Brevet FR2647590A1 — publié le 19901130

Transformateur-limiteur de courant supraconducteur La présente invention concerne un transformateur-limiteur de courant supraconducteur, utilisable notamment dans les installations de transport et de distribution électrique à haute et moyenne tension. Les avantages du transformateur de puissance à bobinages supraconducteurs (très faibles pertes Joule, poids et encombrement réduits) sont bien connus. I1 a été également mentionné qu'un tel transformateur permet de limiter automatiquement l'intensité du courant lors de l'apparition d'un défaut, par la transition à l'état non supraconducteur des enroulements, dont la résistance passe alors brusquement d'une valeur nulle à une valeur importante. On se référera utilement à cet égard à la communication intitulée "PRELIMINARY TESTS ON A SUPERCONDUCTING POWER TRANSFORMER" (A.Février, J.P. Tavergnier, Y. Laumond, M. Bekhaled) faite à l'occasion de la "Tenth International Conference on Magnet Technology (MTIO)" 22-25 septembre 1987. Lorsque le transformateur est utilisé pour alimenter simultanément plusieurs lignes, cette auto-limitation du courant devient un inconvénient puisque, pour une seule ligne en défaut, toutes les autres lignes se voient privées de courant. Un but de la présente invention est de réaliser un transformateur-limiteur de courant qui permette, lorsqu'un défaut survient sur l'une des lignes qu'il alimente, de conserver l'alimentation des autres lignes. L'invention a pour objet un transformateur-limiteur de courant polyphasé comprenant, pour chaque phase, un bobinage primaire supraconducteur destiné à être relié à un générateur électrique et un bobinage secondaire supraconducteur destiné à alimenter une pluralité de lignes munies chacune d'un disjoncteur de ligne, caractérisé en ce que, pour chaque phase, entre un premier point et un second point, situés en amont desdites lignes et en aval du bobinage secondaire est connecté un disjoncteur en série avec un premier enclencheur, ledit second point et un troisième point commun audit disjoncteur et audit premier enclencheur étant reliés par une liaison à faible résistance électrique en série avec un circuit comportant deux branches en parallèle, la première branche étant constituée d'un premier enroulement supraconducteur, la seconde branche étant constituée d'un second enroulement supraconducteur en série avec un second enclencheur. Le courant critique des enroulements supraconducteurs est compris entre 0,6 et 0,8 fois celui du bobinage secondaire du transformateur de courant. Avantageusement, le temps de manoeuvre dudit disjoncteur est inférieur à celui desdits disjoncteurs de ligne. Dans un mode préféré de réalisation, ledits premier et deuxième enclencheurs sont disposés à l'intérieur des traversées haute tension d'un cryostat commun contenant ledit transformateur et lesdits premier et deuxième enroulements supraconducteurs. Dans une variante de réalisation, les bobinages du transformateur d'une part, et lesdits premier et deuxième enroulements supraconducteurs d'autre part, sont disposés dans des cryostats distincts. L'invention est expliquée en détail dans la description donnée ci-après en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma électrique triphasé d'une installation électrique, - la figure 2 est un schéma électrique relatif à une phase du transformateur-limiteur de l'invention, - la figure 3 est un schéma d'une phase du transformateur-limiteur de l'invention dans un mode de réalisation comprenant deux cryostats, - la figure 4 est un schéma d'une phase du transformateur-limiteur de l'invention dans un mode de réalisation comprenant un seul cryostat. Dans la figure 1, la référence 1 désigne un générateur triphasé alimentant les bobinages primaires 2A, 2B, 2C d'un transformateur T; les bobinages primaires sont par exemple connectés en triangle, alors que les bobinages secondaires 3A, 3B, 3C sont reliés en étoile. Le secondaire du transformateur T est relié à un jeu de barres triphasé J d'où partent plusieurs lignes triphasées L1, L2, L3,...Ln. Dans la suite de la description, il ne sera décrit que les éléments relatifs à une seule phase, étant entendu que ces éléments se retrouvent à l'identique pour chacune des autres phases de l'installation. Dans la figure 2, qui est un schéma de principe de l'invention, on a référencé 10 un cryostat enfermant les bobinages supraconducteurs primaire 11 et secondaire 13 d'une phase d'un transformateur supraconducteur possédant un noyau 12. Ces bobinages sont reliés aux bobinages homologues des autres phases selon le schéma de la figure 1. Le secondaire 13 est relié au jeu de barres J. Les références dl, d2, d3, ... dn désignent une phase des disjoncteurs de ligne, les références 11, 12, 13, ..ln désignant une phase homologue des lignes. Entre un premier point A et un second point C situés tous les deux en aval du transformateur 10 et en amont des lignes 11, 