Brevet FR2690288A1 — publié le 19931022

LIMITEUR DE COURANT SUPRACONDUCTEUR A HAUTE TENSION La présente invention concerne un limiteur supraconducteur à haute et à très haute tension formé d'un nombre N de paires de bobines en série à très faibles inductances, chacune comportant deux enroulements reliés électriquement en parallèle et bobinés en spires jointives et en sens opposé respectivement sur deux mandrins isolants verticaux, concentriques, disposées côte à côte et à écartement fixe. Dans le brevet 2 643 743, est décrit un dispositif de coupure pour courant continu à haute tension, destiné à être inséré dans une ligne à courant continu dotée d'un disjoncteur classique de faible pouvoir de coupure. Selon ce dispositif, la disposition de la bobine est horizontale et plus exactement, le dispositif comprend un cryostat possédant une première et une seconde traversées comportant chacune deux amenées de courant reliées deux à deux à l'intérieur du cryostat par un premier et un second enroulements supraconducteurs bobinés en sens inverse l'un de l'autre, les sorties des première et seconde traversées constituant des bornes dudit dispositif de coupure, lesdites bornes étant reliées, à l'extérieur dudit cryostat, par un ensemble comprenant en série un condensateur et un interrupteur à fonctionnement rapide, le point commun audit condensateur et audit interrupteur étant mis à la terre par une résistance de grande valeur ohmique, un moyen étant prévu pour limiter la surtension lors de la transition desdits éléments supraconducteurs. Dans le brevet 2 645 278, est montré un limiteur à supraconducteurs à disposition de bobine verticale. I1 y est décrit un dispositif pour détecter l'apparition d'une transition de l'état supraconducteur à l'état non supraconducteur d'une portion d'un élément supraconducteur comprenant deux conducteurs supraconducteurs identiques prolongés par des conducteurs non supraconducteurs et reliéE électriquement en parallèle; le dispositif de détection comprend des moyens pour détecter une différence d'intensité ou une différence de phase entre les courants traversant ledit dispositif. Dans le cas des supraconducteurs métalliques, appelés aussi supraconducteurs à basse température, utilisant de l'hélium liquide à la pression atmosphérique comme fluide cryogénique, la disposition verticale des bobines permet un refroidissement plus homogène le long des supraconducteurs étant donné la formation et le mouvement ascendant des bulles d'hélium en ébullition. La disposition horizontale est par contre plus facilement applicable en utilisant de l'hélium hypercritique, c'est à dire sous pression de quelques bars afin de supprimer la formation des bulles d'hélium. La présente invention se propose de réaliser un limiteur de courant à supraconducteur pour tension élevée, haute ou très haute tension, où une longueur maximale de fil soit logée dans un volume limité, tout en obtenant une self faible et une surface d'échange maximale. Pour ce faire, le rapport de longueur de fil supraconducteur 1n/1n-î entre deux paires de bobines en série est déterminé par un coefficient k sensiblement constant. Chaque paire de bobines est formée de deux enroulements bobinés en sens inverse, de diamètre assez proche et de nombre de spires légèrement différent afin d'égaliser le courant dans les deux enroulements en parallèle. Selon une première variante, de préférence, le coefficient k est compris entre 1,2 et 1,35. Une telle plage de valeurs du coefficient k permet de couvrir une plage de tension du réseau comprise entre 25 kV et 500 kV. Selon une seconde variante, le rapport des diamètres moyens des paires de bobines d,/dn,l est compris entre 1,25 et 1,45. Au lieu de fixer le nombre de spires assez proche pour les différents enroulements, l'on fixe la longueur assez voisine pour tous les éléments et l'écartement entre enroulements sensiblement constant Selon une autre caractéristique, le nombre de paires de bobines en série N est un nombre pair, égal à 2, 4 ou 6 et proportionnel à l'augmentation de la tension nominale. Afin d'obtenir un refroidissement correct, les mandrins isolants sont pourvus de canaux de refroidissement longitudinaux, verticaux régulièrement répartis sur leur face de bobinage. Ainsi, le conducteur enroulé a sa surface externe directement en contact avec le fluide cryogénique dans lequel baigne le limiteur et sa face interne également en contact avec ce liquide grâce aux canaux où passe le liquide cryogénique qui est de préférence de l'hélium liquide. De préférence, chaque mandrin supporte une couche unique de fil supraconducteur. L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins ne représentant qu'un mode de réalisation préféré. La figure 1 représente une vue en coupe verticale d'une phase d'un limiteur haute tension à bobine supraconductrice et à cryostat. La figure 2 représente une vue en coupe verticale de la disposition de plusieurs bobines verticales en série conforme à l'invention. La figure 3 est une vue à plus grande échelle de deux fils supraconducteurs d'une même paire. La figure 4 est une vue en coupe horizontale partielle d'un mandrin et du fil enroulé sur celui-ci. Le limiteur est monté, de préférence suspendu, dans un cryostat métallique ou isolant à surface externe métallisée rempli d'un liquide cryogénique, de préférence de l'hélium liquide. I1 comporte quatre paires de bobines supraconductrices 1, 1', 2, 2', 3, 3', 4 et 4' de hauteur similaire et mises en série. Chaque paire de bobines est formée