Tecnologias HVDC que utilizam conversores do tipo fonte de tensão, o VSC-HVDC, ainda não são completamente difundidas e aplicadas no Brasil, em contraste com outros países que começaram a estudar e empregar este tipo de transmissão. Comparado com o HVDC tradicional, o VSC-HVDC é uma tecnologia de transmissão mais eficiente e pode superar deficiências encontradas na transmissão em corrente contínua convencional. O VSC-HVDC pode ser utilizado de maneira mais eficiente nas novas redes de energia, para alimentar ilhas, integração de geração eólica, renovação das linhas em centros urbanos, aplicações multiterminais e conexão com sistemas fracos. Por se tratar de uma tecnologia recente, o VSC-HVDC ainda não é amplamente adotado e uma das principais limitações da utilização destes sistemas é a sua fragilidade diante faltas na linha de corrente contínua. Neste contexto, limitadores de corrente de falta (LCF) podem ser utilizados para minimizar o impacto das faltas. A ação dos limitadores é benéfica ao sistema durante condições de falta, contudo, ainda assim é necessária a atuação do sistema de proteção para extinguir a condição faltosa. Portanto, este trabalho visa propor e avaliar um novo esquema de proteção que opere de maneira seletiva e confiável para sistemas VSC-HVDC na presença de LCF baseados em materiais supercondutores ou LCF indutivos. Para tanto, foram implementadas quatro funções de proteção tradicionais das linhas em CC, a saber: direcional de corrente, diferencial, sobrecorrente com restrição de tensão e ondas viajantes, e ainda, foi proposta uma nova função de proteção, a de condutância, a qual apresentou o menor tempo de identificação de falta, considerando as faltas mais severas. Adicionalmente, foi avaliado o comportamento destas funções quando o sistema apresenta os LCF em série com a linha. Foi demonstrado que é possível extrair os benefícios dos LCF sem deteriorar a qualidade dos resultados das funções de proteção, o que aumenta a segurança e confiabilidade dos sistemas VSC-HVDC, uma vez que os impactos das faltas são minimizados e as mesmas são identificadas em um curto intervalo de tempo. / HVDC technology based on voltage source converters, VSC-HVDC, are not yet fully disseminated and applied in Brazil, in contrast to other countries that have begun to study and widely employ this type of transmission technology. When compared with traditional HVDC systems, VSC-HVDC systems are more efficient and can overcome the challenges encountered in the conventional direct current transmission. The VSC-HVDC can be used more efficiently in the new energy networks to feed islands, integration of wind generation, renewal of lines in urban centers, multiterminal applications and connection with weak systems. Because it is a recent technology, VSC-HVDC is not yet widely adopted and a major limitation of using these systems is their weakness against faults in the DC line. In this context, fault current limiters (FCL) can be used to minimize the impact of faults. The action of the limiters is beneficial to the system during fault conditions, however, the use of protection schemes to detect the fault and extinguish the faulty condition is still required. Therefore, this work aims to propose and evaluate a new protection scheme operating in selective and reliable way for VSC-HVDC systems in the presence of FCL based in superconductor materials or inductive FCL. To reach such a goal, in this work it has been implemented four traditional DC lines protection functions, namely: directional current, differential, overcurrent with voltage restraint and traveling waves, and also proposed a new protection function, which is based on the conductance. This last protection function has presented the lowest detection time, when considering the most severe faults. In addition, it was evaluated the behavior of these functions when the system presents the FCL in series with the DC line. It has been shown that it is possible to extract the benefits of FCL without deteriorating the quality of the results of the protection functions, which increases the safety and reliability of the VSC-HVDC systems, since the impact of faults is minimized and they are identified in a short time.

