Brevet FR2701789A1 — publié le 19940826

LIMITEUR DE COURANT INDUCTIF A VARISTANCE La présente invention se rapporte à un limiteur de courant inductif à varistance. Dans le brevet français n02 661 288 déposé par la Déposante, il est décrit un limiteur de courant hybride avec supraconducteur et avec circuit magnétique. Lors d'une transition, le fil supraconducteur passe de l'état supraconducteur où la résistance ohmique est nulle, à l'état résistif où sa résistance est égale à plusieurs dizaines d'ohms ou plus. A l'inverse, une varistance à base d'oxyde de zinc ou à base de carbure de silicium en fonctionnement passe de l'état très résistif, où sa résistance est égale à plusieurs Mégohms, à l'état très conducteur où sa résistance ohmique est inférieur à un ohm et ceci en un temps extrêmement court. Un but de l'invention est d'utiliser ces propriétés d'une varistance pour augmenter très rapidement l'inductance du limiteur, afin de limiter le courant de court-circuit. Par ailleurs, l'utilisation de supraconducteurs métalliques à basse température nécessite de l'hélium liquide à 4"K. Cette solution n'est pas économique à cause des pertes cryogéniques importantes en courant alternatif et nécessite encore beaucoup de recherches pour atteindre un stade industriel. De plus, il s'avère que souvent il n'est recherché qu'une réduction de moitié du courant de court-circuit assigné ( voir par exemple le document "A superconducting fault current limiter", J. Applied Physics, April 1978, et "The utility requirements for a distribution fault current limiter", IEEE Power Delivery, April 1992). Si l'on accepte une chute inductive due à la présence du limiteur de l'ordre de 3% de la tension phase terre, il suffit alors de doubler l'inductance du limiteur pour réduire le courant de défaut de moitié. Dans le cas d'un réseau de 63 kV, d'un courant de court circuit assigné de 20 kA et d'un courant nominal de 1250 A, il faut: - pour une chute inductive de 4%, multiplier la réactance permanente du limiteur par 1,56, - pour une chute inductive de 3%, multiplier la réactance permanente du limiteur par 2,08 pour réduire le courant de défaut à 10 kA. Dans de telles conditions, il n'est besoin que d'une inductance relativement faible pour limiter le courant de défaut. Afin d'obtenir une augmentation très rapide de l'inductance du limiteur et une réduction de moitié du courant de court-circuit assigné, l'invention propose un limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension comportant au moins une première bobine en matériau conducteur et une deuxième bobine en matériau conducteur couplée de manière serré avec la première bobine et bobinée en opposition, limiteur caractérisé en ce que la deuxième bobine est montée en série avec la première bobine (B1) et en ce qu'une troisième bobine en série avec une varistance est montée en parallèle à la deuxième bobine cette troisième bobine étant bobinée en opposition à la deuxième bobine et couplée avec celle-ci de manière très serrée. Selon une caractéristique constructive, les première et deuxième bobines ont le même nombre de spires. Selon une autre caractéristique constructive, la troisième bobine a un nombre de spires égal ou supérieur à celui de la deuxième bobine. De préférence, les bobines sont plates. Selon un agencement particulier, les bobines sont entourées d'un circuit magnétique non fermé. Il peut comporter un enclencheur branché aux bornes de la varistance ou un disjoncteur rapide en aval sur la ligne et une self d'induction montée en parallèle aux deuxième et troisième bobines, à la varistance et au disjoncteur. L'invention concerne également un limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension selon lequel sur la ligne, de part et d'autre de la première bobine , est disposée en série une deuxième bobine et en parallèle à celle-ci une troisième bobine en série avec une varistance. De préférence, les bobines sont disposées sur un circuit magnétique en forme de U, la première bobine étant enroulée sur la courbure du U et les deuxièmes et troisièmes bobines étant bobinées sur les branches du U de part et d'autre de la première bobine. L'invention est décrite plus en détail à l'aide de dessins ne représentant que des modes préférés de réalisation. La figure 1 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une première variante de réalisation. La figure 2 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une deuxième variante de réalisation. La figure 3 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une troisième variante de réalisation. La figure 4 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une quatrième variante de réalisation. La figure 5 est une vue en coupe de deux limiteurs en série conformes à l'invention. La figure 6 est une vue en coupe d'un limiteur conforme à l'invention selon une cinquième variante de réalisation. Le limiteur décrit sur la figure 1 comprend, par phase, trois bobines B1, B2 et B3 en matériau conducteur. De préférence, ces trois bobines B1, B2 et B3 sont