Brevet FR2621749A1 — publié le 19890414

Limiteur de courant de défaut pour ligne triphasée. La présente invention concerne un limiteur cryogénique de courant de défaut pour ligne triphasée à haute tension à neutre a la terre. En cas de défaut dans un réseau alternatif (défaut phase-terre ou défaut entre phases) il convient de couper le courant de défaut au plus vite. Ceci se fait classiquement au moyen de disjoncteurs, de préférence à coupure dans l'hexafluorure de soufre ou dans l'air comprimé. On a songé depuis plusieurs années à utiliser les propriétés des matériaux supraconducteurs pour équiper les réseaux et notamment réaliser des limiteurs de courant cryogénique. Le principe en est le suivant - on insère, en série dans chaque phase de la ligne à protéger, une bobine en matériau susceptible de prendre l'état supraconducteur ; la bobine, d'auto-inductance faible, est placée dans un cryostat contenant de l'hélium liquide. Lorsque la bobine est traversée par le courant nominal, elle demeure dans l'état supraconducteur, car la valeur de i'intensité du courant nominal est bien inférieure à la valeur de l'intensité du courant critique. En cas de défaut, dès que la valeur de l'intensité critique est atteinte, la bobine perd l'état supraconducteur et oppose sa valeur ohmique au passage du courant, ce qui permet de limiter ainsi le courant de défaut. Un disjoncteur classique en série dans la phase permet de couper le courant résiduel et d'isoler le circuit. Dans une variante de réalisation, on utilise pour chaque phase, un circuit magnétique fermé portant deux enroulements ; l'enroulement primaire est une bobine de cuivre en série avec le conducteur de phase l'enroulement secondaire est une bobine en matériau supraconducteur, placée dans un cryostat, et en court-circuit sur elle-même. En cas de défaut, l'intensité du courant dans la bobine supraconductrice dépasse la valeur critique ; la bobine perd son état supraconducteur et oppose sa résistance normale au passage du courant. Comme précédemment, un disjoncteur classique en série dans la phase permet de couper le courant résiduel. On a également proposé un montage comprenant pour chaque phase une bobine supraconductrice placée en série dans le conducteur de phase, et associée à un disjoncteur ultra rapide à grande tension d'arc en parallèle sur la bobine. Tous les dispositifs proposés présentent des inconvénients - les deux premiers dispositifs cités imposent que le courant nominal traverse en permanence la bobine ce qui entraîne des pertes frigorifiques, nécessitent un circuit magnétique et des traversées de tension, - les deux premiers dispositifs n'autorisent l'emploi que d'un conducteur supraconducteur spécial pour courant alternatif, - le troisième dispositif présente une amélioration vis-à-vis des deux autres car le courant permanent ne traverse pas la bobine et celle-ci peut être réalisée avec un matériau supraconducteur pour courant continu, donc moins coûteux que le matériau supraconducteur pour courant alternatif. Mais il nécessite la présence d'un disjoncteur ultra-rapide de réalisation difficile et de prix élevé. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif limiteur de courant plus simple et qui ne soit pas traversé par le courant permanent et qui autorise l'utilisation de fil supraconducteur à courant continu. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif limiteur de courant utilisable pour des réseaux de tension supérieure à 150 kV. En effet actuellement pour les réseaux de tension supérieurs à 150 kV, le neutre est relié en permanence à la terre afin d'éviter les surélévations de tension, en particulier lors de la manoeuvre des lignes à vide ou des transformateurs à vide ; les réamorçages peuvent créer des surtensions plus élevées si le neutre est isolé. Pour les réseaux de tension inférieure à 150 kV, les surélévations de tension sont moins critiques, dans la plupart des cas à cause du surisolement de ces réseaux. Ces derniers ont souvent le neutre relié à la terre à travers une résistance de limitation de courant de défaut. Un but de l'invention est de réunir les avantages du réseau à neutre effectivement à la terre et du réseau à neutre isolé à travers une résistance. La présente invention a pour objet un limiteur de courant de défaut