Brevet FR2688356A1 — publié le 19930910

Limiteur de courant par inductance série à circuit magnétique muni d'une gaine supraconductrice. La présente invention se rapporte à un limiteur de courant alternatif par bobine d'inductance série ou "self de choc", dont le circuit magnétique est équipé d'une gaine tubulaire en matériau supraconducteur à haute température critique. La protection des réseaux de distribution d'énergie électrique alternative contre les courts-circuits est un problème bien connu: en cas de court-circuit, le courant de ligne doit être limité pour éviter l'endommagement du réseau. Cette protection contre les courts-circuits est couramment réalisée par utilisation d'un disjoncteur de tête normalisé, dont le déclenchement réflexe en cas de surintensité vient isoler l'utilisation défectueuse du réseau d'alimentation, et donc protéger ce dernier. Dans les réseaux alternatifs à haute-tension, le disjoncteur ne peut pas couper le courant à n'importe quel moment de l'alternance. En effet, ceci pourrait provoquer des arcs électriques pouvant détruire ce disjoncteur, de sorte qu'il est nécessaire d'attendre le prochain passage à zéro du courant alternatif pour déconnecter le réseau. Pendant ce temps, des pointes de courant très importantes peuvent se développer. En conséquence, on est couramment amené à surdimensionner les réseaux actuels, ce qui est particulièrement pénalisant en encombrement et en prix de revient. Pour éviter un tel surdimensionnement, il a été proposé d'utiliser les propriétés des nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température critique (cette température critique pouvant actuellement aller jusqu'à 80 et même 128 K) pour réaliser des dispositifs limiteurs de courant qui utilisent une bobine d'inductance série, ou "self de choc" dont le circuit magnétique est partiellement entouré d'un tube coaxial réalisé en matériau supraconducteur à haute température critique et autour duquel est réalisé le bobinage. Tant que le courant dans le tube supraconducteur reste inférieur à une certaine valeur, dite critique, au dessus de laquelle le matériau précité devient résistif, cette bobine n'a pratiquement aucun effet de limitation de courant car le matériau supraconducteur forme écran pour le champ magnétique créé par la bobine. En revanche, lorsque le courant dépasse cette valeur critique, le tube supraconducteur présente un forte résistance et ne forme plus écran pour le champ magnétique; le circuit magnétique peut jouer son effet d'augmentation importante de l'inductance de la bobine, qui vient donc limiter le courant par effet de réactance série. Ces dispositifs connus à bobine avec gaine tubulaire supraconductrice présentent néanmoins un inconvénient en ce qui concerne en particulier leur fabrication. I1 est en effet difficile de réaliser un tube en céramique supraconductrice ayant des dimensions suffisantes pour posséder une densité de courant critique suffisante. Par exemple, une longueur de quelques dizaines de centimètres pour un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres, et une épaisseur de l'ordre du centimètre, sont des dimensions nécessaires pour ce tube en céramique supraconductrice si on veut atteindre une puissance de blocage utile de l'ordre d'une centaine de kilowatts. En fait, pour de grands échantillons de céramique supraconductrice, la densité de courant critique est actuellement trop faible pour envisager de les utiliser pour la réalisation d'un limiteur de courant du type précité. Ceci est lié au phénomène rencontré dans les céramiques supraconductrices frittées, selon lequel la densité de courant critique qui est élevée dans les grains est en revanche très faible entre ces grains limitant ainsi la capacité de transport de courant macroscopique. L'invention vise à remédier à cet inconvénient. Elle se rapporte à cet effet à un limiteur de courant alternatif par bobine d'inductance série, ou "self de choc", dont le circuit magnétique est équipé d'une gaine tubulaire en matériau supraconducteur à haute température critique autour de laquelle est réalisé le bobinage, ce limiteur se caractérisant en ce que cette gaine tubulaire est constituée d'une série ou empilage d'anneaux de relativement faible hauteur et réalisés en ce matériau supraconducteur à haute température critique. L'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante de deux exemples non limitatifs de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - la figure 1 rappelle la structure générale, connue en soi, d'un limitateur de ce type, - la figure 2 est une représentation en perspective d'une gaine cylindrique supraconductrice conforme à l'invention et utilisable pour un limiteur selon la figure 1, - la figure 3 montre une variante de réalisation qui utilise quatre gaines tubulaires selon la figure 2, et - la figure 4 montre une autre variante de réalisation de ce limiteur. En se référant aux figures 1 et 2, il s'agit d'un circuit de puissance comportant un alternateur 1 qui alimente une charge 2 à travers un limiteur de courant 3 mettant en oeuvre la supraconductivité à haute température critique. Ce limiteur 3 comporte, dans une enceinte isotherme étanche 4 remplie d'un gaz liquéfié à basse température (exemple 77K) une bobine d'inductance série 5, ou "self de choc", qui, de manière connue en soi, a son circuit magnétique 8, classiquement constitué d'un anneau carré en fer doux ou autre matériau magnétique à faible hystérésis, étroitement entouré, sur un des quatre côtés du carré, d'une gaine tubulaire 6 en matériau supraconducteur à haute température critique, tel que du YBaCuO (oxyde d'yttriumbaryum-cuivre). L'enroulement 7 de cette bobine 5 est réalisé autour de cette gaine tubulaire supraconductrice 6. En régime normal, c'est-à-dire