Tecnologias HVDC que utilizam conversores do tipo fonte de tensão, o VSC-HVDC, ainda não são completamente difundidas e aplicadas no Brasil, em contraste com outros países que começaram a estudar e empregar este tipo de transmissão. Comparado com o HVDC tradicional, o VSC-HVDC é uma tecnologia de transmissão mais eficiente e pode superar deficiências encontradas na transmissão em corrente contínua convencional. O VSC-HVDC pode ser utilizado de maneira mais eficiente nas novas redes de energia, para alimentar ilhas, integração de geração eólica, renovação das linhas em centros urbanos, aplicações multiterminais e conexão com sistemas fracos. Por se tratar de uma tecnologia recente, o VSC-HVDC ainda não é amplamente adotado e uma das principais limitações da utilização destes sistemas é a sua fragilidade diante faltas na linha de corrente contínua. Neste contexto, limitadores de corrente de falta (LCF) podem ser utilizados para minimizar o impacto das faltas. A ação dos limitadores é benéfica ao sistema durante condições de falta, contudo, ainda assim é necessária a atuação do sistema de proteção para extinguir a condição faltosa. Portanto, este trabalho visa propor e avaliar um novo esquema de proteção que opere de maneira seletiva e confiável para sistemas VSC-HVDC na presença de LCF baseados em materiais supercondutores ou LCF indutivos. Para tanto, foram implementadas quatro funções de proteção tradicionais das linhas em CC, a saber: direcional de corrente, diferencial, sobrecorrente com restrição de tensão e ondas viajantes, e ainda, foi proposta uma nova função de proteção, a de condutância, a qual apresentou o menor tempo de identificação de falta, considerando as faltas mais severas. Adicionalmente, foi avaliado o comportamento destas funções quando o sistema apresenta os LCF em série com a linha. Foi demonstrado que é possível extrair os benefícios dos LCF sem deteriorar a qualidade dos resultados das funções de proteção, o que aumenta a segurança e confiabilidade dos sistemas VSC-HVDC, uma vez que os impactos das faltas são minimizados e as mesmas são identificadas em um curto intervalo de tempo. / HVDC technology based on voltage source converters, VSC-HVDC, are not yet fully disseminated and applied in Brazil, in contrast to other countries that have begun to study and widely employ this type of transmission technology. When compared with traditional HVDC systems, VSC-HVDC systems are more efficient and can overcome the challenges encountered in the conventional direct current transmission. The VSC-HVDC can be used more efficiently in the new energy networks to feed islands, integration of wind generation, renewal of lines in urban centers, multiterminal applications and connection with weak systems. Because it is a recent technology, VSC-HVDC is not yet widely adopted and a major limitation of using these systems is their weakness against faults in the DC line. In this context, fault current limiters (FCL) can be used to minimize the impact of faults. The action of the limiters is beneficial to the system during fault conditions, however, the use of protection schemes to detect the fault and extinguish the faulty condition is still required. Therefore, this work aims to propose and evaluate a new protection scheme operating in selective and reliable way for VSC-HVDC systems in the presence of FCL based in superconductor materials or inductive FCL. To reach such a goal, in this work it has been implemented four traditional DC lines protection functions, namely: directional current, differential, overcurrent with voltage restraint and traveling waves, and also proposed a new protection function, which is based on the conductance. This last protection function has presented the lowest detection time, when considering the most severe faults. In addition, it was evaluated the behavior of these functions when the system presents the FCL in series with the DC line. It has been shown that it is possible to extract the benefits of FCL without deteriorating the quality of the results of the protection functions, which increases the safety and reliability of the VSC-HVDC systems, since the impact of faults is minimized and they are identified in a short time.

This thesis investigates problematic cases in AC substation grounding system design. Particularly, the grounding design for substations that are built on high resistivity soil is considered. Here, possible physical rectification schemes are introduced and compared for their effectiveness from safety and cost efficiency perspectives. For this comparison, the CYMGRD program (a finite element analysis tool for AC substation grounding) is used for detailed analysis of the various schemes. An additional computer program is developed to implement the formulations of the related AC substation standards (IEEE, IEE, and Turkish National Regulations). The output of this program is compared with the finite element analysis of the high-resistivity-soil rectification schemes to investigate the validity of the formulations in these standards.

