Brevet FR2645278A1 — publié le 19901005

-1 - DISPOSITIF DE DETECTION DE TRANSITION SUPRACONDUCTRICE ET APPLICATION A UN LIMITEUR DE COURANT SUPRACONDUCTEUR La présente invention est relative à un dispositif de détection, dans un élément supraconducteur fonctionnant à l'état de supraconductivité, d'une transition à l'état non supraconducteur. Une transition locale d'un fil supraconducteur, de l'état supraconducteur à l'état résistif normal (appelée simplement dans la suite: transition), survenant soit par défaut de refroidissement local, soit en raison de perturbations magnétiques ou mécaniques, peut entraîner des dommages au fil si elle dure un temps assez long. Il est donc important de pouvoir détecter l'apparition de transitions dès qu'elles se produisent, afin de pouvoir prendre les mesures de protection appropriées. Il a été proposé, pour la détection des transitions dans les conducteurs supraconducteurs comportant plusieurs brins autour d'un conducteur central, de mesurer la tension électrique entre le conducteur central et les brins extérieurs, une augmentation de tension indiquant l'apparition d'une transition locale. On se référera à ce sujet à l'article paru dans IEEE-Transactions on magnetics, vol. MAG 17, N 5, septembre 1981, "High sensitive quench detection method using an integrated test wire". Une telle méthode ne peut, à l'évidence, être utilisée que pour les dispositifs dans lesquels les tensions d'utilisation sont faibles, par exemple inférieures ou égales à quelques centaines de volts. Cette considération exclut les applications à la haute tension, comme celle des limiteurs de courant pour réseaux à haute tension. Par ailleurs, la fabrication du fil est plus délicate et la réalisation industrielle d'un limiteur de courant fondé sur cette méthode plus difficile. -2- Un but de l'invention est de réaliser un dispositif de détection de transition qui, à -toutes gammes de tension, ait une sensibilité suffisante; un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de détection pouvant être utilisé à des tensions élevées, c'est-à-dire supérieures à plusieurs dizaines de kilovolts. Le dispositif de l'invention nécessite pour sa mise en oeuvre, que l'élément supraconducteur possède deux conducteurs supraconducteurs identiques reliés 1 électriquement en parallèle; il peut s'agir par exemple d'une bobine comprenant deux enroulements supraconducteurs en forme de solénoïdes, coaxiaux, électriquement reliés en parallèle et bobinés en sens inverse de manière à limiter la valeur de l'autoinductance de la bobine. C'est l'exemple qui sera choisi dans la suite pour illustrer l'invention. L'invention a pour fondement l'observation qui a été faite qu'en cas de fonctionnement normal de l'élément supraconducteur, les courants dans chacun des deux conducteurs ont même intensité et même phase; si une transition survient dans une petite partie de l'un des conducteurs, les valeurs du courant dans les deux conducteurs deviennent différents et une différence de phase apparaît entre eux. L'invention a ainsi pour objet un dispositif pour détecter l'apparition d'une transition de l'état supraconducteur à l'état non supraconducteur d'une portion d'un élément supraconducteur comprenant deux conducteurs supraconducteurs identiques reliés électriquement en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détecter une différence d'intensité ou une différence de phase entre les courants traversant lesdits conducteurs. L'invention est maintenant précisée sur une exemple dans lequel l'élément supraconducteur est un bobinage supraconducteur faisant partie d'un dispositif limiteur de -3 courant destiné à la protection d'un réseau à haute tension. Cet exemple est illustré par le dessin ci-annexé dans lequel: - la figure 1 représente schématiquement un limiteur de courant supraconducteur muni du dispositif de détection de l'invention, - la figure 2 est un schéma expliquant comment peut être effectuée une détection de transition par mesure de tensions capacitives. - la figure 3 est un schéma montrant une détection au moyen de fibres optiques, - la figure 4 est un schéma montrant une détection au moyen de prismes magnéto-optiques, - la figure 5 est un schéma montrant une détection au moyen de bobines de Rogowski. Dans la figure 1, la référence 1 désigne un cryostat comprenanant une cuve métallique, reliée à la masse et constituée de deux parois 50 et 51 séparées par un espace 52 maintenu sous vide. Le cryostat est partiellement rempli d'un fluide 12 à une température permettant à l'enroulement utilisé de prendre l'état supraconducteur. Dans le cas o l'enroulement est réalisé en fils de niobium-titane, le fluide utilisé est de l'hélium liquide. La cuve est surmontée de deux traversées isolantes 3A et 3B, en matériau céramique, comportant des ailettes. Un conducteur 5A, en cuivre massif, se divise, à l'intérieur de la traversée 3A, en deux