obteniendo materiales con
temperaturas criticas de 18.5 K y con un campo magnético 𝐵𝑐2 mucho mayor.
Como primera medida los compuestos superconductores empleados en dispositivos SFCL
corresponden a los denominados Superconductores de TIPO 2, esto significa que van a
tener una mayor temperatura y corriente crítica de operación respecto a los
superconductores de tipo 1 que fueron los primeros en aparecer y que operan a
temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que hace más complejo y costoso su uso (A. G.
Mamalis, 2002).
El descubrimiento de nuevos materiales con mejores parámetros críticos durante los años
60 y 70, en donde participó activamente el físico Bernd Theodor Matthias, permitió iniciar
aplicaciones con grandes campos magnéticos, como por ejemplo equipos de tomografías
empleados en la adquisición de imágenes de órganos y tejidos. (The National Academies of
SCIENCES ENGINEERING MEDICINE, 2001).
Sin embargo, fue hasta 1986 cuando se descubre el compuesto LaSrCuO que sorprende por
su temperatura crítica 36 K y un año más tarde YBaCuO con 93 K. A esta nueva
generación de compuestos se le denomino “cupratos” y hacen parte de la familia de los
superconductores de alta temperatura o de tipo II (The Nobel Fundation, 2014).
En el 2008 se descubrieron los materiales superconductores basados en planos de hierro
con temperatura crítica máxima de 56 K ((ICMM-CSIC) Instituto de ciencia de materiales
de Madrid- Consejo superior de investigaciones científicas).
En la actualidad existe un gran menú de materiales superconductores y continúan
apareciendo nuevos, cada vez con temperaturas más cercanas a los 0°C el propósito es
encontrar un material que se comporte como superconductor a temperatura ambiente es por
ello que aún hay un largo camino en la investigación de materiales y el fenómeno
superconductor.
Las técnicas de fabricación de estos materiales son variadas y complejas, además van de la
mano con el uso y la combinación de elementos para la obtención de compuestos. Esta
22
tarea es generalmente ejecutada por físicos y químicos dados a estas líneas de
investigación.
Algunas de estas técnicas de fabricación son:
Hidroformado
Hilado
Conformación galvanoplástica
Películas superconductoras en estructura separada
Recubrimiento por galvanoplastia
Técnicas de caracterización de muestras
Difracción de rayos x
Microscopia electrónica de barrido (SEM)
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
Microscopia electrónica de transmisión (TEM)
(C. Benvenuti, 1995) (Constain, 2016)
Las técnicas mencionadas corresponden a procesos relacionados con la obtención de cintas
superconductoras.
3.2. TIPOS DE DISPOSITIVOS SFCL
Los dispositivos SFCL o limitadores de corrientes de falla con materiales superconductores,
son tecnologías que basan su funcionamiento en uno de los fenómenos físicos que se
presentan al llevar materiales a estados superconductores, el fenómeno referente consiste en
transportar electricidad sin pérdidas como se pudo mencionar anteriormente.
Dicho fenómeno se presenta bajo ciertos parámetros característicos de los materiales, sin
embargo, cuando se está por fuera de estos parámetros el material deja de ser
superconductor y vuelve a su estado normal, éste estado desde el punto de vista eléctrico
será como el de un elemento no conductor. Dado este comportamiento y sus limitantes de
corriente crítica y temperatura, se pensó en la implementación de estos materiales en
sistemas eléctricos con el fin de protegerlos contra las grandes magnitudes de corrientes
que se pueden producir durante una falla.
En la actualidad existen dos tipos de limitadores de corrientes de falla basados en
materiales superconductores, el SFCL tipo resistivo y el SFCL tipo inductivo; para cada
uno de ellos se encuentran diferentes modelos y configuraciones sin embargo el principio
de operación es el mismo (Bello, 2008). A continuación, se presentan una curva que
caracteriza su operación, así como algunas de estas configuraciones.
23
Ilustración 5. Formas de onda de corriente generalizada con y sin limitador de falla (
Electric Power Research Institute (EPRI), 2009)
La ilustración 5 Describe de forma general tres fases de operación para los dispositivos
SFCL, en la fase uno el dispositivo se comporta como un tramo de conductor por el que
circula una corriente alterna nominal In en estado estable. En la segunda fase se da una
condición de falla donde el dispositivo suprime la corriente pico esperada de corto circuito
Imax, esto lo hace en un tiempo de accion ta = tp2 − tp1, llevando la corriente de pico de
falla Imax a valores de corrientes menores Ip1 inicialmente, y posteriormente a un valor de
corriente pico de falla Ip2. Por ultimo la fase tres o de recuperación, se dará cuando se
supere la falla, permitiendo al dispositivo volver a operar en su estado de baja impedancia o
estado inicial de la fase 1.
3.2.1. SFCL tipo resistivo
Uno de los dispositivos SFCL más comunes es el dispositivo de tipo resistivo, este está
compuesto por un elemento Rsc superconductor conectado en paralelo con una impedancia
tipo Shunt. Opcionalmente algunos prototipos incluyen un dispositivo de corte Cb (Dong
Keun Park, 2007).
24
Ilustración 6. SFCL tipo Resistivo con impedancia Shunt y un diagrama normalizado de
voltaje y corriente en un superconductor a temperatura y campo magnético constante
(EPRI, 2009)
En la ilustración 6 se muestra el modelo eléctrico de un SFCL tipo resistivo acompañado
por una gráfica de funcionamiento.
En condiciones normales de operación el material superconductor se comporta como un
tramo más de conexión del circuito (conductor), al presentarse un aumento drástico de
corriente el compuesto se convertirá en una alta impedancia limitando la corriente. Cuando
el compuesto deja su estado superconductor para volverse impedancia, aparecerá sobre él
una diferencia de potencial; si el propósito es limitar grandes corrientes como las que se
pueden presentar en un sistema de potencia, dicha diferencia de potencial presentará un
riesgo, para evitar este efecto el prototipo involucra una impedancia shunt inductiva,
permitiendo que por ella circulen controladamente las corrientes rechazadas por el material,
disminuyendo así voltajes peligrosos en él mismo.
Por último y con el fin de refrigerar el material para que recupere sus propiedades
superconductoras, se introduce un dispositivo de corte Cb, esté será opcional dependiendo
de las necesidades y características de la instalación donde se emplee.
Para los primeros prototipos SFCL resistivos se emplearon materiales de tipo 1, lo que
resulto muy dispendioso y costoso, dada la complejidad del proceso para llevar estos
25
materiales a su estado superconductor, entre otras cosas debido al uso de helio licuado, que
es el único elemento que permite llevar estos materiales a su temperatura de operación.
Posteriormente se emplearon materiales de tipo 2 o de alta temperatura crítica (HTS),
dentro de estos se resalta el uso de YBCO en conductores recubiertos, también llamados la
segunda generación (2G) de HTS. En comparación con otros materiales se resaltan las
siguientes mejoras:
- Mayor área de superficie de enfriamiento (en contraste con la relación de volumen a
granel),
- Mejor rendimiento bajo Tensión electro-mecánica y choques térmicos inducidos por
corrientes de falla.
- Mayor flexibilidad de diseño para ensayos. (H. S. Ruiz, 2015)
La siguiente expresión representa el comportamiento del elemento Rsc en condiciones de
falla, desde su estado superconductor hasta alcanzar el estado resistivo limitador de
corriente, de forma exponencial este comportamiento se puede expresar como:
Rsc(𝑡) = Rmax. (1 − 𝑒−(𝑡−t0
𝜏))
Ecuación 4: Modelo exponencial simplificado Rsc (A. Etxegarai, 2017)
La ecuación 4 permite modelar el comportamiento que tendrá Rsc en un intervalo de tiempo
donde se producirá su cambio de estado, pasando desde el estado superconductor hasta el
estado aislante o estado normal del material, la constante τ de tiempo así como t y t0
determinan el inicio y final del cambio de estado y dependerán en cierto modo del material.
Otra forma de representar el valor de la resistencia SFCL se da mediante la siguiente
expresión:
Rsfcl(𝑡) =𝐸(𝑡)∗𝐿sfcl
𝑖(𝑡)
Ecuación 5: Modelo eléctrico SFCL resistivo (A. Etxegarai, 2017) (A. Etxegarai, 2017)
Esta expresión contempla un modelo en función del comportamiento que tendrán las
funciones de campo eléctrico y corriente respecto al tiempo, así como de las dimensiones
del material. Esta relación se basa en la ley de ohm y permitirá calcular el valor de la
resistencia del superconductor a medida que cambien las variables de campo eléctrico
(Voltaje) y corriente a través del material.
Dónde:
E(t) es el campo eléctrico.
Lsfcl es la longitud del material.
26
i(t) es la corriente fluye en el material.
El aumento de la corriente durante la falla hace que el material experimente tres etapas
limitadoras las cuales se modelan mediante las siguientes expresiones, que tienen
características de leyes de potencia (Yaneer Bar-Yam, 2011), relacionando las variables de
corriente y temperatura.