des bobines plates de diamètre suffisant. Un disjoncteur D est monté en aval du limiteur. La première bobine B1 est reliée en série au point M à la deuxième bobine B2. Elles sont de préférence similaires, avec par exemple le même nombre de spires et sont bobinées en opposition pour obtenir une inductance permanente faible, par exemple de l'ordre de 3 mH. Le couplage entre la première et la deuxième bobine B1 et B2 est serré, par exemple avec un coefficient de couplage de l'ordre de 0,85. Ces deux bobines sont donc montées très près l'une de l'autre. La troisième bobine B3 est reliée en série à une varistance V et cette bobine B3 avec la varistance V est reliée en parallèle à la deuxième bobine B2 aux points M et N. Cette troisième bobine B3 est bobinée en opposition à la deuxième bobine B2 et a un très bon couplage avec celle-ci, par exemple avec un coefficient de couplage de 0,90 à 0,95. Etant donné l'absence de courant permanent dans la troisième bobine B3, cette dernière est constituée d'un fil, de préférence en cuivre, de section plus faible que celui de la deuxième bobine B2 et de la première bobine B1. Le nombre de spires de la troisième bobine B3 est égal ou supérieur à celui de la deuxième bobine B2. En régime permanent, le courant nominal traverse les première et deuxième bobines B1 et B2 et crée une chute inductive de l'ordre de 38 de la tension phase terre. La varistance V ne fonctionne pas, étant donné la faible tension entre M et N. Lorsque le courant atteint par exemple 3InllZ, In étant le courant nominal, la varistance V fonctionne. Le fonctionnement de la varistance V entraîne la circulation d'un courant dans la troisième bobine B3. Le couplage très serré entre les bobines B3 et B2 permet d'abaisser fortement l'inductance globale ou apparente de ces deux bobines. C'est alors en grande partie la réactance propre de la première bobine B1 (environ 6 mH par exemple, dans le cas d'un réseau de 63 kV et d'un courant de court circuit assigné de 20 kA) qui limite le courant de court circuit. On double ainsi la réactance du limiteur. Environ 30 millisecondes après le défaut, le disjoncteur D coupe le courant de défaut limité de moitié à 10 kA par exemple. La varistance V est de préférence formée de plusieurs éléments en parallèle afin de pouvoir supporter l'énergie ohmique pendant le passage du courant dans la troisième bobine B3. Selon la variante décrite en référence à la figure 2, les bobines sont entourées extérieurement par un circuit magnétique 1 non fermé. Cette disposition permet en particulier la fermeture des lignes de flux magnétique de la première bobine B1 permettant ainsi d'augmenter son inductance après le fonctionnement de la varistance V. Ce circuit magnétique de préférence en feuille de tôle magnétique peut être cylindrique entièrement fermé ou formé de secteurs séparés. En régime permanent le flux magnétique étant faible il n'y a pas de points chauds sur l'enceinte métallique renfermant la bobine B1. Les trois bobines B1, B2 et B3 peuvent être dans l'huile, dans l'air atmosphérique ou dans un gaz diélectrique par exemple de l'azote ou du SF6 contenu dans une enceinte fermée. La varistance peut éventuellement être installée à l'extérieur de cette enceinte. Si l'on souhaite une réactance permanente très faible et une réactance de limitation plus grande, on peut utiliser un circuit magnétique fermé partiellement à l'intérieur des bobines. La figure 3 décrit une disposition qui ne nécessite pas de disjoncteur D en série avec le limiteur. Pour réduire l'énergie thermique dans la varistance V, on utilise un enclencheur E branché aux bornes de la varistance V et qui fonctionne dès l'apparition du courant dans la varistance V. Le courant traversant la varistance V actionne une bobine BE montée en série avec la varistance V. Les contacts de l'enclencheur E se referment alors en un temps de l'ordre de 7 à 10 ms. Ce faible temps de fonctionnement permet d'utiliser moins de composants de varistance, de préférence en ZnO, en parallèle, pour la varistance V; D'une façon similaire, on peut faire fonctionner l'enclencheur E dès l'apparition d'une tension aux bornes de la varistance V par un autre dispositif non représenté sans nécessité d'avoir la bobine BE sous tension. Selon la variante décrite sur la figure 4, une self d'induction L est montée en parallèle entre le point M et la ligne et un disjoncteur rapide DR est disposé sur la ligne en amont du raccordement de la self L. Cette disposition permet de réduire efficacement le courant de court circuit après la première crête de courant en insérant très rapidement la self d'induction L de valeur élevée en utilisant le disjoncteur rapide DR de temps d'ouverture de l'ordre de 7 à 8 ms. L'ouverture du disjoncteur DR interrompt les courants dans les bobines B2 et B3 et force le courant de court circuit à entrer dans la self L. Le temps de passage du courant dans la varistance V étant faible il n'est plus nécessaire d'utiliser l'enclencheur E. Dans le cas d'une ligne à très haute tension supérieure