Reptes dels cables HVDC.

Els sistemes elèctrics de corrent continu d'alta tensió (HVDC) acostumen a ser un de les millors solucions pel transport d'energia elèctric  de llarga distància submarí, però no són molt habituals per fer xarxes per connextar dos `punt sobre/sota terra. 

No obstant això, gràcies a la millora del rendiment dels convertidors AC / DC, en termes de rendiment en base a al relació de costos i energia, i les preocupació social sobre l’impacte ambiental i visual de les línies aèries de molta alta tensió, mica en mica fan que la tecnologia  HVDC sigui cada vegada més atractiva. De fet, es creu que la creixent penetració de xarxes de transport de HVDC facilitarà que la xarxa mundial sigui més intel·ligent, fomentant la flexibilitat, la fiabilitat i la sostenibilitat mitjançant la integració de les grans plantes d'energies renovables, que sovint estan lluny dels centres on hi han el consums. Això provocarà un creixement arreu del mónexponencial de les línies de  HVDC en els proper anys.

Font: Electrical India

Entre els sistemes de cable pel tranport a nivell HVDC, cal dir que els cables extrudits amb aïllament polimèric (normalment polietilè reticulat, XLPE) són cada vegada més competitius respecte els cables HVDC "sense malla clàssics". De fet, els cables extrusionats presenten alguns avantatges clau, entre els quals s'en destaquen: 

-  Són molt més respectuosos amb el medi ambient, ja que no hi ha fuites possibles d’oli; 

-  La temperatura màxima del conductor permesa en el funcionament normal és més alta; 

-  Els empalmaments, són molt més senzills. 

Gràcies a les activitats de R+D, diversos sistemes de cables HVDC  extruïts a una tensió de 380 kV estan en servei a tot el món, incloent un sistema de cable HVDC aïllat de 400 kV / 1000 MW entre el Regne Unit i Bèlgica i la interconnexió Espanya-França via el Portús.

Font: NKT

Els sistemes de cable extruït de corrent continu, comercialement estan disponibles a tensions de fins a 640 kV i amb una secció que permet transportar potències superiors a 1 GW. Així donçs, és fàcil preveure una acceleració global de les xarxes globals intel·ligent  amb un rendiments encara més elevats que inclouran l'ús de sistemes de cable HVDC. Tot i que el futur és prometedor, la tecnologia de cable HVDC també ha d’afrontar diversos reptes:

1) Millora del comportament de la càrrega espacial de l'aïllament de cables i els seus accessoris. És ben sabut que l’aïllament extruït de cables sotmesos a una alta tensió de corrent continu està particularment afectat per la trapped space charge. La recerca a temperatures de disseny més altes (> 70 ° C) i els camps elèctrics aplicats (> 20 kV / mm) demanen materials amb una acumulació de trapped space charge per minimitzar els seus efectes limitants de l’aïllament de cables i accessoris.

Per aquest motiu, s'han desenvolupat diversos mètodes no destructius per investigar la trapped space charge en materials polimèrics sòlids i han estat millorats de manera constant durant les últimes dècades, cosa que ha permès realitzar mesures de trapped space charge en bucles de cable de mida completa reals durant les proves de certificació de projectes de sistemes de cable HVDC.

Font: ABB Group

2) Desenvolupar nous materials intel·ligents (de millor rendiment i respectuosos amb el medi ambient) per a l’aïllament de cables. Avui l'aïllament extruït per als cables HVDC no significa necessàriament que sigui XLPE, ja que s'estan desenvolupant nous compostos termoplàstics, que són totalment reciclables ( no estan reticulats) i poden suportar temperatures i tensions de funcionament més elevades. També prometen un millor comportament de trapped space charge per tal de suportar fins i tot la inversió de la polaritat de la tensió. Els cables extruïts convencionals són molt més sensibles als efectes negatius de la trapped space charge acumulada en l’aïllament del cable de corretn continu que els cables MIND, especialment en presència d’inversió de polaritat de tensió. Això fa que aquest nou aïllament termoplàstic s’utilitzi no només amb els convertidors de fonts de tensió (VSC, aquells que normalment s’utilitzen per als sistemes de cable extruït HVDC), sinó també amb els convertidors de fonts de corrent (CSC, els més utilitzats per al cable HVDC MIND), més fiables.

3) Desenvolupar accessoris intel·ligents. És un fet que els accessoris són el punt feble dels cables d'alta tensió. Les articulacions (tant de fàbrica com de tipus pre-modelat) són un problema, a causa del seu gran nombre de connexions. Les unions contenen molts subcomponents amb diverses interfícies entre diferents materials: 

- En contacte amb diferents materials d'aïllament, 

- Capes semiconductores i 

- Conductors.

 Els fenòmens físics, químics i tèrmics adversos posen l'accent en aquesta articulació, reduint la fiabilitat. Aquestes tensions interfacials afecten la selecció de materials i el disseny elèctric, tèrmic i mecànic d’aquests components. L’esforç cap a un major rendiment i la utilització de sistemes de cables HVDC suposa camps aplicats més alts, temperatures i tensions mecàniques en les interfícies crítiques de les articulacions.

4) Desenvolupar nous mètodes de prova efectius per als accessoris. Aquest repte és una conseqüència directa de l’anterior. Es necessiten mètodes de proves nous i més eficaços per desenvolupar accessoris més intel·ligents, especialment articulacions. Aquestes tècniques inclouen: 

- Mesures de trapped space charge en accessoris per a sistemes de cable de mida completa amb alta resolució, que no són gens trivials a causa de dificultats inherents, però que, no obstant, s’exploren per la comunitat científica.

-  Dispositius de mesura innovadors de descàrrega parcial (PD) basats, per exemple, en sensors electromagnètics sense fils VHF / UHF. Aquests dispositius tenen diversos avantatges per a les mesures dels bucles del sistema de cable, incloent-hi els accessoris: posicionament gratuït en els llaços del sistema de cable ampli, elevada relació senyal-soroll, banda ultra-àmplia per a una adquisició precisa del pols de PD sencer (permetent així el rebuig del soroll) , identificació i separació de fonts PD.

Font: NEXANS Norway

5) Funcionament del cable HVDC a la xarxa intel·ligent. Aquest repte es refereix a la visió a nivell de sistemes d’energia i al funcionament del cable HVDC, que comporta diversos reptes més petits. 

El primer és el diagnòstic i el seguiment en línia dels sistemes de cable HVDC per avaluar l'estat d'un sistema en temps real, aconseguint així un rendiment màxim sense comprometre la seva fiabilitat i seguretat. Els mètodes innovadors de diagnòstic on-line inclouen sistemes de monitorització basats en la detecció de PD, la detecció de temperatura distribuïda (DTS), la detecció acústica distribuïda (DAS), etc. Un altre problema és avaluar formes d'ona no convencionals i crítiques per als sistemes de cable HVDC. Aquí es treballa molt per desenvolupar-se en dos fronts: 

- Algoritmes de simulació efectius per a una estimació correcta de formes d'ona crítiques i 

- Avaluació dels efectes rellevants, possiblement perjudicials sobre els cables extrusos. 

L'enfocament actual està en les sobretensions temporals que es produeixen amb convertidors VSC. Un altre repte addicional és la limitació establerta per la càrrega d’espai sobre el comportament dinàmic dels cables polimèrics, ja que, com s'ha subratllat anteriorment, la trapped space charge limita el rendiment i la flexibilitat operativa dels sistemes de cables polimèrics, ja que els operadors no volen perillar el dany d'un cable a causa de la inversió de la polaritat.

Font: IEEE Smart Grids