𝐸1 = 𝐸𝑐 ∗ (𝑗
𝑗𝑐(𝑇))
𝛼(𝑇)
Ecuación 6: Etapa 1 limitadora de corriente máxima de falla (A. Etxegarai, 2017)
𝐸2 = 𝐸0 ∗ (𝐸𝑐
𝐸0)
(𝛽/𝛼(77𝐾)
(𝑗𝑐(77𝐾)
𝑗𝑐(𝑇)) ∗ (
𝑗
𝑗𝑐(77𝐾))
𝛽
Ecuación 7: Etapa 2 limitadora valor eficaz de la falla (A. Etxegarai, 2017)
𝐸3 = 𝜌(𝑇𝑐) ∗𝑇
𝑇𝑐∗ 𝑗
Ecuación 8: Etapa 3 Resistividad del material en función de la temperatura crítica y la corriente (A. Etxegarai,
2017)
Dónde:
jc es la corriente crítica que deberá ser ajustada a datos experimentales
α y β Dependen de las condiciones y el procesamiento del material
ρ es la resistividad
Tc es la temperatura critica
Para jc(T) y ρ(Tc) el autor del análisis propone aproximarlas como funciones lineales de
temperatura a través de la las siguientes ecuaciones.
𝑗𝑐(𝑇) ≈ 𝑗𝑐(77𝐾) ∗𝑇𝑐 − 𝑇
(𝑇𝑐 − 77𝐾)
Ecuación 9: Función lineal de corriente crítica respecto de la temperatura (A. Etxegarai, 2017)
𝜌(𝑇) = 𝜌𝑐(𝑇𝑐) ∗𝑇
𝑇𝑐
Ecuación 10: Función lineal de resistividad del material respecto de la temperatura (A. Etxegarai, 2017)
27
Ya que durante el flujo de corriente en el estado normal del material la potencia se disipa, el
aumento de la temperatura debido a esa disipación se puede calcular como:
𝑑𝑇
𝑑𝑡= 𝐸 ∗
𝐽
𝐶
Ecuación 11: Cálculo del aumento de la temperatura en el material debida a disipación de potencia (A. Etxegarai,
2017)
Dónde:
C es la capacidad por volumen del material.
Algunos modelos consideran condiciones adiabáticas, otros contemplan el modelo para la
recuperación del material (enfriamiento) el cual depende generalmente del manejo que le dé
cada prototipo a la desconexión del material, así como del medio y el sistema criogénico.
Una de las ventajas del SFCL resistivo en sistemas de corriente directa, es su acción rápida
lo que permite proteger el sistema de los aumentos rápidos de corriente que se pueden
presentar en estos sistemas.
3.2.2. SFCL Tipo inductivo
El dispositivo SFCL inductivo funciona mediante un acople magnético similar a un
transformador, la carga va conectada al devanado primario; este a su vez se conecta
mediante un núcleo ferroso al devanado secundario en donde se acopla físicamente el
material superconductor.
En operación normal, la corriente fluye en el devanado primario induciendo una corriente
en el secundario y permitiendo la energización normal de la carga. En condiciones de falla
se superará la corriente crítica del material conectado al devanado secundario de ésta forma
aumentará su impedancia, lo que disminuirá la corriente circulante en el primario,
protegiendo así la carga. Este comportamiento es análogo a tener un transformador en
circuito abierto y corto circuito en el devanado secundario.
El devanado secundario estará aislado en un medio criogénico junto con el material
superconductor, como acople a la carga cuenta con un interruptor de carga cuyo fin es el
mismo del SFCL tipo resistivo.
28
Ilustración 7. Esquema SFCL de tipo inductivo (Ahmed, 2002)
En la ilustración 7 se muestra un diagrama eléctrico del dispositivo SFCL tipo inductivo, su
conexión con la carga, así como la disposición de los devanados, se resalta el devanado
secundario que deberá estar en un medio criogénico junto con el material superconductor.
Una variable fundamental en el SFCL tipo inductivo es el campo crítico, el cual se puede
calcular mediante la siguiente expresión:
𝐻𝑐 = 𝐽𝑐 ∗ 𝑅
Ecuación 12. Campo Magnético critico modelo Beam superconductores
Dónde:
𝐻𝑐: Es el campo magnético crítico
𝐽𝑐: Es la densidad de corriente crítica del material, está dada generalmente por el fabricante
o se obtiene mediante pruebas de laboratorio.
𝑅: Es el radio del material superconductor
Obtenido el campo crítico se calcula el devanado necesario mediante la siguiente expresión.
𝐻𝑐 =𝑁 ∗ 𝐼
𝐿
Ecuación 13. Relación Campo crítico, devanado y corriente (Bello, 2008)
29
Dónde:
𝐼: Es la corriente que circulara por las espiras, se asigna según la corriente prevista de falla.
𝐿: Es la longitud de la bobina
𝑁: Es el número de espiras
Con relación al modelo resistivo el modelo inductivo tiene mayores dimensiones,
adicionalmente permite ajustar los valores de corrientes críticas deseadas con mayor
exactitud mediante la construcción y relación de los devanados.
Respecto a las protecciones convencionales específicamente interruptores de potencia el
SFCL tipo inductivo puede operar entre 30 y 40 veces más rápido y sin ningún tipo de
control, así mismo son dispositivos de “rearmado” rápido del orden de los 1 a 10 μs, factor
que dependerá del tipo de compuesto y el sistema criogénico. (Bello, 2008)
3.2.3. Otros tipos de SFCL
De los dispositivos SFCL resistivo e inductivo aparecen otros tipos de SFCL, que son
combinaciones de ambos tipos con configuraciones, conexiones y elementos adicionales,
cuyo fin es mejorar el desempeño del dispositivo. Algunos de esos SFCL son:
3.2.3.1.SFCL tipo núcleo saturable.
El dispositivo SFCL tipo núcleo saturable está compuesto por tres devanados enlazados a
un núcleo de hierro, por dos de los tres devanados circulara CA y por el restante CD. El
devanado CD está constituido por el material superconductor que a su vez es alimentado
por una fuente de corriente directa.
Ilustración 8. Funcionamiento SFCL tipo híbrido ( Electric Power Research Institute (EPRI), 2009)
30
Cuando por el devanado AC circula la corriente nominal del sistema la bobina DC satura
completamente el núcleo dando a este una permeabilidad relativa de 1, lo que representa
para las bobinas AC un núcleo de aire dando así una impedancia baja al elemento.
En condiciones de falla los picos de corriente llevan el núcleo fuera de su saturación,
ocasionando valores de alta impedancia en el elemento y limitando la corriente de falla.
Ilustración 9. Esquema SFCL tipo núcleo saturable (Linmang Wang, 2012)
Un detalle importante en éste dispositivo es que su devanado DC no necesariamente debe
ser de material superconductor, se utiliza así para disminuir las perdidas asociadas a su
funcionamiento además de mejorar su compactibilidad.
Una de las ventajas más importantes es su capacidad de responder a varios sucesos
consecutivos sin desconectarse del sistema como ocurre con los de tipo inductivo o
resistivo.
Por otro lado, la oscilación en la saturación del núcleo durante la falla produce armónicos
en la señal lo que se puede considerar como una falencia de este SFCL, adicionalmente su
volumen y peso asociados al núcleo también son un inconveniente. ( Electric Power
Research Institute (EPRI), 2009)
Ilustración 10. Operación de un SFCL tipo resistivo vs tipo núcleo saturable (Western Power Distribution , 2017)
31
En la ilustración 10 se presenta el comportamiento de los dispositivos SFCL de tipo
resistivo y núcleo saturable frente a condiciones de falla similares, se aprecia que el
dispositivo de núcleo saturable presenta mayor estabilidad, así como una menor reducción
en el valor rms de la falla, del mismo modo el SFCL resistivo tiende a limitar la falla de
forma más simétrica con respecto al eje horizontal y con un leve adelanto a la señal de falla.
3.2.3.2. SFCL tipo hibrido
El SFCL tipo hibrido consiste en un transformador con circuito magnético de acoplamiento
variable y una bobina superconductora, se han planteado dos tipos de conexión, serie y
paralelo. En el devanado secundario se ubicará la bobina superconductora que en
condiciones de falla se apagará al superar sus valores críticos limitando la corriente de falla.
Para la conexión serie, la corriente circulará por el devanado primario y estará limitada por
la reactancia del devanado secundario. En la conexión en paralelo la impedancia
superconductora aumentará su valor en condiciones de falla para limitar la corriente.
Ilustración 11. SFCL tipo híbrido (Linmang Wang, 2012)
En la ilustración 11 se presentan las estructuras serie y paralelo del SFCL tipo hibrido, en la
conexión serie, la limitación de corriente se hará de forma inductiva aumentando la
reactancia del devanado secundario, éste estará compuesto por parte del circuito magnético
y el superconductor. En la conexión paralela se aumentará la impedancia abriendo el
circuito magnético.
Esta configuración tiene las ventajas y desventajas similares a las del SFCL tipo núcleo
saturable.
3.2.3.3. SFCL tipo blindaje magnético
Este dispositivo está constituido por un cilindro superconductor, que se acopla
magnéticamente mediante un núcleo a un devanado de cobre. (Massimo Fabbri, 2005)
32
Ilustración 12. Estructura del SFCL tipo blindaje magnético (Linmang Wang, 2012)
Ilustración 13. SFCL núcleo blindado (Chetna V. Chaudhary, 2015)
Al aumentar la corriente drásticamente en el devanado también aumentará
proporcionalmente la reactancia del conjunto núcleo devanado, dando así un valor elevado
de inductancia lo que limitará el paso de la corriente (Massimo Fabbri, 2005).
La construcción, así como el volumen de este tipo de SFCL es dispendiosa y compleja.
3.2.3.4. SFCL tipo puente
El SFCL tipo puente está constituido por 4 diodos de potencia, una fuente DC y un material
superconductor que actuará como limitante de la corriente de falla.
33
Ilustración 14. SFCL tipo puente (Zhang. Z., 2006).
