Brevet FR2686466A1 — publié le 19930723

DISPOSITIF SUPRACONDUCTEUR A LINITATION DE COURANT CONTRÔLEE Actuellement, dans beaucoup de pays industrialisés, un certain nombre de postes de transport d'électricité à haute tension fonctionnent à la limite du pouvoir de coupure des disjoncteurs ou à la limite de la tenue en surintensité de courte durée du matériel. Cette situation peut présenter un danger pour les appareils et on va voir que l'utilisation des limiteurs à supraconducteurs permet de remédier à cet inconvénient. On pourra se reporter au rapport "Towards the superconducting fault current limiter", présenté à IEEE Summer Meeting 1990, Minneapolis, Juillet 1990, paru dans la revue IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 6, N"2, Avril 1991. Les limiteurs à supraconducteurs bloquent pratiquement instantanément le courant de défaut, en un temps inférieur à une milliseconde, à une valeur fixée par exemple à 3In In étant la valeur de l'intensité nominale du courant traversant l'appareil, et peuvent ensuite réduire le courant à une valeur assez faible. Cette limitation favorise la tenue du matériel, mais impose des contraintes élevées sur le limiteur. En effet, lors de la transition du courant, (passage de l'état supraconducteur à l'état normal, non supraconducteur), toute la tension rétablie sera reportee sur la bobine du limiteur. Ceci nécessite une construction complexe du limiteur supraconducteur et des pertes cryogéniques importantes. Le seuil de 3In Pour réduire cette fréquence, on peut envisager, non plus de limiter la valeur du courant à 3In quelle que soit la valeur du courant de court-circuit, mais de bloquer le courant à une valeur supérieure à 3 Un but de l'invention est de définir un limiteur de courant supraconducteur permettant de limiter le courant de défaut aux valeurs assignées pour le matériel, permettant ainsi de réduire fortement les contraintes subies par ce limiteur. Un autre but de l'invention est de réaliser un limiteur économique et fiable; pour cela, il est nécessaire que le courant traversant le supraconducteur soit le plus faible possible. En effet, plus le courant permanent dans le limiteur est élevé, plus le courant transité est important, et plus les pertes cryogéniques sont elevees. L'état de la technique en matière de limiteur supraconducteur est illustré par le brevet français N 90 03398 qui décrit un limiteur comportant deux bobines en parallèles à nombres de spires différents. L'élément supraconducteur est la bobine ayant le plus grand nombre de spires, afin d'obtenir un faible courant permanent dans la bobine supraconductrice. Le limiteur de l'art antérieur est en outre agencé de manière que la chute inductive due au limiteur soit la plus faible possible, c'est-à-dire ne dépassant pas 1 à 2% de la tension phase-terre L'invention a pour objet un dispositif supraconducteur à limitation de courant contrôlée destiné à être placé pour protéger un réseau de transport électrique comprenant un générateur (G), un transformateur (T) et une pluralité de lignes (Ll, L2, L3,...) munies chacune d'un disjoncteur de ligne (Dcl, DC2, DC3, ...), caractérisé en ce qu'il comprend une première bobine (Bl), supraconductrice, fermée sur elle-même, enroulée autour d'une branche d'un circuit magnétique fermé (CM), et placée dans un cryostat (CR) rempli d'un fluide cryogénique, une seconde bobine (B2) coaxiale à ladite première bobine, en conducteur non supraconducteur, placée à l'extérieur du cryostat et dont les bornes (P, Q) sont insérées en série dans ledit réseau, une inductance (X2) et une varistance (V) chacune connectee en parallèle sur ladite seconde bobine (B2), le nombre de spires de la première bobine (Bl) étant égal à quatre fois au moins le nombre de spires de la seconde bobine (B2), la bobine supraconductrice (Bl) etant choisie pour effectuer une transition lorsque le courant qui traverse l'inductance atteint une valeur déterminée comprise entre 8In De préférence, ledit multiple est compris entre 1,5 et 3. L'invention est explique en détail en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est un schéma électrique du dispositif supraconducteur de l'invention, inséré dans un réseau de transport électrique, - la figure 2 est une vue en coupe du dispositif supraconducteur selon un exemple de realisation. Dans la figure 1, la référence DS désigne un dispositif supraconducteur inséré dans un réseau de transport électrique comprenant un générateur G, un