12, 13, ...lu, sont insérés, en série, un disjoncteur 21 et un premier enclencheur 17. Entre le second point C et un troisième point B, commun au disjoncteur 21 et au premier enclencheur 17 est disposée une liaison 20, à faible résistance électrique, en série avec un circuit comprenant deux branches en parallèle; la première branche comporte un premier enroulement supraconducteur 14; la seconde branche comprend, en série, un second enroulement supraconducteur 15, et un second enclencheur 16. Les enroulements supraconducteurs sont construits pour avoir une faible inductance. Par ailleurs, les enroulements supraconducteurs 14 et 15 ont par construction un courant critique compris entre 0,6 et 0,8 fois celui du bobinage secondaire 13 d transformateur supraconducteur. Dans un mode particulier de réalisation, les enroulements supraconducteurs 14 et 15 sont dans un cryostat 18 distinct de celui du transformateur supraconducteur. Le disjoncteur 21 a, de préférence, un temps de fonctionnement à l'ouverture très faible et inférieur à celui des disjoncteurs de ligne. On dit alors que le disjoncteur 21 est un disjoncteur rapide. Le fonctionnement du disjoncteur-limiteur de l'invention est le suivant: - en service normal, les enclencheurs 16 et 17 sont ouverts et le disjoncteur 21 est fermé. Les disjoncteurs de ligne dl, d2, d3, ...dn sont supposés fermés. Le courant nominal Io traverse le bobinage 13, la liaison 20, l'enroulement supraconducteur 14 et le disjoncteur 21 pour alimenter les lignes. - en cas d'apparition d'un défaut, par exemple sur la ligne 13, le courant Io augmente très vite et atteint la valeur critique de l'enroulement 14 qui transite immédiatement à l'état non supraconducteur; sa résistance ohmique augmente brusquement, entraînant une limitation immédiate du courant de défaut. Après un instant très court, par exemple 20 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur 21 s'ouvre et coupe le courant résiduel. Peu après, par exemple 30 à 40 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur d3 s'ouvre, isolant la ligne en défaut. Immédiatement après l'ouverture du disjoncteur d3, on ferme le disjoncteur 21 et l'enclencheur 16. Le courant Io réapparait dans le bobinage 13 et traverse la liaison 20, l'enroulement supraconducteur 15, l'enclencheur 16 et le disjoncteur 21 pour alimenter à nouveau le jeu de barres et les lignes saines. On remarque que l'interruption de courant dans les lignes saines n'a duré qu'une quarantaine de millisecondes environ, ce qui est parfaitement acceptable dans une exploitation de réseau de transport et distribution électrique. On peut aussi utiliser la séquence suivante, dans le cas où le disjoncteur 21 n'est pas un disjoncteur rapide. Environ 30 à 40 millisecondes àprès l'apparition du défaut dans la ligne 13, le disjoncteur d3 s'ouvre et coupe le courant résiduel qui subsiste après la transition de l'enroulement 14; on ferme immédiatement après l'enclencheur 16, ce qui permet la réalimentation des lignes saines. Dans le cas du cyclo OFO (ouverture-fermeture-ouverture), de préférence, le disjoncteur 21 ne s'ouvre qu'après la deuxième fermeture. L'avantage de disposer d'un disjoncteur 21 de type rapide est une réduction de l'effet thermique dans l'enroulement supraconducteur 14. Généralement, l'ouverture d'un disjoncteur de ligne tel que d3, sur défaut, est suivi, environ 0,3 seconde après l'apparition du défaut, d'une refermeture, le défaut ayant généralement disparu dans un grand nombre de cas. Si cependant le défaut persiste, l'enroulement supraconducteur 15 transite à l'état normal et l'augmentation brutale de sa résistance ohmique produit une limitation immédiate de la valeur du courant Io. Environ 20 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur 21 s'ouvre et coupe le courant résiduel; 30 à 40 millisecondes après la transition, le disjoncteur d3 s' ouvre à nouveau et isole la ligne 13. Après le fonctionnement de d3, on referme l'enclencheur 17 et le disjoncteur rapide 21; le courant réapparaît dans le bobinage 13, et, traversant l'enclencheur 17 et le disjoncteur 21, réalimente le jeu de barres et les lignes saines. On remarque qu'à ce stade, il n'y a plus de protection rapide des lignes saines; c'est éventuellement le transformateur, par sa transition à l'état non supraconducteur, qui protégera l'ensemble des lignes. Généralement, après les séquences décrites plus haut, il est prévu d'attendre un délai de trois minutes environ et de tenter une nouvelle fermeture du disjoncteur d3 qui aura ainsi effectué un cycle OFO. Ce laps de temps est suffisant pour permettre aux enroulements 14 et 15 pour retrouver l'état supraconducteur. Après ce retour à la supraconductivité des enroulements 14 et 15, on ouvre les enclencheurs 16 et 17. Le courant nominal traverse à nouveau la liaison 20, l'enroulement 14 et le disjoncteur 21. Le système est prêt pour la refermeture du disjoncteur d3 et la réalisation