Brevet FR2636477A1 — publié le 19900316

Limiteur de courant cryogénique La présente invention concerne un limiteur de courant de type supraconducteur, comprenant, on série avec la ligne à protéger, une bobine supraconductrice disposée dans un cryostat munie de traversées, et un disjoncteur. Le cryostat renferme un fluide cryogénique, par exemple de l'hélium liquide, à une température suffisamment basse. pour maintenir la bobine dans l'état supraconducteur. En cas de surintensité dont la valeur dépasse le courant critique du conducteur supraconducteur, ce dernier transite de l'état supraconducteur à l'état normal, provoquant une brusque élévation de sa résistance, ce qui limite par suite la valeur du courant dans la ligne. Ce courant est alors coupé par la manoeuvre du disjoncteur. En général, la bobine supraconductrice est constituée d'au moins deux enroulements en série. En cas de surintensité, il est fréquent que l'un des enroulements transite à l'état normal avant les autres. Dans ce cas, cet enroulement supporte la totalité du courant et de la tension et par suite, risque la destruction par chauffage excessif et contournement. Un but de la présente inventlon est de réaliser un limiteur de courant cryogénique comprenant des moyens pour répartir la tension sur la totalité de la bobine et provoquer la transition des enroulements autres que celui ayant déjà effectué sa transition. Selon l'invention, on dispose aux bornes de chacun des enroulements de la bobine, une varistance à oxydes métalliques, par exemple du type à oxyde de zinc, cette varistance étant immergée dans le fluide cryogénique Jusqu'à ce jour des varistances ont été utilisées pour limiter les surtensions aux bornes d'une bobine ou d'un appareil, mais jamais une telle varistance n'a été disposée dans le fluide cryogénique. L'invention a ainsi pour objet un limiteur de courant cryogénique du type comprenant en série dans la ligne à protéger et pour chaque phase au moins, une bobine supraconductrice comprenant n éléments sensiblement identiques en série disposée dans un cryostat enfermant un fluide cryogénique, n étant un nombre entier au moins égal à 2, caractérisé en ce qu'une varistance est connectée électriquement en parallèle sur chacun desdits éléments et placée à l'intérieur dudit cryostat, au sein dudit fluide cryogénique. La varistance est choisie pour avoir une résistance de valeur faible pour une tension à ses bornes voisine de la tension transitoire de conduction et une résistance de valeur élevée pour une tension à ses bornes égale à la tension rétablie U/n, la tension U étant égale au produit de la valeur du courant critique de transition d'un élément supraconducteur par la valeur de la résistance de cet élément lorsqu'il a perdu l'état supraconducteur. Chaque varistance est choisie pour que sa tension transitoire de conduction soit comprise entre 1,5 et 1,7 U/n. Chaque varistance est choisie pour que sa résistance, lorsqu'on lui applique la tension transitoire de rétablissement, soit telle qu'elle établisse un courant de valeur voisine de l'intensité critique d'un élément supraconducteur. Avantageusement, les varistances sont à- base d'oxyde de zinc. L'invention est maintenant expliquée en détail, en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1, est un schéma expliquant le principe de l'invention, - la figure 2 est une vue d'un limiteur de courant selon un premier mode de réalisation, - la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, - la figure 4 est une vue d'une bobine munie de varistances selon une variante de réalisation. La figure 1 montre, en représentation schématique, un cryostat 1 rempli d'un fluide cryogénique 2 tel que l'hélium liquide, jusqu'à un niveau 12. Le cryostat est muni de deux traversées isolantes 3 et 4 par lesquelles arrive et repart un conducteur d'une ligne L. Le conducteur est désigné par 5 à l'intérieur du cryostat, par SA en amont du cryostat et par 5B en aval du cryostat. Les flèches indiquent le sens du courant. Un disjoncteur D est connectée en série avec le conducteur 5B. Dans l'exemple choisi dans la figure 