Brevet FR2661288A1 — publié le 19911025

LIMITEUR DE COURANT HYBRIDE La présente invention est relative à un limiteur de courant destiné à limiter la valeur d'un courant, par exemple d'un courant de défaut dans une ligne ou une installation électrique à courant alternatif. On a proposé, dans la demande de brevet français N 88 04 603, un limiteur comprenant deux enroulements supraconducteurs en parallèle, chacun d'eux étant traversé par un courant égal. Dans le brevet américain n" 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. En cas de défaut, la transition de l'enroulement supraconducteur provoque le passage de la quasi totalité du courant dans l'enroulement non supraconducteur qui se comporte pratiquement comme une inductance pure et limite ainsi le courant de défaut. Les dispositifs précités ne permettent pas des cycles de refermeture rapide en raison du délai relativement important pour ramener l'enroulement supraconducteur à l'état supraconducteur après une transition. Ce délai est en effet d'autant plus important que le courant transité est élevé. Pour résoudre ce problème et permettre la réalisation de cycles de refermeture rapide, on a proposé, dans la demande de brevet français n" 90 03 398, de réaliser un limiteur comprenant un premier enroulement supraconducteur et un second enroulement non supraconducteur, les deux enroulements étant bobinés en sens inverse et connectés en parallèle, l'enroulement supraconducteur ayant un nombre de spires supérieur à celui de l'enroulement non supraconducteur, l'enroulement supraconducteur étant parcouru par une fraction du courant total, par exemple de l'ordre de 20%. Dans un tel limiteur, un courant de défaut supérieur au courant critique fait transiter l'enroulement supraconducteur dont la valeur ohmique de la résistance augmente brusquement; la quasi totalité du courant passe alors dans l'enroulement non supraconducteur, mais l'inductance propre de cet enroulement limite la valeur du courant. Le courant résiduel est ensuite coupé par un disjoncteur classique. Comme le courant transité est de valeur relativement faible, malgré une tension rétablie plus élevée, le rétablissement de l'état supraconducteur de l'enroulement supraconducteur est suffisamment rapide pour permettre la réalisation de cycles à refermeture rapide. Dans le limiteur décrit ci-dessus, l'enroulement supraconducteur est logé dans un cryostat isolant et est bobiné à l'intérieur du second enroulement, non supraconducteur. Le cryostat isolant, par exemple rempli d'hélium liquide, exige une certaine épaisseur d'isolation, ce qui ne facilite pas la réalisation d'un couplage électromagnétique serré entre les deux enroulements. La chute de tension de tension inductive aux bornes du limiteur en fonctionnement normal risque de dépasser le seuil autorisé, c'est-à-dire environ 5% de la tension phase-terre. Un but de la présente invention est de réaliser un dispositif qui ne présente pas l'inconvénient précité, tout en conservant la propriété de permettre des cycles de refermeture rapide. La présente invention a pour objet un limiteur de courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement (El), en matériau conducteur non supraconducteur, ayant un grand nombre de spires, connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice (B) de faible auto-inductance, placée dans un cryostat, et un deuxième enroulement (E2) en matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre de spires, ledit second enroulement (E2) étant couplé de manière serrée avec ledit premier enroulement (El), de manière à obtenir une inductance globale faible, ledit second enroulement (E2) étant connecté en parallèle sur l'ensemble constitué par ledit premier enroulement et ladite bobine supraconductrice (B). Avantageusement, la bobine supraconductrice comprend deux enroulements supraconducteurs similaires et bobinés en sens inverse. Dans un mode particulier de réalisation, les premier et second enroulements font partie d'un ensemble qui comprend un tube en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents délimitant des gorges larges et peu profondes dans lesquelles sont placées les spires du second enroulement, et des gorges plus étroites et plus profondes dans lesquelles sont placées les spires du premier enroulement, les spires du premier enroulement étant bobinées en sens inverse de celles du second enroulement. Une varistance peut être montée aux bornes du premier enroulement. Avantageusement, un noyau en matériau à bonne perméabilité magnétique est placé à l'intérieur du tube. Dans un mode particulier de réalisation, le noyau magnétique forme un circuit fermé et saturable, avec des premier (El) et second (E2) enroulements bobinés séparément. L'invention est explicitée par la description ci-après en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique d'un limiteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d'un ensemble des deux enroulements non supraconducteurs. Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enceinte comprenant une enveloppe métallique 2 mise à la terre; l'enceinte comprend trois traversées isolantes 4, 5 et 6, et est remplie d'un gaz ou d'un liquide d'isolement et de refroidissement, par exemple air, huile, hexafluorure de soufre, etc.. A l'intérieur de l'enceinte 1 est disposé un premier enroulement El, en cuivre, de section faible et ayant un grand nombre de spires, et un second enroulement E2, en cuivre, de grande section, et ayant un nombre de spires au moins quatre fois plus faible que celui du premier enroulement El. Les enroulements El et E2 sont bobinés en sens inverse et le couplage entre ces deux enroulements est très serré de manière que l'ensemble ait une inductance globale tres faible. On donnera plus loin un exemple de réalisation d'un tel couplage. A côté de l'enceinte 1, est disposé un cryostat 10 constitué d'une enveloppe isolante 11 munie d'une métallisation 12 à la terre et de deux traversées isolantes 13 et 14. A l'intérieur du cryostat est disposée une bobine supraconductrice globalement désignée par B, mais constituée en réalité de deux enroulements supraconducteurs E3 et E4 connectés électriquement en parallèle et bobinés en sens inverse de manière à conférer à la bobine une inductance très