Brevet FR2691591A1 — publié le 19931126

Limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension. L'invention concerne un limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension. Un tel limiteur comprend une bobine hybride ayant un enroulement non supraconducteur et un enroulement supraconducteur. I1 utilise le phénomène de transition de l'état supraconducteur vers l'état résistif de l'enroulement supraconducteur pour limiter la valeur d'un courant, par exémple la valeur d'un courant de défaut dans une ligne ou une installation électrique à courant alternatif. Le document FR-A-2 659 805 divulgue un limiteur de courant placé en série dans la ligne à protéger et comprenant une bobine ayant un premier enroulement en matériau non supraconducteur et un second enroulement en matériau supraconducteur, les deux enroulements étant bobinés en sens inverse et étant connectés en parallèle. Il présente l'inconvénient de nécessiter des amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur qui est maintenu à température cryogénique dans un cryostat. Ces amenées de courant sont coûteuses, délicates et occasionnent des pertes frigoriques. On connaît aussi , par le document FR-A 2 666 912, un dispositif limiteur de courant à supraconducteur comprenant, en série dans la ligne à protéger, un premier enroulement en matériau non supraconducteur. Ce premier enroulement est bobiné autour d'un second enroulement en matériau supraconducteur, en court-circuit sur lui-même et placé dans un cryostat. Ces deux enroulements sont bobinés en sens inverse et autour d'un noyau magnétique Ce limiteur a l'avantage de ne pas utiliser d'amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur. Le noyau magnétique permet de créer une self de limitation de courant élevée lorsque, suite à un courant de défaut, l'enroulement supraconducteur a transité. L'inconvénient de ce dispositif réside dans l'utilisation d'un circuit magnétique qui est un élément encombrant et cher. Le but de la présente invention est de réaliser un limiteur de courant hybride ne possédant pas les inconvénients de ces limiteurs selon l'art cornu, c'est-à-dire ne nécessitant pas d'amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur, ni de circuit magnétique mais de performances comparables. Ceci peut être obtenu par une disposition particulière des éléments du limiteur de courant, l'enroulement supraconducteur étant en court-circuit et l'enroulement non supraconducteur étant formé de deux bobines mises en série, l'une étant placée autour de l'autre et l'enroulement supraconducteur étant disposé dans l'espace séparant les deux bobines de l'enroulement non supraconducteur. L'invention a donc pour objet un limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension, comprenant un enroulement primaire en matériau non supraconducteur destiné à être disposé en série dans une ligne haute tension et un enroulement secondaire en matériau supraconducteur en court-circuit sur lui-même et placé dans un cryostat rempli d'un fluide cryogénique, caractérisé en ce que l'enroulement primaire est formé de deux bobines branchées en série, disposées coaxialement l'une dans l'autre et bobinées dans le même sens, l'enroulement secondaire étant disposé dans l'espace séparant les deux bobines de 1' enroulement primaire. L'enroulement primaire et l'enroulement secondaire peuvent être réalisés en une ou plusieurs couches L'axe des enroulements primaire et secondaire étant vertical, le court-circuit de l'enroulement secondaire est de préférence situé en partie haute de l'enroulement. Ceci permet de le brancher facilement à un potentiel de référence tel que la masse. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels - la figure 1 est une vue en coupe d'un limiteur de courant hybride supraconducteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue de détail d'une partie du limiteur de courant représenté à la figure 1 - la figure 3 est une vue de détail de la figure 2, - la figure 4 est une vue de-dessus partielle de la figure 3, - la figure 5 est une représentation d'un montage de plusieurs limiteurs de courant selon l'invention en série et en parallèle. Le limiteur de courant représenté à la figure 1 est disposé dans une enveloppe métallique 1 fermée par un couvercle 2 et remplie d'un fluide diélectrique de refroidissement 3 qui peut être de l'huile, de l'hexafluorure de soufre ou de l'air comprimé. Le couvercle 2 supporte deux traversées électriques 