Brevet FR2659805A1 — publié le 19910920

LIMITEUR DE COURANT A BOBINE SUPRACONDUCTRICE La présente invention est relative à un limiteur de courant supraconducteur utilisant la transition d'un élément supraconducteur pour limiter la valeur d'un courant, par exemple d' un courant de défaut dans une ligne ou une installation électrique à courant alternatif. Dans la demande de brevet français N 88 04 603, l'élément supraconducteur est une bobine constituée de deux enroulements similaires supraconducteurs en parallèle, traversés chacun par un courant égal. Dans le brevet américain N0 3 703 664, on a proposé d'utiliser une bobine hybride ayant un enroulement non supraconducteur et un enroulement supraconducteur. L'enroulement non supraconducteur a une résistance très faible par rapport à sa réactance. Le courant est réparti à égalité entre les deux enroulements qui ont à peu près le même nombre de spires. La transition de l'enroulement supraconducteur rend l'autre enroulement entièrement selfique: on limite ainsi le courant de défaut par la réactance de l'enroulement non supraconducteur. On sait qu'après une transition, plus le courant transité est élevé, plus il faut de temps pour ramener la bobine supraconductrice à l'état supraconducteur. Les dispositifs précités ne permettent donc pas des cycles de refermeture rapide, à moins d'utiliser une seconde bobine, comme il a été décrit dans la demande de brevet français N0 89 06 914. Un but de la présente invention est de réaliser un limiteur de courant simple et permettant de réaliser des cycles de refermeture rapide grâce à un temps très court de rétablissement de l'état supraconducteur, de l'ordre de quelques cycles à 50 Hz. L'invention a pour objet un limiteur de courant comprenant une bobine ayant un premier enroulement en matériau supraconducteur et un second enroulement, les deux enroulements, bobinés en sens inverse, étant connectés en parallèle, caractérisé en ce que l'enroulement supraconducteur a un nombre de spires supérieur au moins de quatre fois à celui du second enroulement, ledit enroulement supraconducteur étant traversé par une fraction du courant total. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le second enroulement est réalisé en cuivre ou aluminium à haut degré de pureté, ladite fraction de courant traversant l'enroulement supraconducteur étant inférieure à 20%. Dans un second mode de réalisation de l'invention, le second enroulement est réalisé en un matériau supraconducteur ayant une valeur de courant de transition très supérieure à celle du premier enroulement, ladite fraction de courant traversant le premier enroulement supraconducteur étant inférieure à 10%. Avantageusement, les premier et second enroulements sont bobinés respectivement sur un premier et un second mandrin cylindriques thermiquement et électriquement isolants, lesdits mandrins étant coaxiaux. De préférence, ledit premier enroulement est placé autour du mandrin intérieur. Dans un mode particulier de réalisation, ledit premier mandrin définit, avec un tube isolant, un volume fermé dans lequel circule un premier fluide maintenu à une température susceptible de rendre ledit premier enroulement supraconducteur. Dans un mode particulier de réalisation, lesdits enroulements et leurs mandrins sont placés dans un cryostat contenant un second fluide de refroidissement. En variante, lesdits enroulements et leurs mandrins sont placés dans une enceinte métallique remplie d'un gaz isolant, tel que l'air ou l'hexafluorure de soufre à la température ambiante. Lorsque le second enroulement est supraconducteur, on utilise un cryostat contenant un fluide maintenu à une température susceptible de rendre le second enroulement supraconducteur. Les enroulements sont disposés verticalement ou horizontalement. Les deux fluides de refroidissement peuvent être identiques. L'invention est précisée par la description de deux exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique partiellement en coupe d'un limiteur à bobine disposée verticalement, - la figure 2 est une vue schématique partiellement en coupe d'un limiteur à bobine disposée horizontalement. Le limiteur représenté dans la figure 1 comprend un cryostat 1 ayant une paroi 2, en matériau isolant, revêtue extérieurement d'une couche métallique 3 reliée à la masse. Le cryostat comprend une première traversée 10 en matériau isolant à travers laquelle passe un conducteur 11 prolongé, à l'intérieur de la traversée, par un conducteur 12 placé dans un tube isolant 13. A l'intérieur du cryostat, on trouve deux manchons thermiquement et électriquement isolants 14 et 15. La référence 9 désigne un support isolant des manchons. Autour du manchon intérieur 14 est bobiné un premier enroulement supraconducteur 17, par exemple en niobium-titane. Le manchon 14 est isolé thermiquemnt grâce à deux tubes isolants 41 et 42 qui lui sont coaxiaux et l'entourent. Le tube 41 et le manchon 15 définissent un volume 43 de section annulaire dans lequel on maintient le vide; de même, le tube 42 et le manchon 14 définissent un volume 44 de section annulaire dans lequel on maintient le vide. Le volume 16, compris entre le manchon 14 et le tube 41, et dans lequel se