conducteurs élémentaires 5A' et 5A", isolés par une même gaine 6A, qui -4 - se prolonge à l'intérieur de la cuve jusqu'à un point R. La gaine isolante est elle-même entourée d'une couche conductrice 7A qui se termine à un niveau P par un anneau anti-effluves. Les points P et R sont situés au-dessous du niveau du 12 du liquide cryogénique. Les conducteurs 5A' et 5A" sont respectivement reliés à deux conducteurs supraconducteurs 7 et 8, enroulés respectivement autour de deux manchons isolants 9 et 9', cylindriques, coaxiaux et maintenus verticalement dans la cuve au moyen d'un support isolant 10 fixé au fond de la cuve. Le bobinage des deux fils 7 et 8 sur leur manchon respectif est effectué en sens inverse pour annuler la valeur de l'auto-inductance de l'ensemble. Les extrémités 7C et 8C des enroulements 7 et 8 sont respectivement reliées à deux conducteurs en cuivre 5C' et 5C", isolés électriquement l'un de l'autre, qui pénètrent dans la traversée 5B après avoir suivi à l'intérieur du cryostat un chemin qui suit l'axe des enroulements. On retrouve pour la traversée 5B -les mêmes éléments constitutifs que pour la traversée SA, affectés cette fois de l'indice B. On note toutefois que les conducteurs 5C' et 5C"' restent isolés, aussi bien à l'intérieur qu'à l'extérieur de la traversée 6B. Les métallisations 7A et 7B sont isolées de la cuve 1 par des portions isolantes, respectivement 20A et 20B. Dans -une variante de réalisation non représentée, les conducteurs 5C' et 5C" sont réalisés sous forme de deux tubes coaxiaux, l'un étant disposé à l'intérieur de l'autre. A côté du cryostat 1 est disposé un ensemble de détection qui comprend une enveloppe isolante 99 posée sur une cuve métallique 115 et remplie d'un isolant 100 choisi liquide (huile), solide (résine époxy) ou gazeux (hexafluorure de soufre) selon la valeur de la tension de fonctionnement du dispositif. L'enveloppe isolante 99 est surmontée par un chapeau métallique 99' fermé par un couvercle métallique 99". L'enveloppe 99 comporte deux -5 - prises d'entrée 101 et 102, auxquelles sont reliés les conducteurs 5C' et 5C", et une prise de sortie 103. Le premier exemple de mode de détection, décrit maintenant, est une détection par transformateurs de courant. A cet effet, la cuve comprend à son intérieur un premier tore magnétique 104, sur lequel est disposé un enroulement secondaire 105. Le primaire est constitué par des conducteurs 106 et 107, reliés respectivement aux prises d'entrée 101 et 102 et traversant le tore 104 en étant agencés pour que les courants y circulent en sens inverse. L'enroulement secondaire 105 est relié par des conducteurs 111 et 112 traversant la colonne isolante 99 à un circuit électronique de mesure représenté schématiquement par le rectangle 120. Les conducteurs 106 et 107 sont réunis à la sortie du tore 104 en un seul conducteur 108 qui pénètre dans un second tore magnétique 109; le conducteur io08 constitue ainsi le primaire d'un transformateur de courant dont le secondaire est constitué d'un bobinage 110 enroulé sur le tore 109 et dont les sorties sont reliées, par des conducteurs 113 et 114 cheminant à travers la colonne isolante 99, au circuit de mesure 120. L'ensemble constitué par le cryostat 1 et le transformateur précité est inséré dans une ligne électrique L à protéger, entre un point A relié à la traversée 3A et un point B relié à la prise 103 du transformateur. La ligne est munie d'un disjoncteur D, de faible pouvoir de coupure, inséré en série dans la ligne. Une varistance V est branchée entre les points A et B précités. Le fonctionnement du limiteur de courant est le suivant: -6 - - en régime normal de fonctionnement de la ligne, le disjoncteur D est fermé et la ligne est parcourue par un courant nominal Io. - - en cas de court-circuit, le courant de la ligne augmente brusquement, ce qui provoque une transition des enroulements 7 et 8, dont la résistance passe brusquement d'une valeur nulle à une valeur importante. L'introduction dans la ligne de cette résistance entraîne une importante diminution de la valeur du courant qui décroît jusqu'à une valeur résiduelle aisément coupée par le disjoncteur D. La varistance V absorbe l'énergie électromagnétique en cas de surtensions dans la ligne. Il est expliqué maintenant comment, en fonctionnement normal, une transition d'une courte portion d'un des enroulements 7 et 8 peut être détectée. - en régime normal, le courant Io de la ligne se répartit également entre les conducteurs 7 et 8 du bobinage supraconducteur. Le tore 104 mesure un courant nul puisque son bobinage primaire est parcouru par deux courants de même intensité mais de sens opposé. - - lorsque survient une transition dans une petite partie de l'un des enroulements 7 et 8, les valeurs des courants qui les traversent respectivement présentent une différence d'intensité et de phase. La différence d'intensité dIo est détectée par le