The main aim of this work was to investigate electrical conductivity of La-Ca(Sr)-MnO thin films at high pulsed electric and magnetic fields and to clear up the possibilities to use these materials for high pulsed magnetic field sensor and fault current limiter applications. The dissertation consists of the preface, six chapters, summary and main conclusions, references, list of publications and abstract (in Lithuanian). The main objectives of the work, scientific novelty, goals, validation of results, and statements for defense are presented in the preface. Chapter 1 presents an introduction and review of previous works on electroresistance (ER) and magnetoresistance (MR) phenomena in manganites. Chapter 2 presents a description of two deposition techniques which were used for preparation of thin manganite films: metal organic chemical vapour deposition (MOCVD) and pulsed laser deposition (PLD). Measurement equipment and methods are described in Chapter 3. The resistance dependence on voltage was investigated using electric pulses with duration of 5–30 ns and amplitude up to 1000 V in the temperature range of 4.2–300 K. For magnetoresistance measurements a pulsed magnetic field generator, which generates magnetic field pulses of 0.6–2 ms duration with amplitude up to 50 T was used. Chapter 4 presents an investigation of surface morphology of prepared films and a characterization of their properties at low electric and magnetic fields. The electric and magnetic properties... [to full text]

The main aim of this work was to investigate electrical conductivity of La-Ca(Sr)-MnO thin films at high pulsed electric and magnetic fields and to clear up the possibilities to use these materials for high pulsed magnetic field sensor and fault current limiter applications.

Limitadores de corrente supercondutores resistivos (LCSR) são dispositivos com características elétricas próximas ao ideal quando ocorre a transição do estado supercondutor para o estado normal, limitando a corrente de falta através da inserção rápida de uma resistência na rede. A viabilidade técnica e econômica destes limitadores aumentou após o desenvolvimento dos supercondutores de alta temperatura crítica HTS. A primeira geração de fitas HTS (BSCCO) consiste em multifilamentos de material supercondutor embutidos em uma matriz de prata. A densidade de corrente crítica típica é de aproximadamente 140 A/mm2. Contudo, a resistência alcançada pelo LCSR quando atinge o estado normal não é suficiente para limitar a corrente de falta, sendo necessários longos comprimentos de fitas (~5 km) para que a corrente seja limitada. O recente desenvolvimento de fitas supercondutoras de YBCO com filmes finos texturizados e com substrato de alta resistividade superou o desempenho das fitas de BSCCO para esta aplicação. Com uma densidade de corrente crítica de 136 A/mm2, as fitas de YBCO são bem conhecidas pelo seu alto valor de índice n (aproximadamente 30), rápida resposta de transição após falta e alta resistência elétrica no estado normal. Neste trabalho foram analisados o comportamento elétrico e magnético das fitas de BSCCO e YBCO (em amostras curtas de 0,2 m) utilizando diferentes técnicas de caracterização das propriedades das fitas HTS. A partir destes resultados, medidas com pulsos de corrente DC e AC com intensidades de 3 a 7 vezes a corrente crítica do sistema (I=720 A a 1700 A) com duração de 1 a 5 ciclos da rede em 60 Hz (16 a 80 ms) foram realizados de forma a obter as características do tempo de recuperação em um elemento contendo 4 fitas em paralelo (0,4 m). Os resultados permitiram o projeto, construção e medidas em corrente AC de um protótipo LCSR (Ipico = 2 kA) contendo 16 elementos sob condições normais de operação da rede (220 V - 60 Hz). / Resistive Superconducting fault current limiter (SFCL) are devices with electrical behavior near the ideal when it changes its state from the superconducting to the normal state, limiting the fault current by the insertion of a fast transition resistance in the grid. The technical and economical feasibility of these limiters arose after the development of the high critical temperature superconductors HTS. First generation HTS tapes (BSCCO) consist of multifilamentary composite tapes embedded in a silver matrix. The typical critical current density is approximately 14 kA/cm2. However, the resistance reached by the SFCL when normal state occurs is not high enough to limit the fault current, making necessary long lengths of tapes (~5 km) for limiting purposes. The recently development of coated conductors composites with high resistivity metal substrate have succeeded the BSCCO tapes which are based on YBCO textured film. Upon carrying a critical current density of 13.6 kA/cm2, YBCO tapes are well known for their high n-index value (approximately 30), fast transition response after fault, and high electrical resistance in the normal state. In this work, we will present the electrical and magnetic performance of BSCCO and YBCO tapes (short samples of 0.2 m) using several techniques to characterize the properties of the HTS tapes. It was also performed analysis with DC and AC currents peaks with strength of 3 to 7 times the critical current (I=720 A to 1700 A) lasting 1 to 5 cycles (16 to 80 ms) in order to verify the recovery characteristics in an element with 4 tapes in a parallel connection. And with those characteristics we designed and constructed and measured in AC current a SFCL prototype (Ipeak = 2 kA) consisting in 16 elements to use in the grid (220 V - 60 Hz) under operational conditions.