En condiciones de falla D1 y D2 conducirán el ciclo positivo de la señal mientras que D3 y
D4 el ciclo negativo, la fuente dc alimentará la bobina superconductora quien al someterse
a la corriente de falla aumentará su valor disminuyendo la misma.
En este caso la bobina superconductora también es prescindible, sin embargo, se propone
así para mitigar pérdidas en esta sección, ocasionadas por corrientes AC.
Este sistema resulta dispendioso debido a las grandes potencias que deben soportar los
diodos, así como los ajustes en su polarización, de igual forma las pérdidas en estos
elementos son considerables.
Una de sus ventajas es la limitación permanente ya que la bobina siempre permanece en
estado superconductor, adicionalmente la corriente de disparo puede ser ajustada mediante
al fuente DC (Zhang. Z., 2006).
3.2.3.5. SFCL tipo activo
Su nombre hace referencia al tipo de potencia que emplea para limitar la corriente, también
se asocia como compensador superconductor activo. La mayor cantidad de componentes se
alojan en el devanado secundario (análogo a un transformador), en este se encuentran
componentes electrónicos tipo triacs, una fuente DC, el elemento superconductor y una
impedancia limitadora.
Ilustración 15. SFCL de tipo activo (Zhang. Z., 2006)
34
Cuando ocurre la falla la corriente I1 aumenta rápidamente, sin embargo I2 no lo hace
proporcionalmente debido a que aparece una corriente Ip, que será limitada por el elemento
superconductor y disipada en el elemento R (Zhang. Z., 2006).
3.2.3.6. Circuito de tres fases con reactancia SFCL
El SFCL de reactancia de tres fases consiste en un núcleo tipo toroide al que van adheridos
tres devanados de material superconductor.
Ilustración 16. SFCL tipo reactancia de tres fases (Zhang. Z., 2006)
Éste dispositivo aumenta su impedancia al producirse una falla trifásica o bifásica apagando
los devanados. Sin embargo, cuando la falla es de tipo monofásica a tierra, únicamente se
limitará la corriente mas no se apagará evitando la interrupción de energía.
Esto se da gracias al efecto de las corrientes críticas de falla en los devanados y su
interacción con el núcleo, teniendo las fallas de mayor magnitud y que implican más de un
devanado, un comportamiento resistivo, mientras que la de menor magnitud y que implica
solo devanado se comportara de forma inductiva (Zhang. Z., 2006).
4. ALGUNOS DE LOS DISPOSITIVOS SFCL
IMPLEMENTADOS EN SISTEMAS ELÉCTRICOS
ALREDEDOR EL MUNDO
Los dispositivos SFCL continúan siendo una tecnología joven con muchos desafíos, por
ende, en la actualidad no existe producción en serie de estos y las aplicaciones donde se han
empleado son pocas, y en algunos casos temporales; en su mayoría con el fin de estudiar
sus comportamientos y buscar mejoras que lleven a una implementación en masa en los
sistemas eléctricos de potencia.
35
4.1. Circuito de distribución avanti, sur de california e.u.
En el año 2009 la compañía Zenergy Power implemento un SFCL tipo núcleo saturable en
la subestación Shandin, ubicada en San Bernardino al sur de California y de propiedad de
Southern California Edison (SCE).
El dispositivo conocido como CEC HTS FCL es el segundo de cuatro prototipos
construidos para condiciones y fines similares, se instaló el 6 de marzo del 2009, fue el
primer dispositivo SFCL en acoplarse en una red comercial en E.U, más precisamente al
circuito Avanti también conocido como “circuito del futuro” nombrado y designado por la
CEC, DOE y SCE, para probar y mostrar tecnologías innovadoras con potencial en la red
eléctrica.
Éste circuito está a un nivel de tensión de 12,47 kV, es un circuito de distribución que
alimenta clientes, residenciales, comerciales e industriales ligeros (Franco Moriconi, 2010).
Ilustración 17. Modelo simplificado PSCAD del circuito Avanti con SFCL ( Electric Power Research Institute
(EPRI), 2009)
En la ilustración 17 se muestra una configuración básica de cómo está conformado el
circuito Avanti, así mismo se presenta la ubicación en él del dispositivo limitador.
El prototipo limitador consiste en 6 núcleos de hierro rectangulares unidos en uno de sus
lados mediante la bobina DC, dicha bobina está conformada por 800 vueltas de cable
superconductor BSSCO de 1G, de 4 capas. Esta bobina se ubica sobre una estructura
reforzada con vidrio G-10.
Usando esta disposición se logró la conformación de tres elementos monofásicos en el que
cada uno de los núcleos actúan de forma independiente durante cada ciclo de la señal AC,
dicha señal circula por bobinas de cobre recubiertas de epoxi, un par por fase.
36
Ilustración 18. Diseño CEC FCL núcleo saturado (Franco Moriconi, 2010).
El sistema criogénico es de circuito cerrado y utiliza nitrógeno líquido enfriado a 68 K, con
el fin de aumentar los valores de corriente de operación este sistema emplea dos
refrigeradores criogénicos, el vapor de nitrógeno se condensa en las cabezas frías ubicadas
en la parte superior de los tubos adheridos al contenedor, lo que recicla el nitrógeno
eliminando el reabastecimiento periódico reponiendo lo necesario.
Ilustración 19. Contenedor criogénico CEC SFCL (Franco Moriconi, 2010)
En su conjunto el prototipo es alojado en una celda con aproximadamente 3 m de altura y
una base de 3 m por 4 m, cuenta con un peso de casi 20 toneladas debido mayormente al
núcleo y bobinado trifásico. ( Electric Power Research Institute (EPRI), 2009)
37
Ilustración 20. CEC FCL Instalado en la subestación Shandin, San Bernardino California (Franco Moriconi,
2010).
El dispositivo se fabricó utilizando técnicas empleadas en la construcción de
transformadores tipo seco y con un BIL reglamentario para 110 kV.
A continuación, se presentan los parámetros eléctricos del dispositivo obtenidos mediante
pruebas de laboratorio y durante su operación en la subestación.
Tabla 2. Parámetros de diseño CEC FCL (Franco Moriconi, 2010)
Parámetro Valor Unidades Notas
Voltaje de línea 12,47 kV
Voltaje línea tierra 6,9 kV
Corriente de línea con carga en estado
estacionario 1,25 kA Hasta 2 kA
Número de fases 3
Nivel básico de aislamiento (BIL) 110 kV
Frecuencia 60 Hz
Corriente de falla 46 kA Hasta 40 kA
Pico de falla limitado 30 kA
Limitación de corriente de falla simétrica 11,5 kA
Factor de asimetría 1,6 x/R Radio
Reducción de la falla 43 % Hasta el 43%
Caída de voltaje de inserción 1 % Depende de la AC 70
V=1% con 750 A RMS
Impedancia de corto circuito 0,346 ohm
Tipo de falla L-T, L-L Tres fases a tierra y
fase - fase
Duración de la falla 60 ciclos Probado hasta los 80
ciclos
Secuencia de falla 2 Falla/evento
Probado a 20 kA con
intervalos de fallas de 2
segundos
38
Parámetro Valor Unidades Notas
Tiempo de recuperación Inmediato Recuperación
instantánea
Las pruebas realizadas al dispositivo corresponden a pruebas de campo y de laboratorio,
debido a la ausencia de estándares para pruebas en estas tecnologías fue necesario diseñar
un protocolo de pruebas para reactores en serie y transformadores, este protocolo también
incorpora los estándares (IEEE Std., 1999) (IEEE Std., 2005).
Del mismo modo las pruebas se enfocaron en estudiar los siguientes parámetros de
rendimiento:
- Caída de tensión AC debida a la inserción de la impedancia limitadora.
- Aumento de temperatura debida a la corriente alterna en estado estable y a plena
carga.
- Limitación de la corriente de falla AC
- Acoplamiento electromagnético entre las diferentes bobinas y el núcleo.
- Desempeño del dieléctrico y BIL.
- Comportamiento del dispositivo luego de experimentar una falla
A continuación, se presentan algunas graficas de las pruebas realizadas.
Ilustración 21. Prueba de verificación de rendimiento del CEC FCL (Franco Moriconi, 2010)
39
En la ilustración 21 se muestra el comportamiento del dispositivo en condiciones de falla,
se observa que la falla fue limitada en su valor pico máximo inicial de 63 a 53 kA lo que
corresponde a un 16%, manteniendo proporciones similares en los picos subsecuentes.
Ilustración 22. Prueba de sobre esfuerzo (Franco Moriconi, 2010).
En la ilustración 22 se presenta una prueba de sobre-esfuerzo que consiste en someter el
dispositivo a una condición de falla por un periodo determinado de tiempo. En este caso
frente a una falla trifásica por espacio de 1,25 segundos y 80 ciclos, de esta situación se
resalta la uniformidad en la limitación de la corriente de falla en todo el intervalo, así como
la no destrucción del mismo y la no alteración de sus parámetros de operación para futuros
eventos.
Ilustración 23. Secuencia de doble falla y operación de re-cierre del CEC SFCL
40
En la ilustración 23 se presenta el comportamiento presentado por el dispositivo CEC
SFCL frente a una operación de doble falla con re-cierre, se observan las corrientes de cada
una de las fases y su disposición en cada una de las fallas, su comportamiento similar en
ambos eventos permite determinar la buena operación del dispositivo en el momento de las
fallas, así como su recuperación y “rearme” para nuevos eventos. Esto en un espacio de 2
segundos, espacio donde se observa la operación normal del sistema.
