Brevet FR2714229A1 — publié le 19950623

LIMITEUR DE COURANT A TRNiSFORATEUJR Er A SPACO CTER A SURTEION RliJITE La présente invention cocsrne les limiteurs de cau- rant à supracoducteur. L' élément supraconducteur utilisé transite d'une résistance pratiquemnt nulle à une valeur de résistance finie quand la température, le cuhamp et/ou la densité de courant dépassent une valeur critique. On a depuis longtemps envisagé d'utiliser de tels éléments coma limiteurs de courant. E effet, étant doré une ligne dans laquelle circule un courant ncminal et dans laquelle est susceptible de circuler temporairemnt un courant de défaut, par ememple par suite d'une mise en court-circit, l'insertion dans cette ligne d'un élément supracncductr dont le courant critique est supérieur au courant ncminal ntraInera l'appari- tion d'une résistance élevés ds que e courant critique est dépaessé. I1 en résulte une limitation de courant. L'icxxxv".nient15 de cette réalisation simple à élément supra ducteur résistif en série sur la ligne réside dans le fait que l'élément supra- conducteur supporte en p le courant rominal de la ligne et que, si ce courant ncminal est éleé, il est difficile de prévoir des éléments supraccnducteurs adaptés. On a donc tenté de réaliser des limiteurs à élbment supraconducteur inductif constitués d'un primaire à enroulement classique non supraconducteur et d'un seondafre supracoducteur en court-circuit. En régime normal, 1'inductance apparente de 1 'enroulement primaire est très faible. Si le rapport de trans- formation est élevé, c'est-à-dire qu'il y a N fois plus de spires au secondaire qu'au primaire, le courant rnominal dans l 'élément supraconducteur sera N fois plus faible que le courant de lign e qui rend l'élément supraconducteur plus simple à fabriquer. Néarmoins, on se heurte à un autre inconvénient à savoir qu'il est difficile de réaliser un bon couplage magné- tique entre les enroulements primaire et secondaire pour des raisons pratiques de réalisation de l'enceinte cryogénique de l'enroulement secondaire supraconducteur et que cette enceinte est de réalisation cohpIlexe. On opte donc généralement pour des solutions dans les- quelles on utilise un élément supraconducteur résistif connecté au secondaire d'un transformateur normal (non supraconducteur). Une première solution de ce type est illustrése en figure 1A dans laquelle on peut voir sur une ligne 1 & protéger un transformateur dont l'enroulement primaire E1 est en série avec la ligne et dont le secondaire E2 est refermé sur un élé- ment supraconducteur S. Dans toute la suite de la description, on considérera que l'élément supracornducteur est de type résis- tif, c'est-à-dire qu'il est agencé pour que son inductance soit négligeable. En pratique, l'élément supraonducteur sera consti- tué d'un bobinage autour d'un mandrin. On choisira un syste à deux bobinages en parallèle ou en série avec des sens de bobi- nage adaptés à rendre sensiblement nulle l'irductance de 1'élé- ment supraconducteur. Ce type de limiteur de courant est en particulier adapté à la protection de lignes d'alimentation haute tension aux fréquences industrielles (50-60 hertz). La figure 1B représente un sdhéma équivalent du cir- cuit de la figure 1A en régime normal. La densité de courant dans 1 'élment supraconducteur est inférieure à la valeur de transition et cet élément présente une résistance nulle. On se trouve donc avec un transformateur à secondaire court-circuité, c'est-à-dire que l'inductance apparente de l'enroulement pri- maire est sensiblement nulle et que le courant dans 1'élément supraconducteur est égal au courant de ligne divisé par le rapport de transformation. La figure 1C représente un schéma équivalent du cir- cuit de la figure 1A en régime de défaut quand une surintensité apparait sur la ligne. A ce moment, pratiquement toute la ten- sion de la ligne se trouve aux bornes de l'enroulement primaire El. Le courant dans le secondaire augmente et l'élément supra- conducteur transite et atteint une valeur de résistance élevée. Le citrcuit équivaut alors sensiblement à un transformateur & secodaire ouvert. L'inductance de l'enroulement primaire El devient sensiblement égale à son inductance propre et l'appa- rition de cette inductance dans la ligne freine les variations de courant. Un autre limiteur de courant cornnu à transfomateur et élément