faible. L'intérieur du cryostat est remplie d'un fluide cryogénique à une température suffisamment basse pour maintenir la bobine B à l'état supraconducteur. Si la bobine est réalisée en niobium-titane, le fluide cryogénique est de l'hélium liquide. La liaison entre l'enceinte 1 et le cryostat 10 est réalisée pour relier en série l'enroulement El et la bobine B, et connecter l'enroulement E2 en parallèle sur l'ensemble constitué par l'enroulement El et la bobine B. Un disjoncteur classique D est inséré en série avec le limiteur de l'invention. Le fonctionnement est le suivant: - en régime normal, le disjoncteur D est fermé et est traversé par le courant nominal In; une faible fraction de ce courant traverse la branche constituée de l'enroulement El et la bobine supraconductrice B. - si un court-circuit intervient, la valeur du courant dépasse la valeur critique de la bobine B qui transite à l'état non supraconducteur et devient par suite très résistive avec une grande valeur ohmique. La quasi totalité du courant passe alors dans l'autre branche constituée par l'enroulement E2. Le courant de défaut est alors limité par la propre inductance de l'enroulement E2. Cette inductance devra être suffisante pour réduire le courant de défaut à une valeur égale environ à trois ou quatre fois In. Ce courant résiduel est coupé sans difficulté par le disjoncteur D. La figure 2 représente une vue partielle en coupe axiale d'un exemple de réalisation des enroulements El et E2, assurant un couplage très serré entre ces enroulements. L'ensemble comprend un tube 20 en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon 21 ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents 21A délimitant des gorges larges et peu profondes 22 dans lesquelles sont placées les spires de l'enroulement E2, et des gorges plus étroites et plus profondes 23 dans lesquelles sont placées les spires de l'enroulement El. Cette disposition permet un couplage serré des enroulements El et E2, de sorte que l'inductance globale est très faible. Ce couplage peut encore être augmenté en plaçant, à l'intérieur du tube 20, un noyau 24 en matériau à bonne perméabilité magnétique. Avec un noyau 24 fermé et saturable, on peut réduire sensiblement les dimensions des enroulements El et E2, qui sont alors bobinés séparément chacun sur une branche d'un circuit magnétique. Ceci permet d'avoir un coefficient de couplage élevé en régime normal et un coefficient de couplage moins élevé en régime de défaut. Le limiteur de l'invention est performant et économique. Grâce au couplage serré des enroulements El et E2, l'inductance de l'ensemble non supraconducteur est très faible et la chute de tension aux bornes du limiteur reste très inférieure à la valeur maximale imposée. Le cryostat dans lequel est placée la bobine B est conventionnel, de sorte qu'il n'y a pas nécessité de prévoir, comme dans la réalisation précédente sus-mentionnée, un cryostat isolant thermiquement et diélectriquement conçu spécialement, et donc plus onéreux. La disposition du schéma électrique choisi permet de rendre très faible le courant dans le bobinage supraconducteur, de sorte que les pertes lors de la transition sont faibles, le rétablissement de l'état supraconducteur est rapide, autorisant des cycles de refermeture rapide avec l'aide du disjoncteur classique D. Avec une chute inductive en fonctionnement normal égale à 5% de la tension phase-terre, et un courant de court-circuit limité à trois fois le courant nominal, un coefficient de couplage de 0,85 permettra d'obtenir un courant dans l'enroulement El environ 7 fois plus faible que celui dans l'enroulement E2. L'utilisation de varistances à oxydes métalliques tel que l'oxyde de zinc permettra de réduire la surtension aux bornes du limiteur. En particulier, il est avantageux de mettre, aux bornes de l'enroulement El, une varistance V (représentée en pointillés dans la figure 1), pour limiter la tension aux bornes de l'enroulement El par insertion de résistance pendant son fonctionnement. Ceci permet de réduire aussi la tension appliquée à la bobine supraconductrice B tout en limitant le courant de court-circuit sur le réseau sans modifier le coefficient de couplage. L'invention s'applique à la réalisation de limiteurs pour les réseaux ou installations électriques à haute et moyenne tension. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement (El), en matériau conducteur non supraconducteur, ayant un grand nombre de spires, connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice (B) de faible auto-inductance, placée dans un cryostat, et un deuxième enroulement (E2) en matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre de spires, ledit second enroulement (E2) étant couplé de manière serrée avec ledit premier enroulement (El), de manière à obtenir une inductance globale faible, ledit second enroulement (E2) étant connecté en parallèle sur l'ensemble constitué par ledit premier enroulement et ladite bobine supraconductrice (B). 2/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine supraconductrice (B) comprend deux enroulements supraconducteurs (E3, E4) similaires et bobinés en sens inverse. 3/ Limiteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premier (El) et second (E2) enroulements font partie d'un ensemble qui comprend un tube (20) en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon (21) ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents (21A) délimitant des gorges larges et peu profondes (22) dans lesquelles sont placées les spires du second enroulement (E2), et des gorges plus étroites et plus profondes (23) dans lesquelles sont placées les spires du premier enroulement (El), les spires du premier enroulement (El) étant bobinées en sens inverse de celles du second enroulement (E2). 4/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'une varistance (V) est montée aux bornes du premier enroulement (El). 5/ Limiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un noyau (24) en matériau à bonne perméabilité magnétique est placé à l'intérieur du tube (20). 6/ Limiteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le noyau magnétique (24) forme un circuit fermé et saturable avec des premier(El) et second (E2) enroulements bobinés séparément.