trouve l'enroulement supraconducteur 17, est rempli d'un fluide de refroidissement maintenant ledit enroulement à l'état supraconducteur. Dans le cas où l'enroulement est en niobium-titane, le fluide de refroidissement du volume 16 est de l'hélium liquide, circulant dans des canalisations en matériau isolant 18 et 19. Autour du manchon extérieur 15 est bobiné un second enroulement 20, réalisé en un matériau bon conducteur de l'électricité, mais ne présentant pas de propriétés de supraconductivité. Il peut s'agir par exemple d'aluminium ou de cuivre de haute pureté connu sous les normes CuOFHC ou CuC2. Le nombre de spires de l'enroulement 20 est plus faible que celui de l'enroulement supraconducteur 17. En revanche, la diamètre du fil de l'enroulement 20 est plus important que celui du conducteur supraconducteur. De la sorte, l'enroulement 20 a une faible résistance et une auto-inductance suffisante. L'enroulement 17, avec une amenée de courant non représentée, et l'enroulement 20, sont reliés par une première extrémité au conducteur 12 en un point P extérieur au volume 16. La seconde extrémité de l'enroulement 17 est relié, par une amenée de courant non représentée, en un point M, à un conducteur 21 qui quitte le cryostat en suivant d'abord un chemin voisin de l'axe commun des mandrins et pénètre ensuite à l'intérieur d'un tube isolant 22 traversant le sommet du cryostat et placé dans une traversée 23 en matériau isolant. La seconde extrémité de l'enroulement 20 est reliée à un conducteur 24 qui suit le même chemin que le conducteur 21. Les bobinages des enroulements 17 et 20 sont effectués en sens inverse, de manière que la réactance de l'ensemble soit faible. Le cryostat est rempli d'un second fluide de refroidissement 4 dans lequel baigne l'enroulement non supraconducteur et qui peut être par exemple de l'azote liquide. Selon une caractéristique fondamentale de l'invention, le nombre respectif des spires des enroulements 17 et 20 est choisi pour qu'en régime de fonctionnement nominal, l'enroulement supraconducteur 17 ne véhicule qu'une fraction du courant nominal In, par exemple une fraction inférieure à 20%. En régime normal, la résistance ohmique de l'enroulement supraconducteur est nulle et la résistance ohmique de l'enroulement non supraconducteur est très faible si le diamètre du fil est important et ceci d'autant plus que cet enroulement est refroidi à une température très basse, naturellement ou éventuellement par une circulation forcée de fluide cryogénique. La répartition du courant dans les deux enroulements se fait donc de manière inversement proportionnelle à la valeur de leurs inductances respectives.Comme les diamètres des enroulements 17 et 20 sont assez voisins, c'est bien le choix du nombre respectif des spires des enroulements qui va permettre de vérifier la condition requise. Le nombre de spires de l'enroulement supraconducteur sera au moins quatre fois supérieur à celui de l'enroulement non supraconducteur pour qu'en régime normal, le courant traversant l'enroulement non supraconducteur soit au moins égal à quatre fois celui traversant l'enroulement supraconducteur. A la sortie de la traversée 23, les conducteurs 21 et 24 sont réunis en un point Q. Le limiteur qui vient d'être décrit est destiné à être inséré dans une phase d'une ligne L, en série avec un disjoncteur D destiné à couper le courant résiduel. Avantageusement, on dispose en parallèle sur l'appareil, entre un point A à la sortie de la traversée 10 et le point Q, une varistance V, de préférence à base d'oxydes de zinc, et destinée à réduire les surtensions aux bornes de l'appareil. En variante, on peut utiliser une résistance de valeur convenablement choisie. Le fonctionnement du limiteur est le suivant: - en régime normal, le courant se répartit entre l'enroulement supraconducteur, par exemple 20 %, et l'enroulement non supraconducteur, alors 80%. - en cas de défaut, détecté par exemple par des capteurs de courant T1 et T2 placés sur les conducteurs 21 et 24 à l'extérieur du cryostat, la valeur du courant dans l'enroulement supraconducteur 17 dépasse la valeur critique et l'enroulement transite à l'état non supraconducteur. La résistance de cet enroulement augmente brusquement, provoquant la commutation de la quasi totalité du courant dans l'enroulement non supraconducteur 20. Mais ce dernier possède une inductance propre suffisante pour introduire une forte impédance dans le circuit et limite ainsi l'intensité du courant. Le disjoncteur classique D coupe le courant résiduel en un temps de 60 millisecondes. Grâce à l'invention, un disjoncteur D à très court temps de réponse n'est pas nécessaire, ce qui simplifie la réalisation du dispositif limiteur et en réduit le coût. On notera qu'en variante, le second fluide de refroidissement peut être identique au premier fluide de refroidissement. Grâce aux dispositions de l'invention, l'enroulement supraconducteur, qui n'a été parcouru que par une intensité réduite et qui présente ~ une résistance très élevée après la transition, peut reprendre ainsi rapidement son état supraconducteur, de sorte que l'appareil peut être utilisé pour effectuer des cycles Ouverture, 0,3 seconde, Fermeture, Ouverture, ce