4 et 5 permettant de relier les connexions électriques 6 et 7, situées à l'intérieur de l'enveloppe 1, à la ligne à protéger L. L'enroulement primaire est branché entre les connexions électriques 6 et 7. Il comprend deux bobines 11 et 12 montées en série, disposées coaxialement l'une dans l'autre et bobinées dans le même sens. La bobine 11 est bobinée à l'extérieur du cryostat 10 et la bobine 12 est bobinée à l'intérieur de ce cryostat, le conducteur 8 reliant les deux bobines 11 et 12. L'enroulement primaire est en matériau non supraconducteur, par exemple en cuivre. Le cryostat 10 est constitué de deux cylindres 30 et 40 de diamètres différents et disposés coaxialement. Les deux cylindres sont réunis par leur fond. Un couvercle 9, en forme de couronne, ferme le haut du cryostat. Le cryostat 10 constitue un support isolant pour les bobines 11 et 12. I1 est maintenu dans l'enveloppe 1 par des supports non représentés. L'enroulement secondaire 13, en matériau supraconducteur, est constitué, dans l'exemple décrit ici,de deux couches bobinées sur des mandrins isolants 15 et 16 maintenus dans le cryostat 10 par des supports non représentés. Les extrémités de l'enroulement secondaire 13 sont réunis par un point de court-circuit 14 qui peut être une soudure à l'argent. L'enroulement secondaire 13 étant à un potentiel flottant, on relie de préférence sa partie haute, par exemple le court-circuit 14, à la masse à l'aide d'une tresse conductrice. Si le couvercle 9 est réalisé en matériau conducteur, par exemple en acier inoxydable, une tresse conductrice 17 peut relier le point de court-circuit 14 au couvercle 9. Une autre tresse conductrice, non représentée, reliera alors le couvercle 9 à la masse. Le cryostat 10 est rempli d'un fluide cryogénique 20, par exemple de l'hélium liquide. Une circulation d'hélium est entretenue grâce à la canalisation 18 d'évacuation d'hélium gazeux et à la canalisation 19 d'introduction d'hélium liquide. Le dispositif représenté à la figure 1 comprend encore des conduits 21 et 22 pénétrant jusque dans le cryostat 10 pour faire le vide localement comme il sera expliqué plus loin. La figure 2 donne une description plus précise de la constitution du cryostat 10. On reconnaît l'enroulement primaire formé des bobines 11 et 12, l'enroulement secondaire 13 bobiné sur les mandrins isolants 15 et 16 et le fluide cryogénique 20. Comme il a été dit plus haut, le cryostat est constitué à partir de deux cylindres coaxiaux 30 et 40. Le cyclindre 30 comprend une paroi extérieure 31 isolante électriquement et thermiquement supportant sur sa face interne une couche 32 de superisolant. La couche 32 peut être collée sur la paroi 31. Le cylindre 30 comprend encore deux couches isolantes 33 et 34 espacées l'une de l'autre par un espace vide 35. La couche 33 est solidaire de la couche 32 et la couche 34 est rattachée au couvercle 9. L'espace annulaire séparant les couches 33 et 34 est relié au conduit 21 (voir la figure 1) pour y faire le vide. Le cylindre 40 comprend une paroi intérieure 41 isolante électriquement et thermiquement supportant sur sa face externe une couche 42 de superisolant . La couche 42 peut être collée sur la paroi 41. Le cyclindre 40 comprend encore deux couches isolantes 43 et 44 espacées l'une de l'autre par un espace vide 45. La couche 43 est solidaire de la couche 42 et la couche 44 est rattachée au couvercle 9. L'espace annulaire séparant les couches 43 et 44 est relié au conduit 22 (voir la figure 1) pour y faire le vide. Les couches de superisolant sont aluminisées et démétallisées partiellement pour empêcher la circulation de courants induits intenses. En plus de son rôle d'isolant thermique, il forme une équipotentielle obtenue par liaison à une référence de tension choisie qui peut être la masse, ou tout autre potentiel environnant accessible et qui tendrait à diminuer les contraintes diélectriques. Le superisolant peut être par exemple relié au couvercle conducteur 9. Les cylindres 30 et 40 sont réunis par leur fond par une structure qui peut leur être analogue et mettant les espaces 35 et 45 en communication pour assurer la continuité du vide. Les mandrins isolants 15 et 16 sont espacés pour permettre un refroidissement aisé de l'enroulement supraconducteur 13. Le fil supraconducteur est gainé faiblement pour un meilleur refroidissement. I1 peut etre immobilisé sur les mandrins par imprégnation de résine époxydique. Les mandrins 15 et 16 sont avantageusement