tore 104 dont le bobinage secondaire 105 est alors le siège d'une tension mesurée par le circuit 120. Ce même circuit peut également détecter une différence de phase entre ces courants, en combinant comme il est classique, l'information donnée par le tore 104 (différence vectorielle des courants) et celle donnée par le tore 109 et qui correspond à la somme des deux courants. Le tore 109 mesure le courant permanent Io comme dans les transformateurs d'intensité classiques. On notera qu'on peut prévoir, à l'intérieur de l'enveloppe 99, plusieurs tores tels que 109, pour les fonctions de comptage, protection, etc. -7- Lorsque la différence de courant ou la différence de phase atteint une valeur de seuil prédéterminée, indiquant par là qu'il y a un risque d'endommagement du conducteur supraconducteur, un signal est élaboré pour commander l'ouverture immédiate du disjoncteur D. Il est également possible de détecter une transition en observant les tensions capacitives entre la masse et chacune des traversées isolantes. On se référera à la figure 2; on note que la gaine isolante 6A possède une métallisation intérieure 7A' et que la gaine isolante 6B possède également une métallisation interne 7B'; on voit que la capacité CpA, entre la gaine métallique 7A et la terre, engendre une tension capacitive UA; de même, la capacité CpB entre la gaine métallique 7B et la terre engendre une tension capacitive UB. La surface métallisée interne 7A' forme avec la gaine 7A une capacité haute tension CqA; de même, la surface métallisée interne 7B' forme avec la gaine 7B une capacité CqB. Des capacités additionnelles à CpA et à CpB peuvent être ajoutées pour rendre UA et UB suffisamment basses. Lorsque le dispositif fonctionne normalement, les tensions UA et UB sont égales; lors d'une transition, la différence dU = UA - UB prend une valeur non nulle. A partir d'une certaine valeur de seuil de dU, un signal commandera le fonctionnement du disjoncteur D, comme indiqué plus haut. Cette détection par différence de tensions capacitives sera utilisée conjointement avec une mesure de différence de courant ou de phase. La mesure de la tension capacitive aux bornes de la bobine est très utile dans le cas très improbable d'une transition locale identique sur les deux enroulements 7 et 8. La détection de la différence d'intensité dIo et de la différence de phase par la mesure supplémentaire de la somme Io des courants des deux conducteurs, peut se faire par d'autres méthodes que celle décrite plus haut. -8 - La figure 3 est un schéma montrant une détection au moyen d'un dispositif à fibres optiques utilisant l'effet Faraday. Les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de référence. La mesure de dIo est faite par détection de l'effet Faraday dans une fibre optique monomode 200 enroulée autour des deux conducteurs 106 et 107 disposés tête-bêche.. La fibre est alimentée par une source lumineuse 201, par exemple un laser, suivi d'un polariseur 202. La mesure est faite au moyen d'un détecteur 203 précédé d'un analyseur 204. On pourra se référer pour plus de détail au brevet américain N04298245. La mesure de Io se fait au moyen d'une seconde fibre optique monomode 210 enroulée autour des deux conducteurs 106 et 107 disposés pour que le courant circule dans le même sens, la fibre étant alimentée par une source lumineuse 211 associée à un polariseur 212 et dont le signal de sortie est recueilli par un détecteur 213 précédé d'un analyseur 214. La figure 4 est un schéma montrant une détection au moyen de prismes magnéto-optiques ou rotateurs de Faraday. Les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu lesmêmes numéros de référence. On utilise pour la mesure de dIo un premier prisme 250 alimenté par une fibre optique 251 recevant la lumière d'une source 252; après passage dans le prisme, la lumière est recueillie et acheminée vers un détecteur 253 par une seconde fibre optique 254. Le premier prisme est enfilé sur les conducteurs 106 et 107 disposés tête-bêche. On utilise, pour la mesure de Io, un second prisme 260, enfilé sur les conducteurs 106 et 107 disposés de manière que le courant aille dans le même sens, ledit prisme étant associé à une première fibre optique 261 alimentée par une source lumineuse 262 et à une seconde fibre 263 munie d'un détecteur 264. On se référera -9- utilement, pour plus de détails, au brevet américain N 4298245. La figure 5 est un schéma montrant une détection de dIo et de Io au moyen de bobines de Rogowski 300 et 350, associées respectivement à des circuits électroniques de mesure 301 et 351 disposés au potentiel de la haute tension. L'information est ramenée au moyen de fibres optiques 302 et 352. On pourra se référer pour de plus amples informations, à la demande de brevet européen N 0288998. Le dispositif de l'invention est de construction simple et peu onereuse; il s'applique à tous les niveaux de tension