d'un nouveau cycle fermeture-ouverture. S'il n'y a pas de phase de réenclenchement rapide, si par exemple on utilise le cycle normalisé: ouverture, 3 minutes, ouverture, 3 minutes, ouverture, la présence du deuxième enroulement supraconducteur 15 permet d'assurer la protection des lignes saines contre un éventuel deuxième défaut. Le figure 3 est un schéma de réalisation d'un transformateur-limiteur au moyen de deux cryostats. Un premier cryostat 30 renferme le transformateur supraconducteur; le cryostat possède deux traversées 31 et 32 pour la connexion du bobinage primaire 11 et deux traversées 33 et 34 pour la connexion du bobinage secondaire 13. Un second cryostat 40 contient les enroulements supraconducteurs 14 et 15, les enclencheurs 16 et 17 et la liaison à faible résistance 20; il possède à cet effet trois traversées 42 à 44. La figure 4 est une vue schématique d'une réalisation ne comportant qu'un seul cryostat 50 qui contient tous les éléments. Cette disposition permet de réaliser une économie d'une traversée haute tension par phase, ce qui entraîne une réduction des pertes Joule à travers les amenées de courant. Les traversées 51 et 51A, côté basse tension, permettent l'alimentation du bobinage primaire 11; la traversée (é reçoit le conducteur d'amenée du bobinage 13; la traversée 53 reçoit le conducteur de sortie de l'enroulement 14; le noyau de fer 12 du transformateur est isolé du fluide cryogénique par des parois isolantes 61 et 62 coopérant avec des entretoises 63. Le volume enfermant le noyau 12 est relié à l'extérieur du cryostat par un conduit 64 fermé par un bouchon 65, conduit utilisé pour l'évacuation de la chaleur du circuit magnétique et pour effectuer le vide de l'enceinte. Les traversées 53, 54 et 55, côté haute tension, ont une longueur supérieure à celle des traversées côté basse tension. Des écrans thermiques 70 et 71 permettent d'éviter des perturbations thermiques sur le transformateur lors de la transition des enroulements 14 ou 15. On a placé de préférence les enclencheurs 16 et 17 à l'intérieur des traversées 55 et 54 pour minimiser les pertes par conduction thermique entre la partie chaude et la partie froide quand les contacts sont en position "ouvert" en fonctionnement normal; bien entendu, cette disposition n'est pas absolue et on peut envisager de disposer ces enclencheurs à l'extérieur des traversées. Pour réduire la conduction thermique, les amenées de courant peuvent être réalisées au moyen de conducteurs supraconducteurs à haute température critique, en particulier pour les liaisons 20, 22 et 23. L'invention permet d'allier les avantages du transformateur supraconducteur sans en avoir les inconvénients. Elle s'applique aux installations de transport et de distribution électrique à haute et moyenne tension. REVENDICATIONS 1/ Transformateur-limiteur de courant polyphasé comprenant, pour chaque phase, un bobinage primaire supraconducteur destiné à être relié à un générateur électrique et un bobinage secondaire supraconducteur destiné à alimenter une pluralité de lignes munies chacune d'un disjoncteur de ligne, caractérisé en ce que, pour chaque phase, entre un premier point (A) et un second point (C), situés en amont desdites lignes (dl, d2, d3, ..., dn) et en aval du bobinage secondaire (13) est connecté un disjoncteur (21) en série avec un premier enclencheur (17), ledit second point (C) et un troisième point (B) commun audit disjoncteur (21) et audit premier enclencheur (17) étant reliés par une liaison (20) à faible résistance électrique en série avec un circuit comportant deux branches en parallèle, la première branche étant constituée d'un premier enroulement supraconducteur (14), la seconde branche étant constituée d'un second enroulement supraconducteur (15) en série avec un second enclencheur (16) 2/ Transformateur-limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le courant critique des enroulements supraconducteurs (14, 15) est compris entre 0,6 et 0,8 fois celui du bobinage secondaire (13) du transformateur de courant. 3/ Transformateur-limiteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le temps de manoeuvre dudit disjoncteur (21) est inférieur à celui desdits disjoncteurs de ligne (dl, d2, d3, ...,dn). 4/ Transformateur-limiteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledits enclencheurs (16,17) sont disposés à l'intérieur des traversées de tension (55, 54) du cryostat. 5/ Transformateur-limiteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bobinages supraconducteurs primaire (11) et secondaire (13) du transformateur et les enroulements supraconducteurs (14,15) sont disposés dans un cryostat commun (50). 6/ Transformateur-limiteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bobinages supraconducteurs (11,13) du transformateur d'une part, et lesdits premier (14) et deuxième (15) enroulements supraconducteurs d'autre part, sont disposés dans des cryostats distincts (30,40).