que ne peuvent faire les limiteurs décrits dans l'art antérieur. Dans le cas où le second fluide de refroidissement est de l'azote liquide ou de l'hélium liquide, la résistivité de l'enroulement non supraconducteur est diminuée d'un facteur important (par exemple divisée par 10 ou plus). Il en résulte une diminution des pertes Joule du limiteur; mais cette réduction est obtenue moyennant une consommation de fluide cryogénique nécessitant une énergie qui peut être comparable au gain obtenu. C'est pourquoi, dans certaines circonstances, le cryostat peut être remplacé par une enceinte métallique remplie d'un gaz isolant, par exemple de l'air sec sous pression ou de l'hexafluorure de soufre à la température ambiante. Dans la figure 2, on a représenté une variante de réalisation de l'invention dans laquelle les enroulements sont disposés horizontalement. Les éléments communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes numéros de référence. Les mandrins 14 et 15 sont supportés par des cônes isolants 31 et 32, munis d'ouvertures telle que 33 pour permettre la circulation du fluide de refroidissement 4. Comme précédemment, les enroulements 17 et 20 sont réunis par une première extrémité au conducteur 12 qui sort du cryostat par la traversée 10; mais, cette fois, les secondes extrémités des enroulements 17 et 20 sont réunies à l'intérieur du cryostat, en un point Q', à un conducteur 34 qui sort du cryostat par la seconde traversée 23 et rejoint la ligne L en Q". On peut noter que si l'on dispose d'un matériau supraconducteur ayant une valeur élevée du courant de transition (courant critique élevé) en courant alternatif, on peut remplacer l'enroulement non supraconducteur décrit précédemment par un enroulement en matériau supraconducteur qui ne transitera pas lorsque l'enroulement supraconducteur précédent transitera. On pourra alors choisir le nombre des spires des enroulements pour que la fraction de courant dans l'enroulement supraconducteur destiné à transiter soit inférieure à 10 % du courant total, ce qui permettra de réduire encore son temps de recouvrement de l'état supraconducteur. Ainsi, pour que l'enroulement supraconducteur à haute valeur du courant critique soit parcouru par au moins 90% du courant en régime normal, on choisira le nombre de spires de l'enroulement supraconducteur à faible courant critique au moins égal à neuf fois celui de l'autre enroulement. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant comprenant une bobine ayant un premier enroulement en matériau supraconducteur et un second enroulement, les deux enroulements bobinés en sens inverse étant connectés en parallèle, caractérisé en ce que l'enroulement supraconducteur (17) a un nombre de spires supérieur au moins de quatre fois à celui du second enroulement, ledit enroulement supraconducteur étant traversé par une fraction du courant total. 2/ Limiteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second enroulement (20) est réalisé en cuivre ou aluminium à haut degré de pureté, ladite fraction de courant parcourant l'élément supraconducteur étant inférieure à 20%. 3/ Limiteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second enroulement (20) est réalisé en un matériau supraconducteur ayant une valeur de courant de transition très supérieure à celle du premier enroulement (17), ladite fraction de courant traversant le premier enroulement supraconducteur (17) étant inférieure à 10%. 4/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les premier (17) et second (20) enroulements sont bobinés respectivement sur un premier (14) et un second (15) mandrins cylindriques thermiquement et électriquement isolants, lesdits mandrins étant coaxiaux. 5/ Limiteur de courant selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit premier enroulement (17) est placé autour du mandrin intérieur (14). 6/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que ledit premier mandrin (14) définit, avec un tube isolant (41), un volume fermé (16) dans lequel circule un premier fluide maintenu à une température susceptible de rendre ledit premier enroulement (17) supraconducteur. 7/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits enroulements (17, 20) et leurs mandrins (14, 15) sont placés dans un cryostat (1) contenant un second fluide (4) de refroidissement. 8/ Limiteur selon l'une des revendications 1, 2 et 4 à 7, caractérisé en ce les enroulements (17, 20) et leurs mandrins (14, 15) sont placés dans une enceinte métallique remplie de gaz isolant, tel que l'air ou 1'hexafluorure de soufre à la température ambiante. 9/ Limiteur de courant selon les revendications 2 à 7, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont placés dans un cryostat (1) contenant un fluide maintenu à une température susceptible de rendre le second enroulement (20) supraconducteur. 10/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les enroulements (17, 20) sont disposés verticalement. 11/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les enroulements (17, 20) sont disposés horizontalement. 12/ Limiteur selon l'une des revendications 6, 7 et 9 à 11, caractérisé en ce que les deux fluides de refroidissement sont identiques.