1, le bobinage supraconducteur comprend deux enroulements en série El et E2 conformément à l'invention une varistance est connectée en parallèle sur chacun des enroulements E1 et E2. Ces varistances sont désignées respectivement par V1 et V2. Si un défaut survient, soit U la tension totale appliquée au bobinage. Soient R1 et R2 les valeurs ohmiques des résistances des enroulements El et E2, lorsqu'elles sont dans l'état non supraconducteur. Si les enroulements El et E2 sont identiques, les valeurs R1 et R2 sont à peu près égales. Soient Il et I2 les valeurs des intensités critiques qui provoquent la transition de l'état supraconducteur à l'état normal des enroulements Et et E2 (I1 est voisin de 12?. Lors d'un défaut sur la ligne L, le courant de défaut traversant les enroulements El et E2 augmente rapidement. Supposons que ce soit l'enroulement El qui transite le premier, lorsque le courant atteint la valeur Il. La tension Ul aux bornes de l'enroulement El tend vers U. A une valeur donnée Ut1 appelée tension transitoire de rétablissement u et entre 1,5 et 1,7 2 , la varistance Vi "amorce" (c'est-à-dire voit sa résistance diminuer brusquement) et conduit un courant assez élevé lvi (IVl = U' l/Zl ) Z1 étant la valeur ohmique de V1 à la tension U'l. Le courant traversant l'enroulement E2 sera alors à ce moment la somme de lvi et de U'1/Rl. Si cette somme est supérieure à I2, l'enroulement E2 transite à l'état non supraconducteur. Lorsque cette transition intervient, la tension U se répartit sur chaque enroulement et il vient sensiblement Ul = U2 - U/2. Avec ces tensions, les valeurs ohmiques Zl et Z2 des varistances Vl et V2 redeviennent relativement élevées, ce qui limite la valeur du courant qui les traverse, ce qui réduit efficacement l'échauffement du fluide cryogénique par effet Joule. Environ 1 cycle après la transition, les courants rédiduels dans les éléments El, E2, Vl et V2 sont coupés par le disjoncteur de ligne D. L'exemple qui vient d'être décrit concerne un bobinage à deux enroulements en série. Bien entendu, l'invention s'applique à un bobinage comprenant plus de deux enroulements. Grâce aux varistances en parallèle sur chacun des enroulements du bobinage supraconducteur, on peut déclencher la transition totale sur tous les enroulements, à partir de la transition sur l'un d'entre eux, permettant ainsi d'éviter toute surchauffe ou contournement dangereux sur un enroulement. En plaçant, selon une autre caractéristique de l'invention, les varistances à l'intérieur du cryostat, on fait l'économie d'une ou plusieurs traversées isolantes, d'où une économie dans la réalisation du cryostat et une diminution de ses pertes thermiques. Dans le cas où le bobinage comporte n enroulements en série, on aura, pour une tension rétablie totale U, une tension rétablie U/n appliquée à chaque varistance pendant un cycle. On choisit chaque varistance de manière que sa tension transitoire de conduction, au moment de la transition, soit comprise de 1,5 à 1,7 U/n, et que sa résistance, à la tension transitoire de conduction, soit suffisamment faible pour établir un courant sensiblement égal au courant critique de l'élément supraconducteur. On choisit de préférence des varistances à l'oxyde de zinc dont les variations de résistance en fonction de la tension sont, à très basse température, analogues à celles présentées à la température ambiante. La figure 2 est une vue d'un limiteur de courant selon un mode particulier de réalisation. Les éléments communs aux figures 1 et 2, ont reçu les mêmes numéros de référence. Le limiteur comprend un cryostat métallique 1 constitué de deux parois 50 et 51 séparées par un espace 52 maintenu sous vide. Le cryostat est partiellement rempli de fluide 2 à une température permettant au bobinage utilisé de prendre l'état supraconducteur. Dans le cas où le bobinage est réalisé en fil de niobium-titane, le fluide utilisé est de l'hélium liquide. La cuve est surmontée de deux traversées isolantes 3 et 4 à travers lesquelles passe des conducteurs SA et 5B respectivement munis chacun d'une gaine isolante 10A, lOB. A la