supraconducteur est illustré en figure 2A. Ce limiteur comprend également un transformateur ayant un enroulement pri- maire E1 et un enroulement secondaire E2. Une preumitre borne de l'enroulement secondaire E2 est couplée & une première borne de l'enroulement primaire El. La deuxième borne de l'enroulement secondaire E2 est couplée & la deuxième borne de l'enroulement primaire E1 par 1 'intermédiaire d'un élément upraonducteur S. Les enroulements primaire et secondaire sont en opposition. Un30 tel circuit est par exemple décrit dans la demande de brevet français 90/05206 du 24 avril 1990. La figure 2B représente le schéma équivalent du cir- cuit de la figure 2A an régime normal of l'élément supraconduc- teur peut être considéré comme un simple court-circuit. Alors, l'inductance apparente des enroulements primaire et secondaire en parallèle est nulle si le couplage magnétique entre primaire et secondaire est maximum (égal à +1l). La figure 2C représente un séa équivalent du cir- cuit de la figure 2A en régime de défaut. Alors, l'éléaent supraconducteur se comporte sensiblenomt comme un circuit ouvert et on trouve sur la ligne l'inductance de l'enroulement primaire El qui freine les variations de courant. La configuration de la figure 2A présente par rapport à celle de la figure lA l'avantage de réduire encore les chutes de tension en régime noxrmil et/ou de réduire la quantité de cuivre des enroulements puisque l'on trouve en régime normal deux enroulements en parallèle. Les circuits des figures 1A et 2A sont de fabrication simple et réduisent le courant en régime normal dans l'élément supraconducteur, ce qui permet d'utiliser un élément supra- conducteur simple qui transite pour un courant faible. Néan- moins, cas circuits à transformateur présentent l'inconvénient que, en régime de défaut, la tension Vsc aux bornes de l'élément supraconducteur est trèes élevée et donc que les pertes dans cat élément supraconducteur sont élevées, ce qui entrains que le tempe qu'il met à recouvrer son état supraconducteur après la fin d'une surintensité ou après une ouverture de la ligne par un coupe-circuit est relativement long. De plus, dans le cas de li- gnes haute tension, les surtensions aux bornes de l'enroulement E2 et de l'élément supraconducteur sont élevées et posent de grandes difficultés étant donné les tenues diélectrique à& assurer. Plus particulièrement, dans le cas de la figure 1C, la tension Vsc est sensiblement égale au produit NV de la tension V aux bornes du primaire par le rapport de transformation N, N étant courament de 1 'ordre de 10. Dans le cas de la figure 2C, la tension Vsc est sensi- blement égale & (N+1)V (en supposant que le facteur de couplage est égal à -1). Il est connu de réduire 1' énergie dissipée au secon- daire du transformateur en régime de défaut en utilisant un cir- cuit magnétique saturable. Cependant, si la saturation dimniue les pertes dans l'élément supraconducteur, elle ne réduit pas les problèmes diélectriques car elle ne change pas les valeurs des tensions. Ainsi, un objet de la présente invention est de pré- voir un limiteur de courant à transfozmateur et élément supra- conducteur résistif dans lequel la dissipation d'énergie dans l'élément supraconducteur en régime de défaut soit réduite avec des contraintes diélectriques acceptables. Pour atteindre oet objet, la présente invention prévoit un limiteur de courant de ligne à transfoemateur et à élément supraconducteur, le primaire du transfaruateur étant interposé sur une ligne à protéger, le secondaire du tansfoema- teur étant relié à l'1élément supraamidceur pour que, à courant de ligne normal, 1'inductance équivalente du primmire soit trés faible et que, à fort courant de ligne, l'inductance équivalente du primaire soit forte. Un enroulement auxiliaire, couplé magné- tiquement à l'enroulement secondaire et à nombre de spores supé- rieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire, est disposé en parallèle sur l'élément supraconducteur. Selon un soda de réalisation de la présente invention, le montage parallèle de l'enroulement auxiliaire et de l'élément supraoonducteur est connecté aux bornes de l'enroulement secon- daire. Selon un mode de réalisation de la présenta invention, le montage parallèle de 1 'enroulement auxiliaire et de l'élément supraconducteur est ccnnecté en série avec l'enroulement secon- daire, 1'ensemble étant connecté en parallèle sur l'enroulement primaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'enroulement primaire et l'enroulement secdaire sont couplés magnétiquement en opposition. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le point milieu de l'enroulement secondaire ou de l'enroulement auxiliaire est connecté à la masse. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite, à titre non limitatif, en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: les figures lA et 2A illustrent deux circuits de limi- teurs à transformateur selon l'art antérieur; les figures lB et 2B représentent des schémas équiva- lents des circuits des figures 1A et 2A en régime normal; les figures 1C et 2C représentent des schémas équiva- lents des circuits des figures lA et 2A en régime de défaut; les figures 3A et 4A représentent un premier et un deuxième mode de réalisation de la présente invention; les figures 3B et 4B repréentent des schémas équiva- lents des circuits des figures 3A et 4A en régime normal; et les figures 3C et 4C représentent des schémas équiva- lents des circuits des figures 3A et 4A en régime de défaut. Comme le représente la figure 3A, un premier mode de réalisation de la présente invention prévoit d'utiliser un schéma sensiblement identique & celui de la figure 1A mais dans lequel un enroulement auxiliaire E3 est rajouté an parallèle sur 1 'élément supraconducteur S. Eventuellement, une varistance Z est disposée en série avec 1'enroulement auxiliaire E3. Cette varistance Z peut étre considérée comme un circuit ouvert quand la tension à ses bornes est faible et comen un circuit fermé quand cette tension augmenta. Usuellement, un coupe-circuit D est disposé en série avec le limiteur. La figure 3B représente le schéma équivalent du cir- cuit de la figure 3A en régime normal quand un courant nominal circule dans la ligne. Ce schéme équivalent est sensiblement identique au schéema géquivalent de la figure 1B. En effet, l 'enroulement auxiliaire E3 est choisi avec un nome de spires nettement plus élevé que l'enroulement secondaire E2 et n'inter- vient pratiquement pas dans le fonctionnement, surtout si l 'on a prévu une varistance Z qui bloque la circulation de courant dans l'enroulement E3 quand la tension à ses bornes est faible. Le schIma équivalent du circuit selon la présente invention en régime de défaut est illustré en figure 3C. On sup- pose que le courant dans la ligne 1 tend & devenir très élevé, par exemple par suite d'une mise en court-circuit. On retrouve alors pratiquement toute la tension V de la ligne aux bornes de l'enroulement primaire El. Si les sens d'enroulement des enrou- lements E2 et E3 sont opposés et que le coefficient de couplage entre chacun des enroulements El, E2 et E3 est convenablement choisi, on pourra obtenir une réduction de la tension Vsc aux bornes des enroulements E2 et E3 par rapport à la valeur NV qui était obtenue avec le mode de réalisation de la figure 1A. Des coefficients de couplage idéaux pourront être obtenus par une sélection du matériau magnémtique couplant les enroulements et de ses dimensions. Par exemple, les trois enroulements El, E2 et E3 pourront être bobinés concentriquement. On notera que les coefficients de couplage doivent être choisis en fonction d'un oomuromis. En effet, il est souhaitable que le coefficient de couplage magnétique entre les enroulements 1 et 2 reste élevé pour obtenir une valeur faible de 1'irductance équivalente de l'enroulement El dans le cas du régime normal (illustré en figure 3B). La figure 4A représente un deuxième mode de réalisa- tion de la présente invention qui dérive du circuit connrmu de la figure 2A dans lequel on a rajouté un enroulement auxiliaire E4 en parallèle sur l'élément supraconducteur avec éventuellement une varistancoe Z en série. L'enroulement E4 comprend un nombre de spires plus élevé que l'enroulement E2 qui lui-même est plus élevé que le nombre de spires de l'enroulement El. Les enroule- ments E2 et E4 sont bien couples magnétiquement et sont en opposition. La figure 4B représente le schéma équivalent du cir- cuit de la figure 4A en régime nornmal quaxnd un courant nominal circule dans la ligne. Ce schema équivalent est sensiblement identique au schéma de la figure 2B, l'enroulement auxiliaire E4 étant court-circuité par l'élémnent