Este prototipo estuvo en funcionamiento desde marzo de 2009 hasta octubre de 2010. Con
las pruebas de campo del dispositivo se determinó la necesidad de mejorar su sistema
térmico, así como la mejora en la inmunidad de los circuitos de control frente al ruido y las
interferencias, además de las diligencias frente a problemas mecánicos (Keyue Smedley,
2011).
4.2. Subestación chester street u.k.
La subestación Chester Street se encuentra ubicada al noreste del centro de Birmingham en
el reino unido, cuenta con tres transformadores de 30 MVA y opera a niveles de tensión de
132/11 kV.
La Western Power Dirtibution (WPD) es la entidad a cargo de la operación de la red
eléctrica de distribución de Mindlands South West England y South Wales, y está a cargo
de entregar electricidad a 7,8 millones de usuarios en el Reino Unido (Western Power
Distribution (WPD), s.f.).
La WPD ejecuta el proyecto de redes bajas en carbono (LCN), una de las banderas de este
proyecto es FlexDGrid, proyecto que tiene como objetivo aumentar la flexibilidad del
sistema eléctrico frente al aumento de la demanda. Ya que el aumento en la demanda
equivale a un aumento en la generación de electricidad que a su vez representa un aumento
en las magnitudes de las corrientes de falla, se hace necesario aumentar la capacidad de los
equipos que protegen contra estos fenómenos, así mismo FlexDGrid también busca aceptar
más electricidad de fuentes distribuidas o renovables. Dadas estas características el
proyecto FlexdGrid opto por incluir dispositivos SFCL, para ello escogió la red eléctrica de
Birmingham de la cual hace parte la subestación Chester Street.
Con la implementación de los dispositivos SFCL en la red eléctrica de Birmingham se
pretende liberar un total de 52 MVA de la capacidad de total de la misma, de los 52 MVA
19 MVA corresponden a la Subestación Chester Street.
A continuación, se presenta un diagrama unifilar de la subestación donde se indica la
conexión del dispositivo RSFCL.
41
Ilustración 24. Unifilar subestación Chester Street con RSFCL.
En el caso de la subestación Chester Street se empleó un dispositivo trifásico tipo resistivo
el cual fue fabricado por la compañía Nexas e implementado a finales del 2015.
Ilustración 25. Ubicación del RSFCL en la subestación Chester Street (WESTERN POWER DISTRIBUTION
FLEXDGRID, 2013)
La ubicación del dispositivo se hace tipo recinto (enclosure), esto debido a la disposición de
los espacios ya establecidos de la subestación. Consiste en un cuarto exclusivo para el
dispositivo y todos sus elementos de funcionamiento, ubicándose en un espacio abierto de
la subestación. De este recinto emergen los cables que conectan con los demás elementos
de la subestación.
42
Ilustración 26. Modelo CAD RSFCL enclosure (Jonathan Berry – Innovation and Low Carbon Networks
Engineer, 2014)
Ilustración 27. Recinto RSFCL subestación Chester Street (Western Power Distribution (WPD))
A continuación, se presentan los parámetros eléctricos del dispositivo.
Tabla 3. Parámetros eléctricos del dispositivo RFCLS de la subestación Chester Street (Beate WEST, 2105)
PARÁMETROS RFCLS CHESTER STREET
Tensión nominal (kV) 12
Corriente nominal (A) 1600
Pico de corriente soportado (kA) 20
Limitación del primer pico de corriente (kA) 9,9
Duración de la limitación (ms) 100
El limitador está constituido por cintas de 12 mm de ancho, fabricadas de óxido de cobre,
bario e itrio (YBaCuO) material superconductor. Estas cintas se enrollan paralelamente
para formar segmentos; la cantidad de cintas necesarias dependerá de la corriente crítica del
material y de diseño del dispositivo. Los segmentos se agrupan formando módulos acordes
a la corriente y voltaje nominales, se emplea un módulo por fase.
43
Ilustración 28. Modelo CAD módulo RSFCL (Beate WEST, 2105)
La ilustración 28 muestra la estructura del módulo RSFCL sus elementos están conectados
en serie, y junto con los cables se alojan en un recipiente de vacío, este a su vez está
rodeado por un contenedor (criostato) en el cual se deposita el nitrógeno líquido quién
enfriara el módulo.
El criostato está conectado a un sistema de refrigeración que se encarga de mantener la
presión y la temperatura en condiciones ideales para la operación del dispositivo. El sistema
es cerrado reciclando así el nitrógeno líquido. A continuación, se presenta un esquema del
sistema de refrigeración.
Ilustración 29. Esquema general del sistema de refrigeración RSFCL (WESTERN POWER DISTRIBUTION
(FLEXDGRID), 2016)
El sistema de refrigeración se compone por criostatos, compresores y refrigeradores, la
condensación del nitrógeno se da en los refrigeradores a partir de helio, posteriormente los
compresores se encargan de recircular el nitrógeno, tanto en estado líquido como gaseoso,
de criostato a refrigerador y viceversa. La operación de enfriamiento del sistema dependerá
de la corriente de carga presente a través del limitador y es controlada por los refrigeradores
(WESTERN POWER DISTRIBUTION (FLEXDGRID), 2016).
44
El sistema de refrigeración de estos dispositivos es complejo, lo que representó en este caso
particular falencias durante las pruebas de implementación, ocasionando retrasos en la
conexión del dispositivo a la red.
Ilustración 30. Sistema de refrigeración RSFCL Chester Street (WESTERN POWER DISTRIBUTION
(FLEXDGRID), 2016)
Ilustración 31. Módulos RSFCL uno por fase en contenedores criogénicos (WESTERN POWER DISTRIBUTION
(FLEXDGRID), 2016)
El dispositivo fue sometido a tres etapas de pruebas, en la primera etapa se probó el sistema
de refrigeración así como las pérdidas eléctricas en el dispositivo, como resultado de estas
se debieron hacer varios ajustes principalmente en el sistema de refrigeración (WESTERN
POWER DISTRIBUTION , 2016).
Una vez superadas las pruebas de la primera etapa se ejecutaron las de la segunda, estas
pruebas de funcionamiento fueron previas a la implementación del dispositivo y
correspondieron a pruebas de:
45
Medición de resistencia de aislamiento (antes y después de cada secuencia de
prueba).
Prueba de aumento de temperatura.
Prueba de nivel de sonido acústico.
Prueba de voltaje de resistencia.
Prueba de voltaje de impulso de rayos.
Prueba de medición de descarga parcial.
Por ultimo superadas satisfactoriamente estas pruebas se procedió a realizar las pruebas de
corto circuito y limitación de corriente.
Las pruebas de cortocircuito y limitación al dispositivo se realizaron en el laboratorio de
pruebas de KEMA en Arnhem, Holanda. La prueba requirió que el dispositivo soportara
una corriente de cortocircuito 33,4 kA. Como resultado de la prueba el dispositivo soporto
con éxito un pico de corriente de 34,2 kA limitándola a 9,9 kA (WESTERN POWER
DISTRIBUTION , 2016).
Ilustración 32. Circuito implementado en pruebas de corto circuito y limitación de corriente RSFCL (WESTERN
POWER DISTRIBUTION, 2016)
A continuación, se presentan los resultados de las pruebas.
46
Ilustración 33, Corriente pico soportada por el dispositivo en la línea 2 (WESTERN POWER DISTRIBUTION ,
2016)
La prueba se realizó únicamente en la fase 2. En la gráfica se aprecia el aumento súbito de
corriente de falla hasta los 32,1 kA, simultáneamente se censa el voltaje permitiendo ver su
caída a cero en presencia de la falla. Se observa que la señal de falla tiende hacer uniforme
lo que demuestra la no destrucción del dispositivo. Se estimó un tiempo de recuperación del
dispositivo de 100 ms.
Ilustración 34. Limitación de corriente de falla actual en la subestación Chester Street (WESTERN POWER
DISTRIBUTION , 2016)
47
La ilustración 34 presenta el comportamiento de limitación de una corriente de falla por el
dispositivo, esto según las magnitudes de corriente previstas en la subestación.
Ilustración 35. Paso de corriente nominal en el subestación Chester Street antes y después de implementación el
RSFCL (WESTERN POWER DISTRIBUTION , 2016)
En la ilustración 35 se muestra el aumento de la corriente nominal en la subestación luego
de la implementación del dispositivo RSFCL. En noviembre de 2016 el dispositivo entro en
operación normal luego de superar varios inconvenientes.
4.3. Subestación icheon Corea del sur.
La Subestación Icheon está ubicada en Gyeonggi-do cerca de Seul capital de Corea del sur,
el proyecto GENI para esta subestación contempla la instalación y operación de un cable
superconductor de alta temperatura (HTS) de 22,9 kV/ 50MVA y un dispositivo SFCL de
22,9 kV / 630 A (Seungryul Lee, 2014).
48
Ilustración 36 Ubicación geográfica de la subestación Icheon y vista de la subestación Icheon (Min Jee Kim, 2011)
Debido al incremento en la demanda de electricidad en las áreas metropolitanas se hace
necesario un aumento en la provisión de energía, sin embargo, problemas técnicos de
infraestructura como la creación de nuevas rutas para conductores eléctricos, hacen de esta
ampliación un problema insoluble para las tecnologías convencionales. Por estos motivos la
subestación Icheon opto por probar tecnologías con superconductores de alta temperatura
HTS.
En este caso se construyó un dispositivo SFCL de tipo hibrido, el cual se considera como
ecológico, económico y práctico. Este prototipo inicialmente se pensó como un SFCL
resistivo sin embargo los altos costos del material (HTS) y el sistema de enfriamiento
criogénico, llevaron a su modificación.