à 245 kV par exemple, l'on utilise deux limiteurs identiques comme décrit ci-dessus montés en série, comme représenté sur la figure 5. La figure 6 représente une autre variante de réalisation du limiteur conforme à l'invention. Les bobinages sont disposés sur un circuit magnétique 50 en forme de U. Ce circuit est fermé par une culasse 51. La première bobine B1 couvre à peu près la moitié du circuit magnétique 50 et est logé sur la courbure du U. De part et d'autre de cette première bobine B1 sont disposés des deuxièmes et troisièmes bobines B2', B2", B3' et B3". Sur l'arrivée de la ligne est disposée une bobine B2' et en parallèle à celle-ci se trouvent une varistance V' et une bobine B3'. Ces deux bobines B2' et B3' sont enroulées sur une branche du U. De même, sur l'autre branche du U, sont enroulées une bobine B2" en série avec la première bobine B1 et en parallèle à la bobine B2" est disposée une bobine B3" et une varistance V". Les bobines équivalentes sont identiques, B2' est identique à la bobine B2" et B3' est identique à la bobine B3". Les paires de bobines enroulées sur la même branche sont bobinées en opposition, soit B3' en opposition à B2' et B3" en opposition à B2". Les bobines B2' et B2" ont ensemble le même nombre de spires que la première bobine B1 et sont bobinées dans le sens inverse. Les bobines B3' et B3" ont le même nombre de spires que les bobines B2' et B2". Les paires de bobines enroulées sur chaque branche du U sont bobinées de façon à obtenir un très bon couplage magnétique. Le flux magnétique 1 créé par la première bobine B1 s'oppose aux flux magnétiques 4 > 2' et #2" créés par B2' et B2". En cas de défaut quand le courant atteint 3In, les deux varistances V' et V" identiques fonctionnent et créent des flux 4 > 3' et 4 > 3" qui s'opposent aux flux #2' ' et 2. L'inductance globale des bobines B2', B2", B3' et B3" tend alors vers une valeur très faible. C'est donc la self d'induction propre de la bobine B1 qui limite le courant de défaut. On peut augmenter cette self d'induction de la bobine B1 en utilisant un écran magnétique 56 constitué d'un tube couvrant extérieurement la bobine B1 pour capter les fuites magnétiques de la bobine B1 pendant la limitation du courant de défaut. On peut également utiliser un circuit magnétique 50, 51 formé d'un tore pour réduire les fuites magnétiques entre les bobines. De préférence, la section de la culasse 51 est plus faible que cele de la branche U et saturable à partir de la valeur de courant égale à 3In. Le limiteur peut ne comporter qu'une seule varistance, en court-circuitant la varistance V' représentée sur la figure 6 et en reliant directement la bobine B'3 à la bobine B"3. REVENDICATIONS 1) Limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension comportant au moins une première bobine (B1) en matériau conducteur et une deuxième bobine (B2) en matériau conducteur couplée de manière serré avec la première bobine (B1) et bobinée en opposition, limiteur caractérisé en ce que la deuxième bobine (B2) est montée en série avec la première bobine (B1) et en ce qu'une troisième bobine (B3) en série avec une varistance (V) est montée en parallèle à la deuxième bobine (B2), cette troisième bobine (B3) étant bobinée en opposition à la deuxième bobine (B2) et couplée avec celle-ci de manière très serrée. 2) Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième bobines (Bl, B2) ont le même nombre de spires. 3) Limiteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la troisième bobine (B3) a un nombre de spires égal ou supérieur à celui de la deuxième bobine (B2). 4) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobines sont plates. 5) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les bobines sont entourées d'un circuit magnétique (1) non fermé. 6) Limiteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un enclencheur (E) branché aux bornes de la varistance (V) et une bobine (BE) en série avec la varistance (V). 7) Limiteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte un disjoncteur rapide (DR) en aval sur la ligne et une self d'induction (L) montée en parallèle aux deuxième et troisième bobines (B2, B3), à la varistance (V) et au disjoncteur (DR). 8) Limiteur de courant inductif destiné à une ligne de réseau haute tension selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que sur la ligne, de part et d'autre de la première bobine (Bi), est disposée en série une deuxième bobine (B2', B2") et en parallèle à celle-ci une troisième bobine (B3', B3") en série avec une varistance (V', V"). 9) Limiteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que les bobines sont disposées sur un circuit magnétique fermé en forme de U, la première bobine (B1) étant enroulée sur la courbure du U et les deuxièmes et troisièmes bobines (B2', B2", B3', B3") étant bobinées sur les branches du U de part et d'autre de la première bobine (B1). 10) Limiteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la culasse (51) est saturable à partir d'un seuil de courant égal à 3Ina