partie supérieure des traversées, où règne une température proche de l'ambiante, le conducteur 5A, 5B est en cuivre-massif. On ne décrira maintenant que le côté arrivée du courant (c8té gauche de la figure) puisque le côté de départ est identique. Les parties arrivées sont indiquées avec l'index A et les parties départ avec l'index B. Au dessous d'un point P, situé au-dessus de la cuve, le conducteur SA est fendu en deux (ou plusieurs) parties égales sur toute sa longueur, jusqu'# un point Q dans la partie liquide du fluide. La figure 2 montre ainsi le conducteur 5A, qui est un tube, séparé en deux parties 21A et 22A, appelées amenées élémentaires de courant et isolées électriquement l'une de l'autre par des fentes 23A remplies par un isolant solide de même nature ou non de celle de la gaine 1OA. La gaine isolante 1OA, s'étend depuis le haut des traversées jusqu'à sous le niveau R de l'hélium liquide. Pour protéger de la faible tenue diélectrique de l'hélium gazeux il sera avantageux de munir extérieurement la gaine lOA d'une couche conductrice 30A reliée au potentiel de la cuve. L'extrémité de cette couche 30A est reliée électriquement à un anneau de garde 31A, situé dans la partie liquide. L'extrémité de la gaine isolante 10A est située à une distance suffisante sous l'anneau de garde 37A pour assurer la tenue diélectrique dans l'hélium liquide. L'extrémité inférieure Q1 de l'amenée élémentaire 21A est reliée à un bobinage supraconducteur 7, comprenant deux éléments 7' et 7" connectés en série et enroulés autour d'un mandrin 15, maintenu par des suppots isolants 16 et 17 fixés à la cuve. Selon la caracté ristique essentielle de l'invention, deux varistances 61 et 62 sont connectées respectivement en parallèle sur les éléments 7' et 7". De même, l'amenée élémentaire 22A est reliée à son extrémité inférieure Q2, à un bobinage supraconducteur 8 comprenant deux éléments en série 8' et 8", enroulés sur un mandrin 15' coaxial au mandrin 15. Deux varistances 63 et 64 sont connectées respectivement en parallèle sur les éléments 8' et 8". L'hélium circule librement à l'intérieur des manchons. 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 varistances sont de préférence à base d'oxyde de zinc. Pour rendre encore plus faible l'inductance des bobinages 7 et 8, il peut être avantageux comme le montre la figure 4, de transposer les fils supraconducteurs. La figure 4 montre comment sont reliées alors les varistances 61, 62, 63 et 64. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant cryogénique du type comprenant en série dans la ligne à protéger et pour chaque phase, au moins une bobine supraconductrice comprenant n éléments sensiblement identiques on série (El, E2) disposée dans un cryostat (1) enfermant un fluide cryogénique, n étant un nombre entier au moins égal à 2, caractérisé en ce qu'une varistance (V1, V2) est connectée électri- quement en parallèle sur chacun desdits éléments (El, E2) et placée à l'intérieur dudit cryostat, au sein dudit fluide cryogénique. 2/ Limiteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la varistance est choisie pour avoir une résistance de valeur faible pour une tension à ses bornes voisine de la tension transitoire de conduction et une résistance de valeur élevée pour une tension à ses bornes égale à la tension rétablie U/n, la tension U étant égale au produit de la valeur du courant critique de transition d'un élément supraconducteur (El, E2) par la valeur de la résistance de cet élément lorsqu'il a perdu l'état supraconduoteur. 3/ Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque varistance (V1, V2) est choisie pour que sa tension transitoire de conduction soit comprise entre 1,5 et 1,7 U/n. 4/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé on ce que chaque varistance Cvi, V2) est choisie pour que sa résistance, lorqu'on lui applique la tension transitoire de conduction, soit telle qu'elle établisse un courant de valeur voisine de l'intensité critique d'un élément supraconducteur. 5/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les varistances sont à base d'oxyde de zinc.