Limitadores de corrente supercondutores resistivos (LCSR) são dispositivos com características elétricas próximas ao ideal quando ocorre a transição do estado supercondutor para o estado normal, limitando a corrente de falta através da inserção rápida de uma resistência na rede. A viabilidade técnica e econômica destes limitadores aumentou após o desenvolvimento dos supercondutores de alta temperatura crítica HTS. A primeira geração de fitas HTS (BSCCO) consiste em multifilamentos de material supercondutor embutidos em uma matriz de prata. A densidade de corrente crítica típica é de aproximadamente 140 A/mm2. Contudo, a resistência alcançada pelo LCSR quando atinge o estado normal não é suficiente para limitar a corrente de falta, sendo necessários longos comprimentos de fitas (~5 km) para que a corrente seja limitada. O recente desenvolvimento de fitas supercondutoras de YBCO com filmes finos texturizados e com substrato de alta resistividade superou o desempenho das fitas de BSCCO para esta aplicação. Com uma densidade de corrente crítica de 136 A/mm2, as fitas de YBCO são bem conhecidas pelo seu alto valor de índice n (aproximadamente 30), rápida resposta de transição após falta e alta resistência elétrica no estado normal. Neste trabalho foram analisados o comportamento elétrico e magnético das fitas de BSCCO e YBCO (em amostras curtas de 0,2 m) utilizando diferentes técnicas de caracterização das propriedades das fitas HTS. A partir destes resultados, medidas com pulsos de corrente DC e AC com intensidades de 3 a 7 vezes a corrente crítica do sistema (I=720 A a 1700 A) com duração de 1 a 5 ciclos da rede em 60 Hz (16 a 80 ms) foram realizados de forma a obter as características do tempo de recuperação em um elemento contendo 4 fitas em paralelo (0,4 m). Os resultados permitiram o projeto, construção e medidas em corrente AC de um protótipo LCSR (Ipico = 2 kA) contendo 16 elementos sob condições normais de operação da rede (220 V - 60 Hz). / Resistive Superconducting fault current limiter (SFCL) are devices with electrical behavior near the ideal when it changes its state from the superconducting to the normal state, limiting the fault current by the insertion of a fast transition resistance in the grid. The technical and economical feasibility of these limiters arose after the development of the high critical temperature superconductors HTS. First generation HTS tapes (BSCCO) consist of multifilamentary composite tapes embedded in a silver matrix. The typical critical current density is approximately 14 kA/cm2. However, the resistance reached by the SFCL when normal state occurs is not high enough to limit the fault current, making necessary long lengths of tapes (~5 km) for limiting purposes. The recently development of coated conductors composites with high resistivity metal substrate have succeeded the BSCCO tapes which are based on YBCO textured film. Upon carrying a critical current density of 13.6 kA/cm2, YBCO tapes are well known for their high n-index value (approximately 30), fast transition response after fault, and high electrical resistance in the normal state. In this work, we will present the electrical and magnetic performance of BSCCO and YBCO tapes (short samples of 0.2 m) using several techniques to characterize the properties of the HTS tapes. It was also performed analysis with DC and AC currents peaks with strength of 3 to 7 times the critical current (I=720 A to 1700 A) lasting 1 to 5 cycles (16 to 80 ms) in order to verify the recovery characteristics in an element with 4 tapes in a parallel connection. And with those characteristics we designed and constructed and measured in AC current a SFCL prototype (Ipeak = 2 kA) consisting in 16 elements to use in the grid (220 V - 60 Hz) under operational conditions.