transformateur T et des lignes de distribution Ll, L2, L3 ..., protégées par des disjoncteurs conventionnels Dcl, DC2, DC2, La référence Xl designe l'inductance du générateur G et du transformateur T. Le dispositif de l'invention comprend un circuit magnétique CM fermé; autour d'une branche de ce circuit magnetique est enroulée une première bobine, Bl, en matériau supraconducteur refermée sur elle-même et logée dans un cryostat isolant CR rempli d'un fluide cryogénique. Concentriquement à la bobine Bl est enroulée une deuxième bobine B2, en cuivre, disposée extérieurement à la première bobine. La deuxième bobine B2 peut être placée dans l'air ou dans un gaz ou un liquide diélectrique. En régime de fonctionnement normal, en l'absence de défaut, les flux magnétiques des bobines Bl et B2 s'opposent au sein du circuit magnétique. Aux bornes P et Q de la deuxième bobine sont reliées une inductance X2 et une varistance V. Selon l'invention, le nombre de spires de la première bobine Bl est au moins quatre fois supérieur à celui de la seconde bobine B2, de façon à obtenir un courant permanent de faible intensité dans la bobine supraconductrice. Le couplage entre les bobines Bl et B2 est très serre, de façon à obtenir une chute inductive très faible (inférieure à 3%) en régime permanent. L'inductance Xl de la source G et du transformateur T est supposee egale à celle donnant à un court-circuit de valeur très élevée, par exemple à un courant égal à 2 fois la valeur du courant de court-circuit assignée pour les disjoncteurs de ligne Dcl à DC3. Par exemple, Xl correspond à un courant de court-circuit de 63kA, alors que le courant assigné pour les disjoncteurs de ligne DC n'est que de 31,5 kA. On prendra alors la valeur de X2 approximativement égale à celle de Xl, de telle sorte qu'en cas de court-circuit, par exemple sur la ligne Ll, le courant de court-circuit traversant Dcl sera environ la moitié de ce qu'il eut été en l'absence de X2. Bien entendu, cette valeur n'est donnée qu'à titre d'exemple. On pourra choisir la valeur de X2 pour que la valeur du courant traversant le disjoncteur de ligne ne depasse pas sa valeur de court-circuit assignée, soit par exemple de 1,5 à 3 fois plus faible que le courant maximal de court-circuit fourni par la source G. En fonctionnement permanent, sans défaut, l'inductance des bobines Bl et B2 est très faible devant X2. En cas de transition de la bobine supraconductrice Bl, l'inductance de la bobine B2 deviendra bien plus importante que l'inductance X2. La référence DR désigne un disjoncteur de temps de coupure très rapide, inferieur à un cycle ( temps mécanique d'ouverture de l'ordre de lOms) et de grand pouvoir de coupure. Ce disjoncteur est commande par un relais REL excité par le signal provenant d'un transformateur de courant TI; l'ordre d'ouverture est donne en moins d'une milliseconde. La référence V désigne une varistance qui permet de réduire toute surtension aux bornes de la bobine B2 et de l'inductance X2 au moment de la transition de la bobine Bl. Le fonctionnement du dispositif supraconducteur à limitation contrôlée est le suivant: Supposons qu'intervienne sur la ligne L1, au point A, le disjoncteur DC1 étant bien entendu ferme, un defaut asymétrique. Sans le dispositif supraconducteur, pour un courant de court-circuit de 63 kAeff, la crête de première grande onde de courant peut atteindre 157,50 kAcrête (d'après les normes CEI : 2,5 x 63 kAeff) ou 170 kA crête (d'après les normes ANSI : 2,7 x 63 kAeff). A 8In soit environ 35,5 crête, si In = 3150A, il y a transition instantanee de la bobine supraconductrice B1 qui devient alors très resistive. La bobine B2 devient en même temps très inductive. Le courant de défaut est forcé de traverser l'inductance X2 et sera limité à une valeur de 80 kAcrête, valeur de courant assignee pour 31,5 kA que peut supporter parfaitement le matériel et le disjoncteur DC1 pendant une période (20 ms) jusqu'à la coupure du courant par le disjoncteur rapide DR. Le disjoncteur DC1 coupe le courant résiduel (alimenté par d'autres lignes)en 2 ou 3 cycles après. Ce courant dans tous les cas reste inferieur au courant assigné. En général, le disjoncteur de ligne DC1 effectue un cycle de reenclenchement rapide, par exemple du type 0, 0,3s F, O. En cas de réenclenchement rapide de DC1, on peut: - soit laisser le disjoncteur rapide DR ouvert jusqu'à la fin de la deuxième ouverture du cycle, en attendant le retour à l'état supraconducteur de la