auxquels un élément supraconducteur peut être amené à travailler. Sa sensibilité est très grande et est accrue par la possibilité de choisir le meilleur mode de détection, soit par mesure de différence d'intensités de courant, soit par mesure de différence de phases, soit par mesure de différence de tensions capacitives. -10 - REVENDICATIONS l/ Dispositif pour détecter l'apparition d'une transition de l'état supraconducteur à l'état non supraconducteur d'une portion d'un élément supraconducteur comprenant deux conducteurs supraconducteurs identiques reliés électriquement en parallèle, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour détecter une différence d'intensité ou une différence de phase entre les courants traversant ledit dispositif. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprennent un transformateur de courant comportant un tore magnétique (104) traversé par lesdits conducteurs (107,108) disposés de manière que les sens de courant à la traversée du tore soient opposés, ledit tore comprenant un bobinage secondaire (105) aux bornes duquel est recueilli un signal électrique proportionnel à ladite différence (dIo). 3/ Dispositif selon la revendications 2, caractérisé en ce que les moyens pour détecter une différence de phase comprennent un second tore magnétique (109) traversé par lesdits conducteurs agencés pour que les sens des courants à la traversée dudit second tore soient identiques, ledit second tore comportant un bobinage secondaire (110) aux bornes duquel est recueilli un signal proportionnel à la somme (Io) des courants dans lesdits conducteurs, ledit signal et le signal de différence d'intensité étant adressés à un circuit électronique (120) fournissant ladite différence de phase. - 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprennent une fibre optique (200) alimentée par une source de lumière polarisée (201,202>, enroulée en plusieurs spires autour des conducteurs (106,107) agencés pour que les courants y circulent en sens inverser la -11 - lumière étant recueillie, à la sortie de ladite fibre, sur un analyseur (203). / Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter ladite différence de phase comprennent en outre une seconde fibre optique (210) alimentée par une source polarisée (211,212), enroulée en plusieurs spires autour desdits conducteurs agencés pour que le courant y circule dans le même sens, la lumière étant recueillie, à la sortie de la fibre, sur un analyseur (213), les signaux desdits analyseurs étant adressés à un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 6/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprennent un rotateur de Faraday (250) traversé par lesdits conducteurs (106,107) agencés pour que le courant y circule en sens inverse, ledit rotateur de Faraday étant relié à une première fibre optique (251) alimentée par une source lumineuse (252) et à une seconde fibre optique (254) connectée à un analyseur (253). 7/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour mesurer une différence de phase comprennent en outre un second rotateur de Faraday (260) traversé par lesdits conducteurs agencés pour que le courant y circule dans le même sens, ledit second rotateur étant associé à une première fibre optique (261) alimentée par une source lumineuse (262) et à une seconde fibre optique (264) connectée à un analyseur (263), les signaux desdits analyseurs étant adressés à un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 8/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprennent une bobine de Rogowski (300) traversée par lesdits conducteurs (106,107) agencés pour que le courant y circule en sens inverse, ladite bobine de -12 - Rogowski étant associée à un circuit électronique (301) de traitement du signal. 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence de phase comprennent en outre une seconde bobine de Rogowski (350) associée à un circuit électronique (351) de traitement du signal, lesdits signaux desdits circuits étant traités par un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 10/ Limiteur de courant destiné à être inséré dans une ligne électrique en série avec un disjoncteur (D) à faible pouvoir de coupure; et comprenant un cryostat (1) dans lequel est placé un élément supraconducteur formé de deux enroulements supraconducteurs (7,8) identiques, coaxiaux et enroulés en sens inverse, caractérisé en ce que lesdits enroulements (7,8) sont disposés en parallèle, deux extrémités desdits enroulements étant prolongés par des conducteurs (106,1071 isolés l'un de l'autre et sortant du cryostat, lesdits conducteurs étant agencés pour constituer le primaire d'un transformateur de courant comprenant un tore magnétique (104) à travers lequel ils passent avec des sens de courant inverse, ledit tore comportant un enroulement secondaire (105) aux bornes duquel est recueilli un signal représentatif de la différence entre les valeurs des courants desdits conducteurs. 