Brevet FR2663475A2 — publié le 19911220

FR 2663475 A2 19911220 FR 9007427 A 19900614 Limiteur de courant hybride La présente invention concerne un limiteur de courant hybride 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. Le brevet principal décrit déjà un tel limiteur de courant Ce limiteur comprend un premier enroulement en matériau conducteur non supraconducteur ayant un grand nombre de spires et connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice de faible auto- inductance placée dans un cryostat Il comprend encore un deuxième enroulement en matériau conducteur non supraconducteur à faible nombre de spires et couplé de manière serrée avec le premier enroulement de manière à obtenir une inductance globale faible Ce deuxième enroulement est connecté en parallèle sur l'ensemble constitué par le premier enroulement et la bobine supraconductrice. Avantageusement, la bobine supraconductrice comprend deux enroulements supraconducteurs similaires et bobinés en sens inverse. Plus particulièrement, le brevet principal expose un mode de réalisation selon lequel les premier et deuxième enroulements sont bobinés sur un ensemble constitué d'un tube en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne Cette forme en peigne comprend des dents délimitant des gorges larges et peu profondes dans lesquelles sont placées les spires du deuxième 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 deuxième enroulement Ce mode de réalisation assure un couplage très serré de ces enroulements. Une variante de réalisation consiste à monter une varistance aux bornes du premier enroulement afin de limiter les surtensions qui peuvent survenir pendant le fonctionnement du limiteur. Le brevet principal décrit en outre un perfectionnement qui permet encore d'améliorer le couplage entre les premier et deuxième enroulements pour rendre encore plus faible leur inductance globale. Ce perfectionnement consiste à effectuer le bobinage de ces -2- enroulements sur un noyau en matériau à bonne perméabilité magnétique. Le noyau peut donc être placé dans le tube en matériau isolant cité plus haut. Le brevet principal prévoit aussi un autre mode de réalisation dans lequel le noyau magnétique forme un circuit fermé et saturable, les premier et deuxième enroulements étant alors bobinés séparément chacun sur une branche du circuit magnétique On peut alors réduire sensiblement la dimension de ces enroulements Ceci permet aussi d'avoir un coefficient de couplage élevé en régime normal et un coefficient de couplage moins élevé en régime de défaut. Les supraconducteurs sont utilisés dans les limiteurs de courant à cause de leur propriété de transition à l'état normal dès que l'intensité du courant dépasse une certaine valeur limite Lors de cette transition la résistance d'un élément supraconducteur augmente de plusieurs ordres de grandeur et ceci de façon pratiquement instantanée Si un court-circuit se produit sur la ligne, la réponse du limiteur est donc très rapide Cependant, après une transition, plus le courant transité est élevé, plus il faut de temps pour ramener l'élément supraconducteur à l'état supraconducteur Ceci est très gênant si on veut que le limiteur puisse fonctionner selon des cycles ouverture-fermeture-ouverture 0-0,35-F-O Il est donc primordial de chercher à réduire le courant permanent transitant dans les éléments supraconducteurs. Le limiteur de courant décrit dans le brevet principal permet de réduire le courant transitant dans les éléments supraconducteurs grâce à un circuit à deux branches de courant en parallèle, le circuit étant conçu de façon qu'il n'y ait qu'une faible partie du courant principal qui transite dans ces éléments L'utilisation d'un circuit magnétique saturable à deux branches permet avantageusement de réduire la tension existant aux bornes de la bobine supraconductrice. En perfectionnant ce circuit magnétique, on a découvert qu'il est possible de modifier rapidement le coefficient de couplage et donc de réduire très fortement la tension aux bornes de la bobine supraconductrice On réduit alors d'autant l'énergie thermique dissipée dans la partie supraconductrice Ceci permet l'utilisation -3- d'un disjoncteur de temps de coupure trois cycles au lieu d'un cycle. A cet effet, selon la présente addition, il est prévu d'utiliser un circuit magnétique à trois branches, les premier et deuxième enroulements étant bobinés chacun sur une branche séparée, une troisième branche étant interrompue par un entrefer mais pouvant refermer les flux présents dans les deux premières branches grâce à une pièce mobile Ce circuit magnétique à trois branches permet, en association avec une varistance branchée en parallèle sur le premier enroulement, de modifier rapidement le coefficient de couplage et d'obtenir le résultat recherché. A cet effet, selon la présente addition, le circuit magnétique comprend une première et une deuxième branche dont les premières et deuxièmes extrémités sont respectivement communes pour former un circuit fermé, les premier et deuxième enroulements étant bobinés chacun autour d'une branche, le circuit comprenant en outre une branche médiane située entre les premières extrémités et les deuxièmes extrémités, cette branche médiane comportant un entrefer et une pièce magnétique mobile permettant de supprimer cet entrefer, un dispositif de rappel agissant sur la pièce magnétique mobile pour s'opposer à la suppression de l'entrefer. Dans un mode particulier de réalisation, la pièce magnétique mobile constitue un noyau plongeur susceptible de coulisser dans un logement de la branche médiane. Le dispositif de rappel peut comprendre un ressort. Avantageusement, la branche du circuit magnétique sur laquelle est bobiné le premier enroulement a une section plus petite que les sections de la branche sur laquelle est bobiné le deuxième enroulement et de la branche médiane. 