Además de los costos ya mencionados también se requiere de equipos sofisticados en la
operación de los HTS, para apagarlos al mismo tiempo. Otros factores importantes son las
perdidas CA y algunos problemas técnicos relacionados con la coordinación de los relés de
protección convencionales.
Por estas razone LSIS y KEPRI inician el diseño de un dispositivo hibrido, compuesto por
un material HTS y un equipo eléctrico convencional. El propósito principal de este SFCL
es reducir el uso del HTS, esto mediante la conmutación del mismo y los equipos
convencionales (Min Jee Kim, 2011).
El hibrido SFCL solo detecta la falla, quien finalmente se encarga de despejarla es el
equipo convencional, gracias a esto la cantidad necesaria de HTS requerida es menor, así
mismo lo será el volumen final del dispositivo, disminuyendo así los costos.
49
A continuación, se indican otras características que presenta este dispositivo.
- Mayor confiabilidad en la operación ya que el HTS estará libre de estrés térmico y
eléctrico durante la falla.
- Permite el paso del primer pico de corriente de falla (no limitativo de pico).
- Gracias a la característica anterior es posible coordinar relés convencionales para la
óptima caracterización de la corriente a limitar.
El dispositivo fue construido y probado en campo, monitoreado en la red de prueba de
KEPCO (centro de pruebas de potencia), esto por un periodo de un año donde se sometió el
dispositivo a diferentes situaciones típicas de falla, entre esas apagones en la red.
Ilustración 37. Unifilar de la ubicación del SFCL hibrido en la subestación Icheon (Min Jee Kim, 2011)
Basados en los resultados de estas pruebas se modifican algunos detalles y se instala en la
subestación Icheon, esto con fines comerciales como primer objetivo, para demostración de
esta tecnología, así como establecer el punto de partida de los equipos con HTS en Corea.
A continuación, se presentan el esquema eléctrico del funcionamiento del dispositivo SFCL
de la subestación Icheon.
50
Ilustración 38. Diagrama del SFCL hibrido y secuencia de la limitación de corriente de falla (Min Jee Kim, 2011).
El dispositivo SFCL de Icheon está compuesto por un módulo superconductor de alta
temperatura (HTS), un módulo de interruptor rápido (FS) y un módulo reactor de corriente
de falla (CLR).
El módulo HTS tiene como función detectar la corriente de falla y producir la corriente de
conmutación. El módulo de interruptor rápido tiene como función direccionar la corriente
en condiciones normales y de falla. Por último, el módulo reactor limitador de corriente
restringe la corriente de falla.
En condiciones normales de operación (ilustración 38), la corriente atraviesa los módulos
HTS y FS, en este modo el dispositivo es imperceptible al sistema eléctrico de potencia.
En condiciones de falla el aumento de corriente hará que el módulo HTS aumente su
impedancia provocando el desvío de la corriente a la bobina del módulo SF, energizándola
provocando el accionamiento del interruptor.
En la última etapa se desvía la corriente de falla hacia el modulo CLR el cual aumentará su
impedancia limitando finalmente la corriente.
A continuación, se presenta el dispositivo Hibrido SFCL de la subestación.
51
Ilustración 39. Dispositivo SFCL Icheon (a) Modulo HTS (b) Módulos FS (c) Módulo CLR (Min Jee Kim, 2011)
La ilustración 39 presenta el dispositivo indicando los módulos que lo conforman; el
módulo HTS está conformado principalmente por el material superconductor dividido en
tres partes, una por fase, cada fase con 9 elementos apilados conectados en paralelo para
mayor corriente crítica, la mayor corriente crítica por fase estuvo entre 2350 y 2410 A, a
temperatura del medio criogénico (77 K) (Min Jee Kim, 2011).
El módulo FS está conformado por una bobina de accionamiento, ésta al ser energizada
operará un interruptor de vacío y simultáneamente un contacto corto, ambos elementos
están contenidos en este módulo.
El modulo CLR está conformado por un arreglo electrónico y bobinas de cobre en donde
finalmente se limitará la falla.
En la tabla 4, se presentan los parámetros eléctricos del dispositivo.
52
Tabla 4 Parámetros eléctricos del SFCL hibrido (Min Jee Kim, 2011).
Dentro de las pruebas de rendimiento realizadas al equipo se encuentran: la prueba de corto
circuito trifásica, la prueba de falla asimétrica donde se aplicaron 12,5 kA rms durante 1,0
S. y la prueba de asilamiento eléctrico.
Ilustración 40 Prueba de corriente asimétrica por fase a 12,5 kA RMS (Min Jee Kim, 2011).
53
La ilustración 40 muestra las formas de onda para las características limitadoras del
dispositivo en condiciones de fallas, se aprecia que en el primer medio ciclo no hay
limitación de la falla pero justo después del medio ciclo los valores máximos de corriente
comienzan a disminuir, esto gracias a la actuación del módulo CLR .
El primer pico de falla fue de 32,5 kA, valor que fue limitado por el dispositivo a 7,3 k A
rms, lo que equivale a un 58% de la corriente de falla original.
Respecto a la impedancia del equipo se midieron 2 mΩ en condiciones normales de
operación y 4 mΩ en condiciones de falla.
Respecto a la prueba de aislamiento, esta supero las dos condiciones evaluadas: la prueba
de resistencia de frecuencia de potencia, a una tensión de 70 kV rms por espacio de 1
minuto, y la prueba de resistencia a la tensión al impulso para un BIL de 150 kV (Min Jee
Kim, 2011).
Ilustración 41. SFCL hibrido instalado en subestación Icheon (Min Jee Kim, 2011).
Finalmente, y luego de los ajustes necesarios en la implementación del dispositivo en la
subestación, se pone en operación y se ubica en celdas como se muestra en la ilustración
41. El conjunto en total mide 3,8 m de largo por 1,4 metros de ancho y 2,3 metros de alto.
Respecto al sistema de refrigeración en este caso fue un poco más estable a continuación se
presenta una curva de su funcionamiento según los parámetros de demanda.
54
Ilustración 42. Curva actual de comportamiento diario de la corriente
En la ilustración 42 se presenta la curva de corriente eléctrica actual de un día aleatorio de
invierno, del circuito donde se instaló el dispositivo. Este gráfico muestra la corriente
durante un periodo de 24 horas, periodo en el cual los valores mínimos de corriente se dan
sobre las 12 horas del día y están alrededor de los 95 A. Los valores máximos se dan hacia
la media noche donde encontramos valores alrededor de los 266 A.
Es importante rastrear el comportamiento de la corriente para que el sistema de
refrigeración del dispositivo, reaccione adecuadamente a las variaciones de la misma
manteniéndolo siempre en los intervalos de temperaturas necesarias para la operación.
Ilustración 43. Temperatura, presión y nivel del nitrógeno líquido (Min Jee Kim, 2011).
55
Acorde a la demanda de corriente, se pronosticó y evaluó el rendimiento del sistema
criogénico. Para ello se censaron las variables de presión, corriente, temperatura y nivel del
nitrógeno, esto en exposición a la corriente demandada.
En la ilustración 43 se presentan los valores medidos de estas variables durante un periodo
de 500 horas, tiempo durante el cual el sistema logro mantener estable sus variables
registrando en promedio un nivel de nitrógeno constante de 47, 6 cm, una temperatura de
76 K y una presión de 2,5 bar.
Resultados satisfactorios para la fluctuación de la demanda esperada en el circuito donde se
instaló el dispositivo.
5. PRUEBAS A MATERIAL SUPERCONDUCTOR,
FENÓMENOS Y MEDICIONES, COMO PRINCIPIO DE LOS
DISPOSITIVOS SFCL.
Establecidos los parámetros críticos para el fenómeno superconductor y su aplicación en los
dispositivos SFCL, se procede a realizar una serie de pruebas que mostrará la operación de
un material superconductor como limitador de corriente.
5.1. Materiales
Para estas pruebas se emplearon los siguientes materiales y elementos:
- Muestra de material superconductor 𝐺𝑑𝐵𝑎2𝐶𝑢3𝑂7
- Pintura de plata
- Imanes de neodimio
- Conectores y alambre de Cu
- Recipiente de polipropileno extendido.
- Nitrógeno líquido
- Unidad de medida de origen Keithley 2460 (Fuente de corriente DC)
- Probeta de prueba
- Muestra superconductora 𝑮𝒅𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶𝟕
El material superconductor adquirido para este caso es una muestra de un cuprato de
gadolinio y bario. El gadolinio es uno de los materiales que intentan reemplazar el itrio,
empleado normalmente como complemento del compuesto. La implementación del
gadolinio ha mostrado mejoras en la dureza del material, además de un mayor
almacenamiento de campo magnético y aumento en la fuerza de levitación; condiciones
favorables que se han dado al reemplazar el itrio por materiales contemplados dentro de los
denominados, materiales de tierras raras. (Gd) (Jan Pinc, 2016).
56
Dadas las diferentes técnicas de fabricación de estos materiales y que las propiedades
mecánicas de un HTS afectan directamente el comportamiento del material, se debe hacer
una adecuada manipulación del mismo.
De igual forma, no fue posible determinar la técnica de fabricación de esta muestra, pues la
obtención de la misma resulto de una serie de enlaces que finalmente permitió su
adquisición.