de deux enroulements reliés électriquement en parallèle et bobinés en sens inverse, de diamètre assez proche et de nombre de spires légèrement différent afin d'égaliser le courant dans les deux enroulements en parallèle. Chaque enroulement est bobiné à spires jointives sur un mandrin isolant 50 muni de canaux 52 longitudinaux verticaux régulièrement répartis (figure 4) permettant un bon refroidissement des fils supraconducteurs qui ont ainsi leur surface externe directement en contact avec le fluide cryogénique dans lequel baigne le limiteur et leur face interne également en contact avec ce liquide grâce aux canaux où passe le liquide cryogénique. L'ensemble de paires de bobines est rendu rigide et solidaire par des disques annulaires isolants 60 à 64 munis de trous 65 pour la circulation du fluide cryogénique. Les extrémités des enroulements supraconducteurs 70 à 73 sont reliées entre elles par une connexion spéciale 74 à très faible perte ohmique. Le limiteur est suspendu aux amenées de courant 10,11 par l'intermédiaire des isolateurs 20 à 23. Les isolateurs 20,22 sont creux pour le passage des conducteurs 12,13. Les extrémités supraconductrices de sortie 24,25 et 26 à 29 sont reliées aux prises 32,33 par les tresses conductrices 30,31. Compte tenu de la différence des diamètres des mandrins, la longueur 1n de chaque enroulement est différent. Selon l'invention, le rapport ln/ln~1=k est sensiblement constant pour une tension nominale donnée et de préférence il est compris entre 1,2 et 1,35 pour couvrir une large gamme de tension de 25 kV à 500kV environ. Pour ce faire, il en est de même des rapports des diamètres moyens des paires de bobines dn/dn~1 qui sont compris dans une fourchette de 1,2 à 1,35. Les valeurs de k permettent de garantir la tenue diélectrique sur les écarts a1, a2 et a3 au moment de la transition du supraconducteur, c'est à dire du passage de l'état supraconducteur à l'état normal résistif. Ces écarts sont déterminés pour tenir l'opposition de phases pendant environ 20 ms jusqu'à l'ouverture du disjoncteur rapide en série avec la bobine supraconductrice. Etant donné que (14+13) est supérieure à (13+12), a1 est inférieur à a2 et a2 à a3. Au moment de la transition en opposition de phase, on a la tension maximale U entre les prises 32 et 33. Soit d1 le diamètre moyen de la paire de bobines 1 et 1', d4 le diamètre moyen de la paire de bobines 4 et 4', N le nombre pair de bobines, compris entre 2 et 6 l'on a d4 = d1 * k N-l = dl * k 3 si N=4. L'espace libre e entre le mandrin d'une bobine et le fil 50' de la bobine adjacente d'une même paire (figure 3) est de préférence d'environ 1 à 2 mm et est utilisé pour le refroidissement des conducteurs sur leur face interne. Les fils supraconducteurs 50' sont gainés faiblement pour un meilleur refroidissement. Par ailleurs, les enroulements et les spires sont rendus immobiles par rapport à leur mandrin par imprégnation à l'aide de résine époxydique. A titre indicatif, on peut adopter par exemple les valeurs suivantes pour un limiteur supraconducteur dans l'hélium liquide à la pression atmosphérique: - pour Un=100kV, N=2, d1=692mm, k=1,3, d2=900mm - pour Un=420kV, N=4, d1=1000mm, k=1,25, d4=1955mm - pour Un=550kV, N=6, d1=800mm, k=1,25, d6=2440mm. Selon une variante de réalisation, au lieu de fixer le nombre de spires assez proche pour les différents enroulements, l'on peut fixer la longueur assez voisine pour tous les éléments, soit 11#12#...#1, (&num; signifiant approximativement égal) et l'écartement entre enroulements sensiblement constant soit d2-d1&num;d3-d2&num;d4-d3&num;...&num;dn-dn-1. Dans ces conditions, on a dn = dl ((N-l)(k'-l)+l) avec dn/dnî=k' compris entre 1,25 et 1,45 N=2,4 ou 6 selon la tension. Les enroulements externes peuvent être bobinés soit à spires jointives, soit à spires écartées étant donné leur nombre de spires plus faibles par rapport à ceux des enroulements internes. Pour des courants nominaux élevés, on peut doubler le nombre de spires en parallèle pour chaque enroulement en doublant la hauteur de la bobine; on peut également doubler le nombre de mandrins en parallèle en gardant une hauteur identique. REVENDICATIONS 1) Limiteur supraconducteur à haute et à très haute tension formé d'un nombre N de paires de bobines en série à très faibles inductances, chacune comportant deux enroulements (1,1')(2,2')(3,3')(4,4') reliés électriquement en parallèle et bobinés en spires jointives et en sens opposé respectivement sur deux mandrins (50) isolants verticaux, concentriques, disposées côte à côte et à écartement fixe, limiteur caractérisé en ce que le rapport de longueur de fil supraconducteur 1n/1n-î entre deux paires de bobines en série est déterminé par un coefficient k sensiblement constant. 2) Limiteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le coefficient k est compris entre 1,2 et 1,35. 3) Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport des diamètres moyens des paires de bobines dn/dn~1 est compris entre 1,25 et 1,45. 4) Limiteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le nombre de paires de bobines N est un nombre pair, égal à 2, 4 ou 6 et proportionnel à l'augmentation de la tension nominale. 5) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mandrins (50) isolants sont pourvus de canaux (52) de refroidissement longitudinaux, verticaux régulièrement répartis sur leur face de bobinage. 6) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque mandrin (50) supporte une couche unique de fil supraconducteur.