tant que le courant I débité par la source 1 reste inférieur à celui qui correspond à une densité de courant Jc, dite critique, qui fait passer le matériau 6 de l'état supraconducteur à l'état normal conducteur, l'impédance de la bobine 5 reste très faible. Ceci est dû au fait que la gaine supraconductrice 6 joue un rôle d'écran pour le champ magnétique créé par le courant I qui circule dans les enroulements 7, de sorte que ce champ magnétique n'est pas transmis au circuit magnétique 6, qui ne joue alors aucun rôle. On peut également dire que la gaine supraconductrice 6 joue alors le rôle du secondaire, constitué alors par une seule spire en courtcircuit, d'un transformateur dont l'enroulement primaire est l'enroulement 7. Lorsque, suite par exemple à un court-circuit accidentel, le courant I augmente jusqu'à dépasser la valeur pour laquelle la densité de courant devient supérieure à sa valeur critique Jc pour laquelle le matériau constitutif de la gaine tubulaire passe de l'état supraconducteur à l'état résistif normal, le circuit magnétique 6 joue alors pleinement son rôle, de sorte que l'impédance de la bobine 5 augmente brusquement, jouant alors le rôle recherché de limitation du courant I par introduction dans le circuit alternatif d'une importante réactance en série. Conformément à l'invention, la gaine tubulaire supraconductrice 6 (figure 2) n'est pas constituée d'un tube uniforme en matériau supraconducteur à haute température critique, mais est constituée d'un empilage d'anneaux identiques 9 en même matériau supraconducteur, en forme de cylindre à section circulaire et chacun d'une hauteur h relativement faible, par exemple de l'ordre de un centimètre. Cette réalisation en anneaux empilés 9 est rendue possible par le fait que, dans cette utilisation selon la figure 1, les lignes de courant I (voir figure 2) dans les différents anneaux 9 sont parallèles, circulaires, et orthogonales à l'axe de la bobine 6. On dit encore qu'elles circulent "en azimut". I1 n'est donc pas nécessaire de prévoir comme ce serait le cas pour une circulation hélicoïdale des lignes de courant i, d'interconnexion électrique entre les différents anneaux 9. La gaine tubulaire cylindrique représentée figure 2 a par exemple une longueur L de 20 cm et un diamètre D de 7 à 8 cm. Elle est constituée d'un empilage d'une vingtaine d'anneaux 9. Si la réalisation industrielle de tubes cylindriques uniformes en matériau supraconducteur à haute température critique et haute densité de courant critique est problématique dans de telles dimensions, en revanche celle d'anneaux de faible hauteur est à l'heure actuelle concevable et représente une importante simplification pour la mise en forme. La figure 3 montre une variante du limiteur selon la figure 1, pour laquelle le circuit magnétique 8, toujours de forme carrée, est mieux utilisé par le fait qu'il est prévu quatre bobines d'inductance 5A à 5D identiques à la bobine 5 précitée, ces quatre bobines étant respectivement placées sur les quatre côtés de ce circuit magnétique 8 et étant, du point de vue des bobinages cuivre dans lesquels circule le courant I précité, connectées en série. Le rendement du limiteur est ainsi amélioré par le fait que la quasitotalité du circuit magnétique 8, hormis ses quatre coins, est entouré d'un bobinage avec gaine supraconductrice 6A à 6D selon la figure 2. Enfin, la figure 4 montre une variante du limiteur de la figure 3, pour laquelle le circuit magnétique 8 a une forme de tore qui, cette fois-ci, est totalement entouré d'une part par la gaine supraconductrice tubulaire 9, qui a en conséquence une forme torique correspondante et est composée d'une série d'anneaux tubulaires 9 chacun constitué d'une petite fraction de tube torique concentrique et coaxial au noyau magnétique, et d'autre part par le bobinage en cuivre 7 qui est pratiquement totalement enroulé autour de cette gaine torique tubulaire 6. Le rendement de ce limiteur est encore amélioré par rapport à celui selon la figure 3, du fait que le circuit magnétique 8 de la bobine 5 est ici totalement entouré par le bobinage 7 et la gaine supraconductrice 6. Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, et de nombreuses autres variantes sont envisageables. C'est ainsi par exemple, que le circuit magnétique 8 selon les figures 1 et 3 pourrait avoir une forme rectangulaire, et non pas carrée, les longueurs de la ou des bobines utilisées étant alors préférentiellement modifiées en conséquence pour utiliser la majeure partie du fer doux 8. REVENDICATIONS 1/ Limiteur de courant alternatif par bobine d'inductance série (5) dont le circuit magnétique (8) est équipé d'une gaine tubulaire (6) en matériau supraconducteur à haute température critique autour de laquelle est réalisée le bobinage (7), caractérisé en ce que cette gaine tubulaire (6) est constituée d'une série ou empilage d'anneaux (9) de relativement faible hauteur (h) et réalisés en ce matériau supraconducteur à haute température critique. 2/ Limiteur de courant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ces anneaux (9) ont chacun une hauteur (h) de l'ordre du centimètre. 3/ Limiteur de courant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que, ledit circuit magnétique (8) ayant une forme carrée ou rectangulaire, plusieurs de ses côtés sont équipés d'une gaine supraconductrice (6A à 6C) elle-même entourée d'un bobinage (7A à 7C). 4/ Limiteur de courant selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ledit circuit magnétique (8) a une forme de tore qui est lui-même entouré d'une gaine supraconductrice (6) de même forme torique et constituée d'une série d'anneaux (9) en forme de fractions de tube torique, le bobinage (7) étant enroulé sur la quasitotalité de cette gaine tubulaire (6).