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 de la figure annexée qui représente un limiteur de courant hybride selon l'invention. Dans la figure annexée, qui comprend des coupes partielles, les mêmes références que dans le brevet principal représentent les mêmes éléments. -4- Dans un mode de réalisation selon l'addition, les enroulements El et E 2 sont bobinés sur deux branches séparées 31 et 32 d'un circuit magnétique 30 Le circuit magnétique 30 est fermé par des branches latérales 33 et 34 Il comprend également une branche médiane 35 reliant les branches latérales 33 et 34 et comportant un entrefer 36. La branche médiane comporte une pièce magnétique mobile constituée dans le cas présent par le noyau plongeur 37 pouvant coulisser dans le logement 38 usiné, à partir de la branche latérale 34, dans la branche médiane 35 A l'extérieur du circuit magnétique 30, le noyau plongeur 37 se termine par une butée de retenue 39 qui constitue, avec le ressort 40 et la coupelle 41 fixée sur la branche latérale 34, un dispositif de rappel du noyau plongeur en exerçant une action tendant à l'écarter de l'entrefer 36. En fonctionnement normal à courant nominal In, les flux et + 2 ' induits respectivement dans les branches 31 et 32, sont pratiquement égaux et s'opposent Le flux résultant #est donc très faible Il n'y a alors pas, ou quasiment pas, de flux dans la branche médiane 35, donc pas de champ magnétique dans cette branche Le noyau magnétique plongeur 37 reste à l'intérieur du logement 38 Il est maintenu dans cette position par le ressort de rappel 40 Le courant I 1 traversant la bobine supraconductrice B est égal à une faible fraction du courant nominal In. En cas de défaut sur la ligne d'utilisation, les courants I et I 2 (I 2 étant le courant circulant dans l'enroulement E 2) augmentent. Quand le courant I atteint sa valeur critique, les enroulements supraconducteurs E 3 et E 4 transitent Ces derniers deviennent alors très résistifs Le limiteur joue alors son rôle. Le courant I diminue très fortement en un temps extrêmement court Il en va de même pour le flux + l Le courant I 2 est limité à une valeur de l'ordre de 3 In par le self-inductance propre de l'enroulement E 2 conçu en conséquence. Le flux + 2 correspondant à un courant I 2 = 3 In est nettement prédominant devant * Le flux + 2 traverse alors la branche 31 supportant l'enroulement El et peut créer à la fois une tension importante aux bornes de la varistance V et aux bornes des - enroulements E 3 et E 4 La varistance V est choisie pour fonctionner à une tension de valeur relativement faible et pour laisser circuler ainsi un courant assez élevé Le flux C augmente rapidement et s'oppose à d 2 Ces deux flux tendent alors à passer dans la branche médiane 35 créant ainsi un champ magnétique Le noyau plongeur 37 est attiré vers la partie de la branche médiane qui lui fait face et ferme l'entrefer 36 Le flux 4 2 se referme, pour une grande partie, à travers la branche médiane 35 La tension aux bornes de l'enroulement El diminue et sa valeur approche de la tension appliquée à l'enroulement E 2, c'est-à-dire la tension de défaut phase- terre Il en est de même de la tension aux bornes de la bobine B. Pour favoriser le passage du flux c 2 à travers la branche médiane 35, il est avantageux de réaliser un circuit magnétique tel que la section de la branche 31 supportant l'enroulement El soit plus petite que les sections des branches 32 et 35. Avec un tel limiteur, le disjoncteur D peut s'ouvrir environ 60 millisecondes après l'apparition du défaut sur la ligne et couper ainsi le courant de défaut résiduel (égal environ à 3 In) Le ressort ramène alors le noyau plongeur 37 à sa position initiale de repos. -6- REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant hybride selon la revendication 6 du brevet principal, caractérisé en ce que le circuit magnétique ( 30) comprend une première ( 31) et une deuxième ( 32) branche dont les premières et deuxièmes extrémités sont respectivement communes pour former un circuit fermé, les premier (El) et deuxième (E 2) enroulements étant bobinés chacun autour d'une branche de façon que leurs flux s'opposent, le circuit comprenant en outre une branche médiane ( 35) située entre les premières extrémités et les deuxièmes extrémités, cette branche médiane comportant un entrefer ( 36) et une pièce magnétique mobile permettant de supprimer cet entrefer, un dispositif de rappel agissant sur la pièce mobile pour s'opposer à la suppression de l'entrefer. 2/ Limiteur de courant hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce magnétique mobile constitue un noyau plongeur ( 37) susceptible de coulisser dans un logement ( 38) de la branche médiane. 3/ Limiteur de courant hybride selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif de rappel comprend un ressort ( 40). 4/ Limiteur de courant hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la branche ( 31) du circuit magnétique sur laquelle est bobiné le premier enroulement (El) a une section plus petite que les sections de la branche ( 32) sur laquelle est bobiné le deuxième enroulement (E 2) et de la branche médiane ( 35).