[pt] O primeiro material supercondutor de alta temperatura foi descoberto em 1986. Desde então foram sintetizados mais de 150 novos supercondutores (cupratos, bismutatos, boretos e fulerenos) com temperatura crítica superior à temperatura de 23,3 K, a temperatura crítica mais alta entre os materiais supercondutores de baixa temperatura. Muitos destes novos materiais supercondutores têm provocado interesse acadêmico, sendo utilizados, por exemplo, para a compreensão do fenômeno de supercondutividade a alta temperatura. No entanto, há famílias supercondutoras que possuem propriedades atraentes para o desenvolvimento de novas tecnologias voltadas particularmente para sistemas elétricos de potência, medicina e transporte (veículo Maglev). Dois supercondutores da família BSCCO, Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) e Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi-2223), estão entre os mais pesquisados para aplicação em escala industrial no setor elétrico. Uma projeção do mercado de dispositivos para o setor elétrico, à base de supercondutores de alta temperatura, aponta que este mercado deve movimentar em torno de 47 bilhões de dólares em 2020, tendo como destaques, com quase 90% deste mercado, limitadores de corrente de curtocircuito, transformadores e SMES (Sistema Magnético Supercondutor de Armazenagem de Energia). A presente tese se propôs a contribuir para o desenvolvimento de uma nova tecnologia de produção de limitadores de corrente de curto-circuito (LCC) à base da fase supercondutora Bi-2212. Esta tecnologia baseia-se na produção de formas maciças (blocos) da fase Bi-2212, para a confecção de LCC, através da fusão parcial e solidificação peritéticas desta fase. Este método difere substancialmente do método de fusão completa, usualmente empregado para a obtenção destes blocos. Para o desenvolvimento e o aperfeiçoamento desta nova tecnologia foi necessário estudar a fusão e a solidificação peritéticas da fase Bi- 2212. Com este intuito, para acompanhar esses dois processos foram utilizadas técnicas de observação in situ, assim como análise de amostras temperadas. As propriedades supercondutoras foram estudadas por meio das caracterizações eletromagnéticas. Com base nestes estudos foi desenvolvido um ciclo térmico que proporciona uma densidade de corrente crítica da fase Bi-2212 na forma maciça superior a 1000A/cm2, em corrente direta, a 77K e sem campo magnético externo. Este valor confirma a viabilidade do método para a produção de material para LCC. / [en] High temperature superconductivity was discovered in 1986. Since then more than 150 new superconductors (cuprates, bismuthates, borides and fullerite) with critical temperature higher then 23,3K (the highest critical temperature for low temperature superconductors) have been synthesized. Many of them rise interest from the scientific viewpoint and are suitable for investigations focusing the phenomena of high temperature superconductivity. However, some superconducting families display properties that are attractive for applications in electrical power systems, medicine and transport. Two superconductors from the BSCCO family, Bi2Sr2CaCu2O8+x (Bi-2212) e Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x (Bi-2223), are among the most studied for application in electrical power systems at industrial scale. One prognostic for the market of superconducting electrical devices points out that this market will represent more than 47 billion dollars in the year 2020. More than 90% of this market will be dominated by devices such as: fault current limiters (FCL), transformers and superconducting magnetic energy storage systems (SMES). The present thesis aims to contribute for the development of a new technology for production of fault current limiters, based on the Bi-2212 phase, the partial melt method. This method involves peritectic fusion and solidification of the Bi-2212 phase and is substantially different from the complete melt processing usually used for production of Bi- 2212 blocks. The peritectic fusion and solidification of the Bi-2212 phase were investigated by quenching and in situ techniques. Superconducting properties were also studied by electromagnetic measurements. Based on these studies, a thermal cycle was established which results in a critical current density in bulk form, of the Bi-2212 phase, superior to 1000A/cm2, in direct current, at 77K and zero field. This value confirms the potential of the method to produce material for FCL.