pour ligne triphasée à neutre à la terre, caractérisé en ce qu'il comprend, connecté entre le neutre et la terre, un circuit comprenant une bobine supraconductrice en parallèle avec une résistance. En cas de défaut phase-terre, le courant de défaut traverse la bobine supraconductrice. Comme le courant de défaut a une intensité bien supérieure à celle du courant critique, la bobine supraconductrice perd son état supraconducteur et sa résistance vient limiter l'intensité du courant de défaut en un temps très court inférieur à la milliseconde. La résistance en parallèle sur la bobine sert à dériver et a limiter le courant de défaut jusqu'à l'ouverture du disjoncteur de ligne et à réduire les surtensions lors de la transition à l'état de non supraconductivité de la bobine. Le dispositif précité sert à limiter les courants de défaut phase-terre. Pour limiter les courants de défaut entre phases, on ajoutera au dispositif précédent, en série sur deux des enroulements du transformateur, un circuit comprenant une bobine supraconductrice en parallèle avec une résistance. Dans les deux modes de réalisation précités, on pourra placer les circuits à l'intérieur du transformateur de la ligne. L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après de divers modes de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente un réseau triphasé muni d'un limiteur de courant, selon un premier mode de réalisation de l'invention - la figure 2 représente un réseau triphasé muni d'un limiteur de courant selon un second mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente partiellement une ligne à haute tension comprenant un transformateur T, triangle-étoile et trois conducteurs de phases 10, 20, 30 protégés par des disjoncteurs 11, 21, 31. La ligne est supposée avoir un neutre O à la terre. Selon l'invention, un courant de défaut phase-terre peut être limité en connectant, entre le neutre et la terre, un ensemble comprenant une bobine supraconductrice 15 de faible inductance, placée dans un cryostat 16 qui la maintient dans l'état supraconducteur, en parallèle avec une résistance 18. En régime normal (absence de défaut), aucun courant ne circule dans le circuit et en particulier dans la bobine supraconductrice, ou seulement un faible courant capacitif homopolaire. Cette circonstance permet d'utiliser un fil supraconducteur à performances moyennes tel que celui utilisé pour le courant continu. En cas de défaut phase-terre, en général 80% des défauts étant de ce type, le courant de défaut fait transiter la bobine supraconductrice 15 à l'état normal, car la valeur de son intensité est bien supérieure à celle de l'intensité critique du matériau supraconducteur. La résistance 18 vient limiter la valeur du courant de défaut à une valeur prédéterminée qui peut être inférieure ou supérieure au courant critique du matériau supraconducteur de la bobine 15. Le courant critique de la bobine 15 sera déterminé en tenant compte du courant apparaissant sur le neutre lors des manoeuvres d'ouverture ou de fermeture des lignes à vide ou des transformateurs à vide. Une valeur de quelques centaines d'ampères couvre la plupart des cas. L'ouverture du disjoncteur de ligne 11, 21, 31 supprime la tension appliquée sur 15 et sur 18, en un temps de l'ordre de 60 à 100 millisecondes après le défaut. I1 est souhaitable que la valeur de la résistance de la bobine 15 une fois transitée, soit élevée, bien supérieure à celle de la résistance 18, afin de réduire l'énergie thermique dans 15. En plus de l'avantage dû à l'absence du courant permanent déjà signalé, un autre avantage est que le dispositif s'applique sans difficulté à des réseaux à haute tension supérieure à 150 kV, en effet, en fonctionnement normal, le neutre du transformateur est bien relié directement à la terre à travers la bobine supraconductrice 15 de faible inductance ; le neutre du transformateur sera isolé à la tension simple. L'ensemble (bobine, cryostat, résistance de limitation) peut être placé à l'intérieur du transformateur. Pour les transformateurs déjà installés, si leur neutre est suffisamment isolé, l'ensemble (bobine, cryostat, résistance de limitation) peut être installé sans difficulté à côté. La bobine supraconductrice 15 sera bobinée sans ou à très faible inductance, soit avec des