Brevet FR2714230A1 — publié le 19950623

LIMITEUR DE COURANT À TENSION LIMITE AUX BORNES D'UN ÉLÉMENT SUPRACONDUCTEUR La présente invention concerne des limiteurs de courant inductifs à transformateur dans lesquels l'état du secondaire du transformateur est modifié en fonction de l'état d'un élément supraconducteur connecté à oet enroulement secondaire. 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). Des exemples de limiteurs de courant auxquels s'applique l'invention sont illustrés en figures 1 à 3. En figure 1, l'enroulement primaire El d'un transformateur est connecté en série dans une ligne 1 sur laquelle on veut éviter les surintensités. L'enroulement secondaire E2 est connecté à un élément supraconducteur S. De façon connue, à faible coursant, en régime normal, l'élément supraconducteur S se comporte commue un court-circuit et 1' inductanoe apparente de l'enroulement primaire est très faible et n'affecte pas le courant dans la ligne. En régime de défaut, quand il apparait une surintensité sur la ligne, l'élément supraconducteur S transite à un état conducteur résistif et I'inductance apparente de 1 'enroulement primaire sur la ligne correspond sensiblement à la valeur de l'inductance propre de cet enroulement d'où il résulte une limitation du courant de ligne. Dans le cas de la figure 2, outre les éléments prévus en figure 1, est ajouté un enroulement auxiliaire E3 en parallèle sur 1 'enroulement secondaire E2 et l'élément supraconducteur S. Le fonctionnement de oe circuit est similaire à celui de la figure 1 mais permet une limitation de la tension aux bornes de l'élément supraconducteur en cas de défaut. En figure 3, 1' élément supraconducteur S est connecté en série avec l'enroulement secondaire E2. L'enroulement primaire est en parallèle sur la connexion série de l'enroulement secondaire et de l'élément supraconducteur. Le fonctionnement des circuits des figures 2 et 3 est décrit dans une demande de brevet déposée le même jour par la demanderesse. Dans le cadre de la présente demande, il suffit de noter que les circuits des figures 2 et 3 permettent, comme le circuit de la figure 1, d'obtenir que l'enroulement primaire ait une inductance équivalente sensiblement nulle en régime normal et une inductance équivalente élevée en cas de surintensité sur la ligne. Dans les trois cas, une tension non-négligeable, sensiblement égale à la tension de ligne multipliée par le rapport de transformation, apparait aux bornes de l'élément supraconducteur S en cas de défaut. L'élément supraconducteur résistif est en pratique constitué à partir de fils supraconducteurs de grande longueur bobinés sur un ou plusieurs mandrins. Pour que l'élément supraconducteur ait une inductance sensiblement nulle, on prévoit des bobinages série ou parallèle en sens inverse avec des sens d'enroulement adaptés. Les systèmes des figures 1 à 3 présentent les inconvénients suivants liés à la présence d'une tension relativement élevée aux bornes de l'élément supraconducteur en régime de défaut - il apparait des contraintes diélectriques importantes entre enroulements qui obligent à prévoir des dimensionnements particuliers pour éviter des claquages - le bobinage supraconducteur étant nécessairement de relativement grande longueur, la oompensation d' inductanoe par utilisation de bobinages en sens opposé ne peut être parfaite et il subsiste une inductance résiduelle non négligeable qui contribue à l'échauffement de l'élément supraconducteur en régime de défaut - cette grande longueur de bobinage supraconducteur rend difficile une transition brutale de l'élément supraconduc- teur ; dans un premier temps, seule une partie de cet élément risque de devenir résistive et il peut en résulter des échauffements localisés néfastes - il faut prévoir des moyens d'isolement sérieux entre l'élément supraconducteur et le cryostat dans lequel il est disposé - l'élément supraconducteur a des dimensions importantes et est éventuellement difficile à loger dans un cryostat. Un objet de la présente invention est de prévoir un limiteur de courant à supraconducteur dans lequel un supraconducteur résistif est en parallèle sur un enroulement permettant d 'éviter certains ou tous les inconvénients susmentionnés. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit un limiteur de courant oomprenant un enroulement inductif associé à un élément supraconducteur. L'enroulement et l'élément supraconducteur sont divisés en une pluralité d'enroulements et une pluralité d'éléments supraconducteurs élémentaires. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque élément supraconducteur élémentaire est en parallèle avec un secondaire élémentaire de transformateur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque élément supraconducteur élémentaire est en parallèle avec un enroulement secondaire élémentaire et un enroulement auxiliaire élémentaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque élément supraconducteur élémentaire est en série avec un enroulement secondaire élémentaire, l'ensemble étant en parallèle sur un enroulement primaire. