Brevet FR2666912A1 — publié le 19920320

-1- Dispositif limiteur de courant à supraconducteur. La présente invention concerne un dispositif limiteur de courant à supraconducteur utilisable notamment dans les installations de transport et de distribution d'énergie électrique 5 de haute ou moyenne tension. Les limiteurs de courant à supraconducteur utilisent le phénomène de transition, c'est-à-dire le passage brutal de l'état supraconducteur à l'état résistif lorsque le courant de défaut dépasse le courant critique dans un fil supraconducteur La10 protection est assurée en un temps très court, inférieur à la milliseconde, en limitant le courant de défaut à une valeur prédéterminée sans nécessiter de système de protection. On connatt un limiteur constitué d'une bobine supraconductrice sans circuit magnétique et à très faible inductance, logée à l'intérieur d'un cryostat rempli d'héluim liquide Le limiteur peut être installé dans les jeux de barres à fort courant de court- circuit ou sur une ligne à grand débit Un disjoncteur de faible pouvoir de coupure, en série avec le limiteur, permet de l'isoler du circuit En régime normal, la chute de tension selfique aux bornes du limiteur est très faible, donc sans influence sur le fonctionnement du circuit électrique Quand un défaut apparaît, le courant monte très vite dans le limiteur jusqu'au courant critique pour lequel la bobine supraconductrice peut présenter une résistance de plusieurs centaines d'ohms Le disjoncteur, placé en série avec la bobine, l'isole alors très rapidement (après environ ms) du circuit Dans ces conditions, la bobine retourne à l'état supraconducteur au bout de quelques secondes. Un conducteur parfait, tel qu'un supraconducteur, ne peut voir de variation de flux magnétique Il expulse donc les lignes de champ magnétique provenant de l'extérieur Ceci est connu sous le nom d'effet Meissner Ainsi on peut concevoir un limiteur de courant comprenant un noyau magnétique recouvert d'un matériau supraconducteur et autour duquel est disposée une bobine en matériau non supraconducteur, l'ensemble étant placé dans un35 cryostat La bobine est branchée en série dans la ligne à protéger. -2- En fonctionnement normal, le supraconducteur expulse les lignes de champ magnétique générées par la bobine et qui ne peuvent donc pas se refermer par le noyau magnétique Ainsi, malgré la présence d'un noyau magnétique, la bobine se comporte pratiquement comme une5 inductance dans l'air Elle présente donc une valeur selfique assez faible. En cas de court-circuit, le courant transitant dans la bobine augmente et par conséquent le champ magnétique engendré à l'intérieur de la bobine augmente également jusqu'à dépasser le10 champ magnétique critique du supraconducteur qui transite et perd sa supraconductivité Les lignes de champ magnétique crées par la bobine peuvent alors pénétrer le noyau magnétique L'inductance de la bobine primaire augmente très rapidement et permet de limiter efficacement le courant de court-circuit Une augmentation de 1015 fois de l'inductance de la bobine est largement suffisante pour être efficace Une fois la transition effectuée, il faudra attendre un temps relativement long (supérieur à plusieurs secondes) pour que le matériau retrouve sa supraconductivité. Les deux limiteurs décrits ci-dessus ne permettent pas d'assurer la séquence de manoeuvres du disjoncteur suivante O t FO dans laquelle: O représente une opération d'ouverture t est égal à 0,3 seconde FO représente une opération de fermeture suivie immédiatement d'une opération d'ouverture. En effet, il faut à ces limiteurs plusieurs secondes avant que le matériau supraconducteur retrouve son état d'avant la transition alors que, paradoxalement, il leur faut moins d'une milliseconde pour limiter le courant de défaut. Les limiteurs de courant à supraconducteur sont cependant très attractifs à cause de leur vitesse de fonctionnement en cas de court-circuit, tout en étant capable de transporter un courant35 nominal élevé sous haute tension. -3 O Leur mise en service est soumise à des problèmes de coût de fabrication, de compacité, d'économie et de facilité d'entretien. La présente invention a été conçue pour pallier à l'inconvénient constitué par la trop longue durée du temps de refermeture du circuit (quelques secondes) et qui est caractéristique des limiteurs de courant à supraconducteur Elle a été conçue également pour que le coût de fabrication soit le moins élevé possible, pour que le dispositif soit compact, économique et d'entretien facile. Le problème posé par le court temps de refermeture a été résolu en utilisant deux unités limitatives de courant à supraconducteur et à circuit magnétique ( pour une meilleure efficacité). En disposant les deux unités limitatives dans une même enveloppe, on réduit les coûts de limitation et on améliore la compacité du dispositif. Le dispositif selon l'invention est également économique parce que le fluide cryogénique servant au refroidissement des éléments surpaconducteurs est placé dans des cryostats qui ne