- Ilustración 44. Muestra superconductora 𝑮𝒅𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶
En la ilustración 44 se presenta la muestra del compuesto 𝐺𝑑𝐵𝑎2𝐶𝑢3𝑂7, esta muestra es
cilíndrica, maciza, y tiene las siguientes dimensiones, 10 mm de diámetro x 6 mm de alto y
pesa alrededor de 4 gramos.
Al iniciar este estudio se pensó en la adquisición de una muestra de YBACUO pero el alto
costo de la muestra (400 USD) y el plazo de entrega (3 meses) de la misma, fueron factores
que impidieron su uso.
- Pintura de plata
Para realizar los ensayos fue necesario establecer unos contactos en la muestra, para ello se
empleó pintura conductiva de plata; creando 4 puntos de contacto en la cara plana de la
muestra.
La pintura de plata es empleada normalmente en este tipo de ensayos, algunas biografías la
implementan en el penúltimo paso de la fabricación de la muestra, que es antes de llevar la
forma al horno (HERNANDO, 2014).
- Imanes de neodimio
Un imán de neodimio (también conocido como imán NdFeB, NIB, o Neo) es el tipo de
imán de tierras raras más extensamente utilizado; se trata de un imán permanente hecho de
una aleación de neodimio, hierro y boro, combinados para formar un compuesto que
cristaliza en el sistema cristalino tetragonal con la fórmula empírica Nd2Fe14B.
57
Fue desarrollado en 1982 por General Motors y la división de metales especiales de la
Sumitomo Metal Industries. Los imanes de neodimio son el tipo de imán permanente de
mayor potencia hecho por el hombre.
Han reemplazado a otros tipos de imanes en muchísimas aplicaciones de la industria
moderna que requieren imanes permanentes de gran potencia; aplicaciones tales como la
fabricación de motores en herramientas inalámbricas, discos duros, y sellos magnéticos
(Fraden, 2010) .
Por las características de campo magnético se contempla el uso de un imán de neodimio
para realizar la prueba de levitación magnética, así mismo se emplean imanes de ferrita
convencionales.
- Conectores de cobre (Cu).
Los conectores o electrodos de cobre se eligieron según la corriente nominal a la que se
realizó la prueba, para ello se empleó cable calibre #18.
Inicialmente se fijó el cable con conectores caimán - caimán a los contactos de pintura de
plata, ya que de ésta forma la prueba no fue exitosa, se optó por cambiar los conectores
caimán- caimán por alambre de cobre de 2 mmm de diámetro.
- Recipiente de poliestireno expandido.
Para la manipulación de la muestra en sus condiciones superconductoras fue necesario un
contenedor que permitiera mantener el nitrógeno líquido con el fin de enfriar la muestra y
realizar las pruebas. Por este motivo se eligió un recipiente de icopor con dimensiones de
50 mm de alto por 185 mm de largo y 135 mm de ancho.
- Nitrógeno líquido N2
Como el material utilizado es un HTS, bastará con enfriarlo (77 K) en nitrógeno líquido
para obtener sus características superconductoras. Se emplearon alrededor de 9 litros de N2
para el total de las pruebas.
- Unidad de medida de origen Keithley 2460 (Fuente de corriente DC)
Las pruebas de caracterización del material se realizan con corriente directa, por ello fue
necesario recurrir a una fuente de este tipo. El equipo empleado fue la unidad de medida de
origen Keithley 2460, el cual dispone de un amplio menú, dentro de este se emplearon las
funciones de: Fuente de corriente, multímetro digital y trazador gráfico.
58
Ilustración 45 unidad de medida de origen Keithley 2460 KEITHLEY
- Probeta de prueba
Para mejorar el proceso de pruebas se fabricó un mecanismo tipo probeta, en esta se fijaron
los cuatro alambres de cobre a un corcho, el cual se desplaza gracias a un tornillo con el fin
de hacer presión sobre la muestra y mejorar el contacto con los electrodos. Así mismo la
probeta evita el contacto directo de la muestra con el nitrógeno, enfriándola indirectamente.
Ilustración 46 Probeta para ensayo de muestra superconductora
59
5.2. Pruebas realizadas
Las pruebas a realizar en el dispositivo son tres; la primera corresponde al efecto Meissner ,
la segunda mide la resistencia del material a temperatura ambiente y de operación 77 K, por
último se realiza una prueba de falla en un circuito resistivo, con el fin de observar el
cambio de estado del material.
5.2.1. Prueba de efecto Meissner
La prueba de efecto Meissnser consistió en enfriar el material superconductor hasta la
temperatura donde obtendrá sus características superconductoras, eliminando el flujo
magnético dentro del material HTS producido por el imán, atrapando la muestra en el
campo magnético.
Para esta prueba se siguieron los siguientes pasos:
- Se depositaron alrededor de 300 ml de N2 en el recipiente de icopor.
- Se introdujo la muestra en el nitrógeno por espacio de unos segundos, hasta
observar que el nitrógeno alrededor de la muestra deja de hervir.
- Se procede a acercar el imán de neodimio en la muestra aun sumergida en el
nitrógeno.
Ilustración 47. Efecto Meissner con muestra de 𝑮𝒅𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶𝟕
Al acercar el imán al material éste es atraído hacia a él, la distancia que los separa de la
unión total fue mínima, aproximadamente 1 mm como se aprecia en la ilustración 47.
60
Como se mencionó al inicio del documento el efecto Meissner consiste en la expulsión de
las líneas de campo magnético del material.
Dado este efecto, en presencia de un campo magnético el material superconductor quedará
atrapado en las líneas de campo del elemento externo (imán), lo que hará que la muestra
levite sobre el imán.
En este caso como primera opción se emplearon imanes de ferrita comunes, siguiendo el
procedimiento ya descrito, sin embargo, el efecto Meissner no se evidencio, por esta razón
se optó por emplear imanes de neodimio.
Al realizar la prueba con estos imanes el efecto Meissner se evidencio, sin embargo, al
retirar la muestra del nitrógeno no tardo más de 5 segundos en desaparecer, esto debido
probablemente al aumento de la temperatura en la muestra y a las características de la
misma.
Cabe resaltar que la muestra a temperatura ambiente no experimenta ningún tipo de fuerza
en presencia de imanes.
Dado que el efecto Meissner se evidencio se cataloga la prueba como exitosa, aun así, se
deben analizar y mejorar dos factores: el primero, la distancia de separación entre el imán y
la muestra. El segundo, el poco tiempo que permanece la muestra levitando en el imán.
5.2.2. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente
Para la prueba de resistencia eléctrica se evaluó la muestra en dos condiciones, temperatura
ambiente y temperatura del N2 (77 K).
En la primera situación se establecieron electrodos entre la pintura de plata y las sondas de
la fuente de corriente DC, estas fueron fijadas a la muestra con conectores caimán-caimán
como se precia en la ilustración 48.
Ilustración 48. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente
61
La ilustración 48 muestra la disposición de los contactos en la muestra, se enfrentaron 2
contactos de tensión y dos de corriente. Éste método se conoce como el método de los 4
electrodos con corriente continua, el cual consiste en colocar 2 electrodos de inserción de
corriente y dos electrodos para medir la diferencia de potencial, también es conocido como
el método de método de Van der Pauw, para muestras de espesor uniforme (FRAGA,
1995).
Ilustración 49 Disposición de electrodos para medición de resistencia eléctrica según el método de Van der Pauw
(FRAGA, 1995)
Después de fijar los electrodos a la muestra se procede a tomar valores de resistencia entre
electrodos, este ejercicio se realiza con el fin de confirmar el contacto entre los electrodos y
los contactos del material.
Una vez establecido el montaje se procede a configurar la unidad de medida de origen en
modo fuente DC, para ello se estableció un intervalo de corriente de 0 a 240 mA, de igual
forma la tensión fue censada desde los 0 hasta los 20 V.
62
Ilustración 50. Curva V vs I Prueba de resistencia eléctrica
En la ilustración 50 se muestran los resultados obtenidos por el equipo, donde se aprecia
una tendencia lineal, lo que permite estimar un valor de resistencia para la muestra a
temperatura ambiente.
Ilustración 51. Resistencia de la muestra superconductora a temperatura ambiente
0
5000
10000
15000
20000
0 50 100 150 200 250 300
Re
sist
en
cia
Ω
Mediciones realizadas para los intervalos de V e I.
Resistencia
resistencia
63
Con los datos obtenidos por la fuente DC se procede a elaborar la relación 𝑣/𝑖 vs la
cantidad de mediciones realizadas por el equipo en un intervalo de tiempo, esto permitió
estimar el valor de resistencia de prueba ya que los valores censados fueron similares
durante todo el intervalo. El valor de resistencia de la muestra en estas condiciones se fijó
en 9,2 KΩ.
5.2.3. Prueba de resistencia a 77 K.
La siguiente prueba que se llevó a cabo fue la prueba de resistencia eléctrica del material a
temperatura de 77 K.
Para ello se utilizó el mismo montaje de la prueba anterior solo que en esta ocasión se llevó
al nitrógeno, esto para disminuir la temperatura de la muestra y determinar su resistencia
como superconductor.
Ilustración 52. Prueba de resistencia eléctrica 77 K
En esta ocasión la muestra presento un comportamiento distinto al esperado, ya que el valor
de resistencia aumentaba a medida que su temperatura disminuía. De esta forma sucedió
una y otra vez, por esta razón se procedió a sumergir únicamente la muestra en el nitrógeno
y posteriormente realizar la medición, pero siguió sucediendo lo mismo.
Como siguiente medida se optó por construir un mecanismo que permitiera enfriar la
muestra indirectamente, además de fijar de forma estable los electrodos a la muestra y la
fuente DC.