fils soit avec des rubans supraconducteurs. Elle peut être aussi réalisée par assemblage d'éléments supraconducteurs de forme adéquate (bâtonnets, éléments en spirale...). La résistance 18 peut être en céramique à base de carbone ou métallique, isolée dans l'huile ou dans un gaz diélectrique. Le cryostat peut avoir son enveloppe entièrement ou en partie en matériau isolant. Si on souhaite limiter le courant des défauts entre phases qui sont des défauts assez rares, on complète le dispositif comme indiqué dans la figure 2 où les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. On place sur deux des phases, ici les phases 20 et 30, deux ensembles analogues à celui inséré entre neutre et terre, à savoir une bobine supraconductrice (respectivement 152, 153) avec son cryostat 162, 163 en parallèle avec une résistance de limitation de courant 182, 183. I1 n'y a pas d'enroulement supraconducteur sur la phase (ici 10) ayant le plus grand taux de défauts à la terre. Les bobines 152, 153 sont traversées par le courant permanent du réseau ; elles sont donc réalisées en fil supraconducteur pour courant alternatif. A cause du passage du courant permanent, ces bobines ont un courant critique bien supérieur à celui de la bobine 15. Par contre, la bobine 15, qui fonctionne plus souvent à cause du plus grand nombre de défauts, n'est pas traversée par un courant permanent et est réalisée en fil supraconducteur simple. I1 est avantageux de placer-les trois ensembles (bobines, cryostats, résistances de limitation) à l'intérieur du transformateur de ligne. On pourrait, en variante, placer un ensemble comprenant bobine supraconductrice, cryostat et résistance de limitation, sur chacune des trois phases, et aucun entre neutre et terre, mais les bobines seraient toutes parcourues par le courant permanent, ce qui serait moins économique. On pourrait aussi, en variante, placer un ensemble comprenantbobine supraconductrice, cryostat et résistance de limitation en série avec les enroulements tertiaires en triangle du transformateur de ligne. La transition de la bobine supraconductrice permet de réduire sensiblement l'amplitude du courant de défaut monophasé à la terre. Cette solution serait moins économique par rapport au premier mode de réalisation. D'autant plus qu'elle n'est pas directement applicable au transformateur déjà en service. Dans le cas où il est nécessaire d'avoir plusieurs cycles de fonctionnement rapides, on pourrait utiliser une deuxième bobine supraconductrice en parallèle avec la première bobine 15 et reliee à la résistance 18 par un interrupteur qui est normalement en position d'ouverture. On met la deuxième bobine supraconductrice en service en fermant l'interrupteur, la première bobine 15 étant supposée encore en état résistif. De préférence, dans le même cryostat 16, la deuxième bobine soit concentrique et extérieure à la première bobine 15. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant de défaut pour ligne triphasée à neutre à ia terre, caractérisé en ce qu'il comprend, connecté entre le neutre et la terre, un circuit comprenant une bobine supraconductrice (15) de faible inductance en parallèle avec une résistance (18). 2/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, en série sur deux des enroulements (200, 300) du transformateur, un circuit comprenant une bobine supraconductrice (152, 153) en parallèle avec une résistance (182, 183). 3/ Limiteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les phases (20, 30) qui comportent lesdits circuits sont celles qui ont les fréquences de défaut les plus faibles. 4/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur du courant critique de la bobine supraconductrice (15) est choisie pour que cette bobine ne transite pas lors des fonctionnements normaux du disjoncteur de ligne. 5/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les ensembles comprenant les bobines supraconductrices (15, 152, 153) et leurs résistances en parallèles (18, 182, 183) sont placés à l'intérieur d'un transformateur de ligne. 6/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, dans le cryostat (16), une deuxième bobine supraconductrice concentrique et extérieure à la bobine (15) est reliée à la résistance (18) à travers un interrupteur normalement en position d'ouverture.