contiennent20 que ces éléments et qui sont donc de faible volume Ces cryostats de faible volume participent également à la réduction de l'encombrement du dispositif. L'entretien du dispositif est facilité par le fait que les fuites de fluide cryogénique sont réduites En effet, les éléments supraconducteurs ne sont en aucun cas reliés électriquement à un circuit électrique extérieur aux cryostats. L'invention a donc pour objet un dispositif limiteur de courant à supraconducteur du type à noyau magnétique autour duquel est d'abord disposé un élément supraconducteur puis une bobine30 électrique en matériau non supraconducteur, le dispositif étant destiné à être inséré dans une ligne à protéger, l'ensemble constitué par le noyau magnétique, l'élément supraconducteur et la bobine électrique formant une unité limitative de courant branchée dans la ligne à protéger en série avec un disjoncteur, le35 dispositif étant caractérisé en ce qu'il possède deux unités -4- limitatives de courant contenues dans une même enveloppe remplie d'un fluide diélectrique de refroidissement, chaque élément supraconducteur étant disposé dans un cryostat isolant rempli d'un fluide cryogénique, chaque noyau magnétique faisant partie d'un 5 circuit magnétique fermé, l'enveloppe possédant des traversées électriques permettant de relier les bobines électriques à la ligne à protéger par l'intermédiaire des disjoncteurs, les unités limitatives étant montées en parallèle. Dans un mode préféré de réalisation, le circuit magnétique est un circuit à trois colonnes, les noyaux magnétiques étant constitués par les colonnes d'extrémité. Dans une variante de réalisation, chaque noyau magnétique fait partie d'un circuit magnétique fermé à deux branches, l'une de ces branches servant pour le retour de flux magnétique, les circuits15 magnétiques des deux unités limitatives de courant étant disposés côte à côte, les branches de retour de flux étant en vis-à-vis et séparées par un entrefer de faible épaisseur. Cet entrefer de faible épaisseur peut être constitué par une feuille de matériau isolant. Avantageusement, chaque bobine électrique peut être disposée dans une enceinte annulaire et isolante dans laquelle circule un fluide diélectrique de refroidissement. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: La figure 1 représente, vu en coupe, un dispositif limiteur de courant à supraconducteur selon l'invention, La figure 2 monte en détail d'une variante de dispositif limiteur de courant selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif limiteur de courant selon l'invention inséré dans ligne L à protéger Il comprend un circuit magnétique 1 à trois colonnes, reposant, grâce à des entretoises non représentées sur le fond d'une enveloppe métallique 13 reliée à35 la terre Les colonnes ou branches d'extrémité 6 A et 6 B forment les -5- noyaux magnétiques autour desquels vont être constitués les limiteurs de courant Les éléments supraconducteurs 3 A et 3 B sont constituées, dans cet exemple de réalisation, par des bobines de matériau supraconducteur se refermant sur elles-mêmes et enroulées 5 respectivement autour des branches 6 A et 6 B La bobine électrique 2 A, en cuivre par exemple, est disposée à l'extérieur de l'élément supraconducteur 3 A et coaxialement à celui-ci Il en est de même pour la bobine électrique 2 B par rapport à l'élément supraconducteur 3 B Les bobines électriques 2 A et 2 B sont10 constituées à partir de fils de section suffisante pour le passage du courant nominal. Les éléments supraconducteurs 3 A et 3 B sont placés dans des cryostats annulaires référencés respectivement 4 A et 4 B Ces cryostats sont à base de matériau isolant et sont remplis d'un15 fluide cryogénique Les conduits isolants li A et 12 A, ll B et 12 B servent au remplissage des cryostats par le fluide cryogénique et à l'évacuation des gaz. L'enveloppe métallique 13 est remplie d'un fluide diélectrique de refroidissement 17 qui peut être de l'huile, de l'hexafluorure de soufre SF ou de l'air comprimé. Trois traversées électriques 14, 15 et 16 sont prévues pour relier les connexions 18, 19 et 20 à la ligne L Les conduites l A et 12 A, ll B et 12 B sortent de l'enveloppe 13 au moyen de traversées non représentées. 25 En fonctionnement normal, c'est par exemple la bobine 2 A qui est insérée dans la ligne L à protéger par l'intermédiaire du disjoncteur 30 A qui est alors en position fermée de même que le disjoncteur de ligne D Le disjoncteur 30 B étant en position ouverte, la bobine 2 B se trouve mise hors circuit.30 Dans ces conditions, la bobine 2 A est traversée par le courant de ligne Les lignes de champ magnétique qu'elle génère sont expulsées de la branche 6 A du circuit magnétique et se referment en grande partie dans le fluide environnant dans l'espace 7 A et très faiblement dans la branche supérieure 8 A, la branche centrale 10 et35 la branche inférieure 9 A du circuit magnétique 1. -6- Il est préférable que la hauteur des éléments supraconducteurs soit supérieure à la hauteur des bobines électriques d'environ 20 % afin d'assurer une bonne répulsion des lignes de champ magnétique hors du circuit magnétique. 