Este mecanismo se fabricó en acero y consiste en una base circular de 4 cm de diámetro por
1,5 cm de alto, en esta base se hizo un cráter de 6 mm para alojar la muestra.
Sobre esta base se soldó un tubo de 10 cm de largo, al cual se le hicieron perforaciones para
permitir el acceso de los conectores a los electrodos.
64
Sobre el tubo se posiciono una tapa con un tornillo el cual en la punta lleva un corcho con
cuatro alambres de Cu de 2 mm cada uno. Al girar el tornillo en sentido horario los
electrodos descienden al fondo del recipiente y al girarlo en el sentido contrario sucedo lo
opuesto.
De esta forma se pretende asegurar el contacto con presión de los electrodos en la muestra.
Ilustración 53. Recipiente fabricado para prueba de resistencia eléctrica a 77 K
65
Ilustración 54. Recipiente modificado para prueba de resistencia eléctrica
Ilustración 55. Prueba de resistencia eléctrica a 77 K
En esta ocasión los resultados siguieron siendo la mismos razón por la cual se optó por
conseguir una nueva muestra, pero no fue posible adquirirla.
66
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En éste apartado se analizarán los resultados obtenidos en las pruebas realizadas, por otro
lado, como no fue posible realizar la prueba para condiciones de falla en el material, se
tratarán las posibles causas de falla, y se indicaran casos exitosos para esta prueba que
muestran los resultados esperados.
6.1. Prueba de efecto Meissner.
Ilustración 56 Diagrama de fases campo magnético H vs temperatura critica Tc (FRAGA, 1995).
En la ilustración 56 se observa la zona donde se da el efecto Meissner, en un
superconductor de tipo 2 como el empelado en este trabajo. Ésta zona está acota por los
parámetros de temperatura crítica y campo magnético critico 1; es decir, el al superarse la
temperatura critica del material, así como el campo magnético critico 1 el estado Meissner
desaparecerá. Esta situación nos lleva a evaluar los resultados obtenidos en la prueba.
La prueba de efecto Meissner fue parcialmente exitosa ya que se evidenció el fenómeno,
pero se presentaron dos falencias, la primera fue la separación con el imán. La segunda, el
poco tiempo que se mantenía el fenómeno.
Ambas falencias encuentran posible origen en dos situaciones la primera es la aparición de
un vórtice de tamaño considerable que evita la adecuada manifestación del fenómeno. La
segunda es un enfriamiento no homogéneo de la muestra.
Los anteriores son teorías físicas que han permitido describir el fenómeno Meissener, en
materiales superconductores de alta temperatura. Ya que estos son complejos y salen de los
67
alcances de este documento se procede a resumir su consistencia y posibles implicaciones
en los resultados obtenidos.
En algunos trabajos se aprecia la aparición de estados paramagnéticos al someter muestras
superconductoras a ratas de enfriamiento de 100 K/min, esto se da antes de que el material
alcance su temperatura crítica y en presencia de campos magnéticos de entre 1KOe y
10KOe. En esta situación también se observó una depresión diamagnética esto cuando el
material estaba cerca de llegar a su temperatura crítica de estado superconductor.
Dicha depresión se da por un escape de flujo magnético atrapado durante el proceso de
enfriamiento.
Esta situación no se observó cuando la taza de enfriamiento fue menor; del orden de los 4
KOe/min (J. Roa-Rojas, 2002).
En nuestro caso no se controló la taza de enfriamiento del material así mismo la exposición
a campos magnéticos. El comportamiento parece coincidir con lo experimentado dado que
al momento de presentarse el efecto Meissnner este fue débil coincidiendo así con la
depresión magnética experimentada por el material y debida a la acumulación del mismo
durante el proceso de enfriamiento.
Cabe mencionar que el Efecto Meissner es un fenómeno diamagnético que repele las líneas
de campo externas, lo que permite que el material quede atrapado en ellas haciéndolo
levitar.
Ilustración 57 Comportamiento magnético frente a diferentes tazas de enfriamiento para YBACUO (J. Roa-Rojas,
2002). .
En la ilustración 57 se aprecia como la expulsión del campo del material se da de forma
sostenida, total y más prolongada, al realizar un enfriamiento lento de la muestra.
68
6.2. Prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente
La prueba de resistencia eléctrica a temperatura ambiente fue exitosa y permitió estimar el
valor de resistencia de la muestra, los resultados fueron analizados en una hoja de cálculo.
Como primer paso se graficaron las variables de tensión vs corriente en donde se observó
un comportamiento lineal, el cual permitió estimar un valor de resistencia para la muestra.
En un segundo paso se graficó la relación V/ I vs los intervalos del tiempo de muestreo, de
esta forma se estimó el valor de resistencia del elemento, mediante un procedimiento
estadístico, se estableció el valor de esta en 9,2 KΩ.
Al comienzo del muestreo de datos se observan valores aleatorios cercanos a la linealidad
esperada, esta tendencia se mantiene haciéndose cada vez más estable. Lo que permite
estimar el valor de la resistencia eléctrica del material.
La fijación de los contactos es un factor determinante para esta prueba, ya que al no ser
adecuada los valores oscilan al punto de una no convergencia, por ello fue necesario
realizar varias mediciones tomando contactos aleatoriamente.
En algunos casos estos valores variaron levemente, pero el comportamiento se mantuvo.
6.3. Prueba de resistencia eléctrica a 77 K.
La prueba realizada a esta temperatura en donde se esperaba que el material mostrara la
propiedad superconductora donde la resistencia eléctrica se acerca a cero, no fue exitosa
sucediendo todo lo contrario; al disminuir la temperatura aumento su valor de resistencia.
Dado que no fue posible medir el valor de resistencia del material en estado
superconductor, se plantean a continuación una serie de hipótesis que pudieron influir en
estos resultados. Así mismo se reseñan otros trabajos donde las pruebas fueron exitosas,
permitiendo caracterizar el material superconductor.
Una de las posibles causas es la forma de medir la muestra. Algunos prototipos didácticos
aíslan la muestra en un recipiente hermético junto con los contactos, introduciendo la
totalidad del recipiente en el medio criogénico y energizando en las terminales que salen
del recipiente. De este modo las terminales no tienen contacto con los vapores del
nitrógeno.
Otra causa es la unión de los electrodos a la muestra. En algunos trabajos consultados, la
asignación de la pintura de plata a la cual ira soldado el electrodo, se hace durante el último
paso del proceso de fabricación del material. En este caso el material adquirido ya había
terminado su proceso de fabricación y sobre este se aplicó la pintura de plata.
Como posible causa de los resultados obtenidos también se tiene la fabricación de la
muestra. Ya que se desconoce el proceso empleado y los parámetros de diseño con que se
construyó.
Por último, otra posible causa es la manipulación del material, esto ya que las cerámicas se
caracterizan por ser frágiles, por tanto, un golpe o factores como la humedad pueden afectar
su estructura y por consiguiente sus propiedades físicas como superconductor.
69
6.3.1. Resultados esperados
Trabajos existentes presentan diferentes métodos que permiten estimar el valor de la
resistencia eléctrica del material, uno de los más usados es el método de los 4 electrodos o
método e de Van de Pauw, este método fue el mismo que se implementó en este trabajo.
El método cosiste en conectar 4 electrodos a la muestra, 2 para inyectar corriente y dos para
medir tensión.
El método funciono a temperatura ambiente sin embargo no lo hizo a temperatura critica.
En uno los trabajos donde esta prueba fue exitosa FRAGA, 1995, los contactos eléctricos
que se emplearon fueron de cobre esmaltado, además de ser soldados a la muestra con indio
puro.
Sin embargo, la gran diferencia con este trabajo la da el control de enfriamiento de la
muestra. En el trabajo citado éste control se hace mediante un criostato, el cual aísla la
muestra permitiendo controlar su rata de enfriamiento.
Ilustración 58. Criostato para medir propiedades de transporte (1) Porta muestras, (2) y (5) tomas de vacío, (3)
válvulas de aguja, (4) entrada para el transvase, (6) depositito de N2, (7) y (11) Pantallas aislantes, (8) solenoides,
(9) depósito de He y (10) camisas de vacío (FRAGA, 1995).
En la ilustración 58 se presenta el modelo de un criostato empleado en la caracterización de
muestras superconductoras.
Luego de obtener la tensión producida en la muestra a causa de la corriente, se procede a
obtener la resistencia de la muestra de forma directa mediante la ley de Ohm, como se
realizó en la prueba a temperatura ambiente.
Dichos pasos realizados en una prueba exitosa permiten descartar errores de cálculos y
confirmar los errores procedimentales.
70
6.4. Prueba en condiciones de falla
Dentro de las pruebas propuestas no se desarrolló la prueba en condiciones de falla, esto
dado que para realizar dicha prueba se debe contar con el estado superconductor del
material.
Una vez el material se encuentre en estado superconductor se puede emplear el método de
transporte eléctrico, el cual consiste en hacer pasar corriente a través de la muestra hasta
detectar una caída de potencial. Ésta caída de potencial se da cuando el material supera su
corriente crítica y se da el cambio de estado, de superconductor con resistencia cercana a
cero a un valor de resistencia considerable.
A continuación, se presenta un grafica de una prueba de transporte de corriente:
Ilustración 59 Característica Corriente – Tensión, medidas en un puente de (100 μm x 1 mm) en una película de
𝑬𝒖𝑩𝒂𝟐𝑪𝒖𝟑𝑶𝟕 a 50 K.