In today’s technological world, electrical energy is one of the most important forms of energy and is needed directly or indirectly in almost every field. Increase in the demand and consumption of electrical energy leads to increase in the system fault levels. It is not possible to change the rating of the equipment and devices in the system or circuits to accommodate the increasing fault currents. The devices in electronic and electrical circuits are sensitive to disturbance and any disturbance or fault may damage the device permanently so that it must be replaced. The cost of equipment like circuit breakers and transformers in power grids is very expensive. Moreover, replacing damaged equipment is a time and labour consuming process, which also affects the reliability of power systems. It is not possible to completely eliminate the faults but it is possible to limit the current during fault in order to save the equipment and devices in the circuits or systems. One solution to this problem is to use a current limiting device in the system. There are many different types of approaches used for limiting fault currents Two different approaches to limit fault currents have been discussed by the author. One is Passive Magnetic Current Limiter (MCL) and another is High Temperature Superconductor Fault Current Limiter (HTSFCL). Both are passive devices and they do not need any sensor or external sources to perform their current limiting action. The first device consists of two ferrite cores and a permanent magnet which is sandwiched between the two saturated cores and it is called Magnetic Current Limiter. Experimental results with the MCL in circuit are discussed. Both field and thermal models of the MCL have been simulated using finite element software, FEMLAB. The demonstration of the High Temperature Superconductor Fault Current Limiter (HTSFCL) in power systems has been explained. The MATLAB simulation of the HTSFCL has been done and the results with and without the fault are shown. Power System Analysis Toolbox (PSAT) software has been used to locate the optimum or the best location of HTSFCL in a nine bus system. It has been shown that it is possible to find a solution that limits the fault current in power systems. Depending on the size of the system, either the MCL or the HTSFCL can be implemented. The location of the HTSFCL is to be carefully selected to achieve optimum results.

Ce mémoire traite de la limitation de courant à partir de supraconducteurs HTc. L'utilisation de la transition naturelle d'un état supraconducteur vers un état dissipatif est envisagée pour limiter les courants de défaut sur les réseaux de distribution électrique. Cette application de la supraconductivité est très prometteuse puisque aucune solution conventionnelle ne réalise cette fonctionnalité pour la haute tension. Le gain réalisé par l'installaton de limiteurs de courant serait une densification des réseaux électriques et une amélioration de la qualité de l'énergie distribuée. Cette étude se scinde en deux points. Le premier concerne l'étude expérimentale du comportement de différents matériaux supraconducteurs HTc pour la limitation de courant. Cette caractérisation a été menée en régime nominal alternatif (mesures des pertes) et en régime de défaut. Dans le cadre de cette étude, le matériau YBCO mono domaine a fait l'objet d'une analyse approfondie à haute température. Un travail de modélisation numérique visant à prédire les conséquences d'une transition inhomogène et à estimer les pertes en régime assigné a également été mené. Afin de valider la faisabilité d'un appareillage haute tension, un démonstrateur 1 kV / 100 A constitué de 43 méandres d'YBCO texturé a été testé à une température de 90,5 K. Cette étude s'est également focalisée sur la dynamique de la transition des matériaux supraconducteurs. Nos expériences semblent montrer que la transition est plus homogène au voisinage de Tc. Cette observation est principalement justifiée par la faible valeur de Jc au voisinage de Tc, par des considérations thermiques (meilleure propagation du front de transition) et magnétiques (ancrage magnétique et mécanisme avalancheux de la transition différents près de Tc). Des résultats expérimentaux mettent également le doigt sur l'importance des échanges thermiques latéraux sur la transition des supraconducteurs. L'analyse menée montre que l'énergie dissipée au sein du matériau étudié semble l'être de façon localisée.