supraconducteur S. Comme le représente la figure 4C, en régime de défaut, on retrouve sur la ligne l'enroulement El et sur une branche parallèle l'enroulement E2 et l'enroulement E4 en série. La tension V aux bornes de l'enroulement E1 se répartit entre les enroulements E2 et E4. Le primaire El se trouve sensiblement découplé du secondaire E2 et son inductance augmente. Sur la branche comprenant en série les enroulements E2 et E4, on a éga- lement une forte inductance liée à la présence de l'enroulement auxiliaire E4 à grand nombre de spires qui est peu couplé magné- tiquaement à l'enroulement El. Par ailleurs, la tension aux bornes de l'enroulement E4 est sensiblement égale à la tension aux bornes de l'enroule- ment El ou plus exactement égale & V[N4/(N4-N2)] (en rappelant que le nombre de spires N4 est nettement supérileur à N2). Ainsi, la tension Vsc est sensiblement égale & la tension V et non plus comme dans le circuit des figures 2A-2C sensiblement égale à (N+l)V (N-N2/N1 étant de l'ordre de 10). On a donc bien obtenu selon la présente invention une réduction notable de la tension Vsc aux bornes de 1 'élément supraconducteur en régime de défaut, sans modifier sensiblement le régime normal. Il en résulte qu'après apparition d'un défaut et rétablissement de l'état rnormal, l'élément suapronducteur pourra revenir rapidement à son état supronducteur et les pertes dans le système cryogénique associé à l'élément supra- conducteur seront nettement réduites. De plus, étant donrié que l'enroulement auxilitaire S3 ou E4 est parcouru par un courant iqportant seulement pendant la période de début de défaut, avant l'ouverture du coupe-circuit D, on pourra choisir u enraouemnt Muxi1ai re de section35 modeste. Un avantage supplémentaire de la présenta invention qui découle de la réduction de la tension aux bornes de 1 'élé- ment supraconducteur en régime de défaut est que les contraintes diélectriques qui s'appliqueront sur cet élément supraconduc- 5 teur, généralement réalisé sous forme d'un bobinage, seront bien moindres et donc que cet élément supraconducteur sera plus facile à concevoir. Dans le cadre du mode de réalisation de la figure 3A, on notera que le point milieu de l'enroulement secondaire ou de l'enroulement auxiliaire peut être connecté à la masse pour fixer les potentiels aux bornes de 1 'élément supracondbucteur et limiter les risques de claquage entre les bornes et l'erceinte cryogénique contenant 1'élément supraoenducteur. Diverses variantes de la présente invention apparal- tront à l'home de l'art. Notamment, on pourra utiliser des varistances en série ou en parallèle et employer orae matériau magnétique de couplage un matériau mugnrétiqument saturable. REVENDICATIONS 1. Limiteur de courant de ligne à transformateur et à élément supraconducteur, le primaire (El) du transformateur étant interposé sur une ligne à protéger, le secondaire (E2) du transformateur étant relié à l'élément supraconducteur (S) pour que, à courant de ligne normal, l'inductance équivalente du primaire soit très faible et que, à fort courant de ligne, 1'in- ductance équivalente du primaire soit forte, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un enroulement auxiliaire (23; E4) en parallèle sur l'élément supraconducteur, couplé magrntiquement à l'enroulement secondaire et à nombre de spires supérieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire. 2. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une varistance (Z) est placée en série avec l'enroulement auxiliaire. 3. Laim teur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le montage parallèle de l'enroulement auxiliaire (E3) et de 1 'élément supraconducteur (S) est connecté aux bornes de 1 'enroulement secondaire (E2). 4. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le montage parallèle de l'enroulement auxiliaire (E4) et de 1'élément supraconducteur (S) est connecté en série avec l'enroulement secondaire (E2), l'ensemble étant c-onnecté en parallèle sur l'enroulement primaire (El). 6. Limi teur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sont couples magrntiquement en opposition. 7. Limiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point milieu de l'enroulement secondaire est connrecté à la masse. 8. LimiLteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point milieu de l'enroulement auxiliaire est à la masse.