munis de canaux longitudinaux verticaux 25 et 26 régulièrement répartis (voir les figures 3 et 4) pour permettre un bon refroidissement du fil supraconducteur dans sa partie adjacente aux mandrins, le fluide cryogénique circulant aussi dans ces canaux. Les deux bobines 11 et 12 de l'enroulement primaire étant bobinées dans le même sens, leurs flux se retranchent dans l'espace annulaire compris entre les deux bobines. Si ces bobines ont le même nombre de spires, elles induisent un champ magnétique très faible dans cet espace annulaire, donc sur la bobine supraconductrice. Le meilleur fonctionnement du limiteur sera obtenu pour un nombre de spires supraconductrices au moins égale à deux fois le nombre de spires de l'enroulement primaire. Ceci permet de réduire le courant permanent traversant le fil supraconducteur par effet transformateur élévateur. Dans le cas où l'on dispose de fils supraconducteurs à intensité élevée on peut aussi utiliser l'effet transformateur abaisseur. Plusieurs limiteurs de courant peuvent être associés en série dans une ligne dans le cas d'une tension de ligne très élevée. Dans le cas de courants très élevés, on associera les limiteurs en parallèle sur la ligne. Dans le cas d'une tension et d'un courant très élevés on effectuera un montage des limiteurs en série et en parallèle. La figure 5 représente un montage de deux séries de trois limiteurs 37 intercalés dans une ligne L', ces limiteurs étant isolés par rapport à la terre par des isolateurs 36. La dissociation de l'enroulement primaire en deux bobines disposées coaxialement l'une dans l'autre permet de réduire l'encombrement en hauteur du limiteur ce qui est un avantage appréciable car, en outre, cela permet d'utiliser moins de fluide de refroidissement et moins de fluide cryogénique. REVENDICATIONS 1) Limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension, comprenant un enroulement primaire en matériau non supraconducteur destiné à être disposé en série dans une ligne haute tension et un enroulement secondaire (13) en matériau supraconducteur en court-circuit sur lui-même et placé dans un cryostat (10) rempli d'un fluide cryogénique (20), caractérisé en ce que l'enroulement primaire est formé de deux bobines (11, 12) branchées en série, disposées coaxialement l'une dans l'autre et bobinées dans le même sens, l'enroulement secondaire (13) étant disposé dans l'espace séparant les deux bobines (11, 12) de l'enroulement primaire. 2) Limiteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire (13) est réalisé en au moins une paire de couches. 3) Limiteur de courant selon la revendication 2, caractérisé en ce que, l'axe des enroulements primaire et secondaire étant vertical, le point de court-circuit (14 ) de l'enroulement secondaire (13) est situé en partie haute de l'enroulement secondaire et est relié à la masse. 4) Limiteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre de spires de l'enroulement secondaire (13) est au moins égal à deux fois le nombre de spires de l'enroulement primaire. 5) Limiteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cryostat (10) a sa section transversale par rapport à l'axe de l'enroulement primaire en forme de couronne de manière à occuper l'espace annulaire existant entre les deux bobines (11, 12) de l'enroulement primaire 6) Limiteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le cryostat (10) est formé d'une enveloppe (30, 40) dont l'épaisseur comprend, de l'extérieur vers l'intérieur du cryostat, une paroi isolante (31, 41), une couche de superisolant (32, 42) et une couche de vide (35, 45) comprise entre deux couches isolantes (33, 34; 43, 44). 7) Limiteur de courant selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de superisolant (32, 42) est constituée de feuilles aluminisées et partiellement démétallisées reliées à la masse. 8) Limiteur de courant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'enroulement secondaire (13) est disposé sur un ou plusieurs mandrins (15, 16) fixés au cryostat (10). 9) Limiteur de courant selon la revendication 8, caractérisé en ce que le ou les mandrins (15, 16) sont munis de canaux superficiels (25, 26) situés du côté du ou des mandrins supportant l'enroulement secondaire (13). 10) Dispositif limiteur de courant, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs limiteurs de courant (37) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ces limiteurs étant branchés en série et/ou en parallèle.