11/ Limiteur de courant selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend un second tore magnétique (109) traversé par lesdits conducteurs (106,107) agencés pour que les courants y circulent dans le même sens, ledit second tore comprenant un enroulement secondaire (110) aux bornes duquel est recueilli un signal représentatif de la somme (Io) des courants desdits conducteurs, ce signal, ainsi que le signal de différence d'intensité, étant adressés à un circuit électronique - (120) élaborant un signal de différence de phase. -13 - 12/ Limiteur de courant destiné à être inséré dans une ligne électrique en série avec un disjoncteur (D) à faible pouvoir de coupure et comprenant un cryostat (1) dans lequel est placé un élément supraconducteur formé de deux enroulements supraconducteurs (7,8) identiques, coaxiaux et enroulés en sens inverse, caractérisé en ce que lesdits enroulements (7,8) sont disposés en parallèle, deux extrémités desdits enroulements étant prolongés par des conducteurs (106,107) isolés l'un de l'autre et sortant du cryostat, lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprenant une fibre optique (200) alimentée par une source de lumière polarisée (201,202), enroulée en plusieurs spires autour des conducteurs (106,107) agencés pour que les courants y circulent en sens inverse, la lumière étant recueillie, à la sortie de ladite fibre, sur un analyseur (203). 13/ Limiteur de courant selon la revendication 12 caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence de phase comprennent en outre une seconde fibre optique (210) alimentée par une source polarisée (211, 212), enroulée en plusieurs spires autour desdits conducteurs agencés pour que le courant y circule dans le même sens, la lumière étant recueillie, à la sortie de la fibre, sur un analyseur (213), les signaux desdits analyseurs étant adressés à un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 14/ Limiteur de courant destiné à être inséré dans une ligne électrique en série avec un disjoncteur (D) à faible pouvoir de coupure et comprenant un cryostat (1) dans lequel est placé un élément supraconducteur formé de deux enroulements supraconducteurs (7,8) identiques, coaxiaux et enroulés en sens inverse, caractérisé en ce que lesdits enroulements (7,8) sont disposés en parallèle, deux extrémités desdits enroulements étant prolongés par des conducteurs (106,107) isolés l'un de l'autre et sortant du cryostat, lesdits moyens pour détecter une différence -14 - d'intensité comprenant un rotateur de Faraday (250) traversé par lesdits conducteurs (106,107) agencés pour que le courant y circule en sens inverse, ledit rotateur de Faraday étant relié à une première fibre optique (251) alimentée par une source lumineuse (252) et à une seconde fibre optique (254) connectée à un analyseur (253). / Limiteur de courant selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens pour mesurer une différence de phase comprennent en outre un second rotateur de Faraday (260) traversé par lesdits conducteurs agencés pour que le courant y circule dans le même sens, ledit second rotateur étant associé à une première fibre optique (261) alimentée par une source lumineuse (262) et à une seconde fibre optique (264) connectée à un analyseur (263), les signaux desdits analyseurs étant adressés à un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 16/ Limiteur de courant destiné à être inséré dans une ligne électrique en série avec un disjoncteur (D) à faible pouvoir de coupure et comprenant un cryostat (1) dans lequel est placé un élément supraconducteur formé de deux enroulements supraconducteurs (7,8) identiques, coaxiaux et enroulés en sens inverse, caractérisé en ce que lesdits enroulements (7,8) sont disposés en parallèle, deux extrémités desdits enroulements étant prolongés par des conducteurs (106,107) isolés l'un de l'autre et sortant du cryostat, lesdits moyens pour détecter une différence d'intensité comprenant une bobine de Rogowski (300) traversée par lesdits conducteurs (106,107) agencés pour que le courant y circule en sens inverse, ladite bobine de Rogowski étant associée à un circuit électronique (301) de traitement du signal. 17/ Limiteur de courant selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter une différence de phase comprennent en outre une seconde bobine de Rogowski (350) traversée par lesdits conducteurs agencés pour que les courants y circulent dans le même sens et associée à un circuit électronique (351) de traitement du signal, lesdits signaux desdits circuits étant traités par un circuit électronique fournissant ladite différence de phase. 18/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 10 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de mesure des différences de tensions capacitives entre deux point en amont et en aval dudit bobinage supraconducteur (7,8).