5 La bobine électrique 2 A n'étant pas soumise à l'influence d'un noyau magnétique, elle présente une impédance faible pour la ligne L. En cas de défaut sur la ligne, le courant transitant dans la bobine électrique augmente ainsi que le champ magnétique engendré. Arrivé au champ magnétique critique, il y a transition de l'élément supraconducteur 3 A Les lignes de champ magnétique peuvent alors entrer dans la branche 6 A et se refermer par les branches 8 A, 10 et 9 A Il n'y a pratiquement pas de flux magnétique dans la branche 6 B En choisissant une section pour la branche 10 plus grande (environ 2 fois plus) que la section des branches 6 A et 6 B, on obtient dans la branche 10 une très faible réluctance. Après la transition de l'élément supraconducteur 3 A, on ouvre le disjoncteur 30 A et le disjoncteur de ligne D en un temps de 40 millisecondes par exemple, puis on ferme le disjoncteur 30 B et le20 disjoncteur D pour mettre la bobine 2 B en service en attendant le retour à l'état de supraconductivité de l'élément 3 M. Les éléments supraconducteurs peuvent être formés par bobinage de fils supraconducteurs en Nb Ti enroulés de façon serrée autour d'un tube isolant Ils peuvent aussi être formés d'anneaux de25 céramique à haute température critique, du type Y Ba Cu O par exemple, superposés autour d'un tube isolant et formant ainsi un écran supraconducteur contre les lignes de champ magnétique des bobines électriques Dans le premier cas, le fluide cryogénique sera de l'hélium liquide Dans le deuxième cas, ce pourra être de l'azote liquide. A la place d'un circuit magnétique à trois colonnes, on peut utiliser deux circuits magnétiques identiques à deux colonnes ou branches, une colonne servant de noyau magnétique pour un limiteur, une colonne servant pour le retour du flux magnétique Ceci35 revient, dans la figure l, à scinder le circuit magnétique en deux I Y, -7- selon l'axe XX' Par souci de compacité, les deux circuits magnétiques peuvent être disposés côte à côte, les jambes de retour étant en vis-à-vis et séparées par un entrefer de faible épaisseur (environ quelques millimètres) Cet entrefer peut aussi être constitué par une feuille de matériau isolant Ainsi on supprime pratiquement les fuites magnétiques d'un circuit à l'autre. Il peut être avantageux, comme le montre la figure 2, d'enfermer les bobines électriques dans des enceintes annulaires isolantes refroidies par circulation d'un fluide diélectrique de10 refroidissement qui peut être de même nature que celui qui remplit l'enveloppe Le dispositif présente donc autour des noyaux magnétiques une deuxième enceinte annulaire telle que celle référencée 40 A, la circulation du fluide se faisant par les conduites 41 A et 42 A La circulation du fluide de refroidissement15 permet d'évacuer rapidement la chaleur dégagée par la bobine électrique vers l'extérieur et d'éviter de chauffer le fluide 17 de l'enveloppe 13. J 1 -8- REVENDICATIONS 1 Dispositif limiteur de courant à supraconducteur du type à noyau magnétique autour duquel est d'abord disposé un élément supraconducteur puis une bobine électrique en matériau non supraconducteur, le dispositif étant destiné à être inséré dans une ligne à protéger (L), l'ensemble constitué par le noyau magnétique ( 6 A, 6 B), l'élément supraconducteur ( 3 A, 3 B) et la bobine électrique ( 2 A, 2 B) formant une unité limitative de courant branchée dans la ligne à protéger en série avec un disjoncteur, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il possède deux unités limitatives de courant contenues dans une même enveloppe ( 13) remplie d'un fluide diélectrique de refroidissement ( 17), chaque élément supraconducteur étant disposé dans un cryostat isolant ( 4 A, 4 B) rempli d'un fluide cryogénique, chaque noyau magnétique faisant partie d'un circuit magnétique fermé, l'enveloppe possédant des traversées électriques ( 14, 15, 16) permettant de relier les bobines électriques à la ligne à protéger par l'intermédiaire des disjoncteurs ( 30 A, 30 B), les unités limitatives étant montées en parallèle.20 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit magnétique est un circuit à trois colonnes ( 1), lesdits noyaux magnétiques étant constitués par les colonnes d'extrémité ( 6 A, 6 B). 3 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque noyau magnétique fait partie d'un circuit magnétique fermé à deux branches, l'une de ces branches servant pour le retour de flux magnétique, les circuits magnétiques des deux unités limitatives de courant étant disposés c 8 te à c 8 te, les branches de retour de flux étant en vis-à-vis et séparées par un entrefer de faible épaisseur. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'entrefer est constitué par une feuille de matériau isolant. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque bobine électrique ( 2 A) est disposée dans une enceinte annulaire et isolante ( 40 A) dans laquelle circule35 un fluide diélectrique de refroidissement.