En la ilustración 59 se muestran los resultados obtenidos al inyectar una corriente en una
muestra superconductora y censar la tensión. Se presentan dos curvas ya que la prueba se
hizo bajo influencia de dos campos magnéticos diferentes. La línea puenteada presenta un
criterio de voltaje con el fin de referenciar el umbral de disipación de corriente.
Se entiende que cuando aumenta drásticamente la tensión es porque se ha dado el cambio
de estado en el material.
La prueba que se pretendía realizar debió haber arrojado datos similares a escalas mayores
ya que la muestra que empleamos tiene dimensiones mucho mayores que las del documento
reseñado.
71
Finalmente, esta prueba muestra el funcionamiento y desempeño de un limitador de
corriente basado en materiales superconductores.
Al alcanzar la corriente crítica la cual se podría pensar como una corriente de falla, el
material dejará de ser superconductor convirtiéndose en una impedancia, que finalmente
limitara dicha corriente protegiendo así el sistema eléctrico de potencia.
7. COMPARACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS SFCL VS
TECNOLOGÍAS CONVENCIONALES EMPLEADAS COMO
PROTECCIONES O LIMITADORES DE CORRIENTES DE
FALLA.
En la actualidad los sistemas de potencia eléctrica emplean interruptores como elemento de
protección contra corrientes de falla, pero el aumento diario de la demanda energética ha
creado la necesidad de elementos más flexibles, ya que los instalados actualmente están
llegando a sus límites.
En los casos reseñados en este documento y en general, los dispositivos SFCL siempre se
conectaron en serie o paralelo a elementos convencionales empleados en la protección del
sistema eléctrico de potencia, estos elementos son los interruptores de potencia cuyos
mandos de operación son dados por relés que están censando constantemente los
parámetros de la red eléctrica.
Algunas de las características de los interruptores de potencia son:
- Soportan corriente de falla de 10 a 100 veces la nominal
- Su operación crea una sobrecarga masiva en todo el sistema.
- Bajo ciertas condiciones pueden presentar explosiones y brotes de incendios.
- No permiten que la red opere en condiciones de falla lo que en circuitos industriales
ocasiona pérdidas por parada en la operación
Debido al constante aumento de la demanda eléctrica que ha hecho que los sistemas de
potencia sean más robustos y por ende con mayores desafíos, en especial respecto a lo que
concierne con su respuesta frente a situaciones de falla, las características que presentan los
interruptores mecánicos hacen que estos no sean adecuados para dichas situaciones,
llegando a superar su capacidad nominal y en ocasiones siendo muy lentos para superar
estos problemas.
Por tanto, aparecen dos opciones para limitar las corrientes de falla por cortocircuito:
Limitar la corriente o interrumpir más rápido antes de alcanzar valores que puedan
ocasionar daños.
Algunas de las características de los dispositivos SFCL son:
72
- Flujo combinado de potencia con limitación de corriente.
- Invisible a la red en operación normal (Sin fallas)
- Los SFCL tipo resistivos no presentan armónicos a la red debido a su naturaleza
- Favorables al medio ambiente y no son combustibles.
-
Ilustración 60 Comparación de tecnologías limitadoras de corrientes (SUPEROX, 2018).
En la ilustración 60 se comparan algunas de las tecnologías empleadas para la protección de
los sistemas eléctricos contra corrientes de falla. Se resaltan los HTS SFCL y los Oci,
Particularmente por su capacidad de recuperación o rearme para la operación.
Para realizar una comparación desde la operación, de algunas de las tecnologías que
protegen contra corrientes de falla se acude a algunas bibliografías que realizan este análisis
de forma teórica mediante simulaciones.
Como parámetros relevantes, se evalúa la operación de cada tecnología respecto a la
magnitud de la falla, y la distancia entre el punto donde ocurre y el equipo a proteger.
También se tratan los ajustes que deben sufrir cada una de las tecnologías evaluadas para
proteger contra la misma falla.
73
Ilustración 61 Superior - Despeje de un corto circuito de 100 kA con tecnologías, reactor inductivo, circuito
electrónico de apertura rápida (DHR), SFCL y controlador rectificador, a una distancia del punto a proteger.
Inferior - Despeje de un corto circuito de 100 kA con tecnologías, reactor inductivo, circuito electrónico de
apertura rápida (DHR), SFCL y controlador rectificador a larga distancia del punto a proteger (Sam
Breugelmans∗, 2014).
En la ilustración 61 se presenta la limitación de una corriente de corto circuito de 100 kA,
por cuatro diferentes tecnologías. Cada tecnología tiene parámetros diferentes que deben
configurarse en base a la distancia de la falla y la magnitud de la corriente.
No todos los dispositivos son adaptables, en general para uno u otro caso se deberá hacer
cambios estructurales. En cualquier caso, deberá existir el acompañamiento de un
interruptor convencional para el despeje total de la falla.
De la situación propuesta por la gráfica se aprecia que la tecnología que más limitó la
corriente de corto circuito fue el circuito electrónico de apertura rápida (DHR), seguido del
dispositivo SFCL, luego el reactor inductivo y por último el controlador rectificador.
En cuanto a los tiempos de operación todos fueron simultáneos a la aparición de la falla, sin
embargo, el DHR, el SFCL y el reactor inductivo, siguieron operando unos ms después de
la desaparición de la falla.
Tabla 5. Porcentajes de corriente de corto circuito limitadas por cada tecnología (Sam Breugelmans∗,
2014)
74
De la tabla 4 sobresalen 2 tecnologías DHR y SFCL, ya que son las que más limitaron la
corriente de falla. En este caso se resaltan la facultad de adaptación de la tecnología a
diferentes escenarios, esto desde el punto de vista económico y técnico.
De forma general los SFCL presentan las siguientes ventajas frente a otras tecnologías con
fines similares;
Impedancia de inserción cercana a cero
En condiciones normales, el SFCL actúa como un conductor eléctrico casi perfecto. Es
prácticamente invisible en la red, eliminando pérdidas de estado estacionario, caída de
tensión y otros.
Operación automática
El funcionamiento del SFCL se basa en las propiedades físicas del superconductor, por
tanto, el elemento no necesita controles externos. Así también la corriente es controlada por
un intervalo predefinido, consistente con la potencia nominal de aguas debajo de los
equipos para permitir la identificación de fallas antes de la operación del interruptor.
Reinserción automática
Después de una operación de limitación de corriente, el SFCL se reinicia automáticamente
y está listo para la próxima operación. No se necesitan señales externas para reiniciar el
dispositivo y no es necesario que haya elementos de reemplazo después de una falla.
Distorsión de voltaje mínimo
Los SFCL resistivos producen voltaje mínimo de distorsión, al tiempo que limita las
corrientes de falla. Solo una reducción de los picos de corriente junto con las formas
normales de onda de voltaje, resultan de la operación del SFCL.
Tensión y corriente en fase
El voltaje y la corriente permanecen en fase durante la operación de limitación de corriente,
por lo que es más fácil para interruptores automáticos interrumpir la corriente de falla.
Diseño modular
El diseño modular interno del SFCL permite la personalización de las prestaciones de
operación del dispositivo, incluida la corriente continua, la corriente nominal, la
disponibilidad de corriente de falla, corriente de falla limitada y duración de la falla.
(NEXANS, 2012)
8. CONCLUSIONES
Los dispositivos SFCL son una tecnología joven y prometedora, que requiere superar varios
desafíos para su implementación total en los sistemas eléctricos, entre esos desafíos se
cuentan:
75
Mejoras en las características de las materias primas (materiales superconductores).
Aunque alcanzar los estados superconductores de estos materiales es con el pasar del
tiempo algo más sencillo, aún se está lejos de lograr estos estados para aplicaciones de la
vida diaria.
El control de temperatura de un superconductor es complejo y costoso. El uso de sistemas
criogénicos es de difícil acceso y aun su desarrollo no es óptimo, lo que representa falencias
durante su operación.
No se encuentran referencias recientes de implementación de estos dispositivos, al parecer
los costos de inversión son altos y no se han logrado solventar las falencias que presenta
esta tecnología, lo que ha llevado abandonar proyectos.
Las tecnologías convencionales aún están lejos de ser reemplazadas por dispositivos SFCL,
sin embargo, se debe seguir trabajando en una alternativa que permita suplir
adecuadamente el constate aumento de la demanda energética.
Para garantizar el éxito en pruebas de resistencia a bajas temperaturas, así como de
corriente crítica, se deberá conocer los procesos empleados en la fabricación de la muestra,
de igual forma es crucial una adecuada unión de los contactos, así como un control de
enfriamiento indirecto de la muestra y el aislamiento térmico de los equipos de medida.
Ya que el fenómeno superconductor aun no es develado en su totalidad, se deberán
fortalecer los estudios que permitan modelarlo plenamente, ésta será la forma directa de
llegar a la implementación de tecnologías como los dispositivos SFCL, en aplicaciones de
la vida diaria.
Trabajos futuros.
Para futuros trabajos en el área se propone evaluar muestras de diferentes materiales y
formas, previamente caracterizadas.
Trabajar paralelamente un software que permita modelar y predecir el comportamiento del
material, en donde se puedan definir sus parámetros críticos.
Se propone también el diseño de un equipo criogénico, que permita controlar y medir el
enfriamiento de todo tipo de muestras superconductoras.
Por último, se plantea estudiar los efectos de los diferentes tipos de SFCL en el sistema
eléctrico, respecto a distorsión armónica y demás fenómenos presentes al interrumpir una
falla con tecnologías convencionales.
76
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