bobine B1, - soit, si la bobine B1 reprend très rapidement son état supraconducteur, refermer le disjoncteur rapide DR après la premiere ouverture du disjoncteur de ligne DC1. Mais la solution la plus logique est de ne pas faire effectuer de cycle 0, 0,3s F, O au disjoncteur de ligne lorsque la valeur du courant de défaut produit en A est assez grande pour faire fonctionner le dispositif supraconducteur DS. En pratique, on ne fera de cycle 0, 0,3s F, O que pour des défauts pour lesquels le courant reste inferieur à 8 ou 10 In. I1 est à noter que plusieurs rapports ont signale en que la plupart des appareils électriques peuvent tenir sans problème la grande crête de courant asymétrique pendant une alternance même en depassant de beaucoup les valeurs assignés. On pourra se référer à l'article " The high voltage 1-cycle limiting breaker" de E. Thuries, Pham Van Doan, IEEE, Montréal , Octobre 1980. et au rapport "Effects of reduced fault duration upon power system components - A study of the feasibility of a greatly simplified alternative to the fault current limiter" EPRI, Final Report EL 2772, December 1982, par P. Barkan et al. Dans l'exemple numérique cité plus haut, en limitant le courant à 80 kAcrête au lieu de 160 kAcrête, on diminue de moitié environ la tension rétablie sur la bobine supraconductrice B1. En acceptant une valeur crête de courant supérieure à 80 kAcrête, on peut réduire encore la tension rétablie sur le bobine B1 en diminuant la valeur de l'inductance X2. En cas de défaut symétrique, statistiquement plus fréquent que le défaut asymétrique, il n'y a pas de problème de tenue en courant, car même sans limitation de courant par le dispositif supraconducteur, le courant de défaut de valeur crête ne dépasse pas 89 kAcrête (63 kAeff x La figure 2 montre un exemple de réalisation pratique du dispositif; les éléments communs à cette figure et à la figure 1 ont reçu les mêmes signes de référence. Le dispositif supraconducteur de l'invention permet de réduire très sensiblement les contraintes sur la bobine supraconductrice tout en assurant le bon fonctionnement et la bonne tenue en courant du matériel actuel ou ancien. En régime permanent le courant passant dans la bobine supraconductrice est faible (inférieur ou égal à In/5) donc crée moins de pertes cryogéniques. En cas de court-circuit, la bobine B1 transite à une valeur relativement faible par rapport à la solution classique à deux bobines supraconductrices identiques. Pour la construction, il est à remarquer que la bobine B2 supporte une grande part de courant permanent mais seulement une faible part du courant de court-circuit; par contre, l'inductance X2 supporte une faible part du courant permanent mais une grande part du courant de court-circuit. REVENDICATIONS 1/ Dispositif supraconducteur à limitation de courant contrôlée destiné à être placé pour protéger un réséau de transport électrique comprenant un générateur (G), un transformateur (T) et une pluralité de lignes (L1, L2, L3,...) munies chacune d'un disjoncteur de ligne (DC1, DC2, DC3, ...) caractérise en ce qu'il comprend une première bobine (B1), supraconductrice, fermée sur elle-même, enroulée autour d'une branche d'un circuit magnétique fermé (CM), et placée dans un cryostat (CR) rempli d'un fluide cryogénique, une seconde bobine (B2) coaxiale à ladite première bobine, en conducteur non supraconducteur, placée à l'extérieur du cryostat et dont les bornes (P, Q) sont inserees en serie dans ledit réseau, une inductance (X2) et une varistance (V) chacune connectee en parallèle sur ladite seconde bobine (B2), le nombre de spires de la première bobine (B1) étant égal à quatre fois au moins le nombre de spires de la seconde bobine (B2), la bobine supraconductrice (B1) étant choisie pour effectuer une transition lorsque le courant qui traverse l'inductance (X2) atteint une valeur déterminée comprise entre 8In In désignant le courant permanent du réseau, la valeur de l'inductance (X2) étant choisie pour que le courant de court-circuit qui traverserait les disjoncteurs de ligne en l'absence de la bobine supraconductrice soit égal à un multiple donné de la valeur de court-circuit assignée aux appareils protegés par le dispositif, l'ensemble constitué par la seconde bobine (B2), l'inductance (X2) et la varistance (V) étant connecté en série avec un disjoncteur rapide (DR). 2/ Dispositif supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit multiple est compris entre 1,5 et 3.