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les points milieu des enroulements secondaires ou, le cas échéant, des enroulements auxiliaires sont connectés 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 1 à 3 représentent trois exemples de limiteurs de courant inductifs connus à transformateur et élément supraconducteur la figure 4 représente un premier mode de réalisation de la présente invention la figure 5 représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention la figure 6 représente un troisième mode de réalisation de la présente invention la figure 7A représente une réalisation classique d'un élément supraconducteur résistif ; et la figure 7B représente une division en deux de 1 'élé- ment supraconducteur de la figure 7A. La présente invention s'adapte à chacun des limiteurs représentés en figures 1 à 3 et plus généralement à tout limiteur à inductance et élément supraconducteur résistif dans lequel l'élément supraconducteur est connecté aux bornes d'une inductance. De façon générale, la présente invention prévoit de diviser l'élément supraconducteur et l'enroulement auquel il est connecté en un nombre X de composants élémentaires. La figure 4 représente une application de la présente invention à un circuit du type de celui de la figure 1. L'enroulement primaire El n'est pas modifié et l'enroulement secondaire E2 est divisé en x enroulements E21 à E2x, x étant un nombre entier, normalement compris entre 2 et 10. De même, 1' élément supraconducteur S est divisé en x éléments supraconducteurs élémentaires S1 à Sx dont chacun est connecté aux bornes d'un enroulement secondaire élémentaire. Ainsi, en cas de défaut, au lieu de retrouver sur un enroulement seoondaire unique une tension correspondant à la tension sur le primaire multiplié par le rapport de transformation N correspondant au rapport entre le nombre de spires, N2, de 1'enroulement secondaire et le nombre de spires, N1, de l'enroulement primaire, cette tension est divisée par le nombre d'éléments, c'est-à-dire est égale à NV/x. Il en résulte que chacun des éléments supraoonducteurs S1 à Sx devra supporter une tension maximale x fois plus faible en régime permanent et en régime de défaut et sera donc plus facile à fabriquer. Les différents éléments supraconducteurs élémentaires pourront être placés dans des cryostats distincts ou dans un même cryostat. Dans oe dernier cas, leur arrangement sera plus simple à réaliser et on augmente les possibilités de choix des rapports longueur/diamètre des éléments supraconducteurs. On peut ainsi choisir des configurations qui réduisent les oontraintes diélectriques entre spires. De même, les oontraintes d'isolement entre les éléments supraconducteurs et le ou les cryostats seront réduites. De préférence, chacun des enroulements secondaires élémentaires E2l à E2x a l'un de ses points, de préférence son point milieu, connecté à un potentiel de référence, de préférence la masse. Les figures 5 et 6 représentent respectivement 1' adap- tation de la présente invention aux circuits des figures 2 et 3. Dans le mode de réalisation de la figure 5, 1 'enrou- lement auxiliaire E3 sera également divisé en x enroulements auxiliaires élémentaires E31 à E3x. On retrouve dans ce cas exactement les mêmes avantages qu'en figure 4. Dans le mode de réalisation de la figure 6, l'enroulement secondaire E2 est divisé en x enroulements E21 à E2x, chaque enroulement secondaire élémentaire étant en série avec un élément supraconducteur élémentaire. Ainsi, en régime de défaut, la tension aux bornes de chaque élément supraconducteur est V(l+(N2/xNl)) au lieu de v(l+(N2/Nl)J dans le cas du montage de la figure 3. La figure 7A représente un mode de réalisation usuel d'un élément supraconducteur. Celui-ci est constitué de deux bobinages S1 et S2 connectés en parallèle et en sens opposé pour que 1'inductance d' ensemble soit nulle. Quand on effectue une division en deux éléments telle que représentée en figure 7B, on obtient les avantages énonoés préoédertrnent mais on obtient aussi l'avantage supplémentaire d'une réduction de 1' inductance résiduelle de l'élément supraconducteur. En effet, cette inductance résiduelle est proportionnelle au carré du nombre de spires. Si on divise par 2 le nombre de spires de chaque élément supraconducteur, l'inductance résiduelle de chaque élément sera divisée par 4 et l'inductance de l'ensemble des deux éléments sera divisée par 2. Cette réduction d' inductance résiduelle est également importante car elle contribuait dans les montages des circuits des figures 1 à 3 à l'échauffement de l'élément supraconducteur en régime de défaut. De plus, le fait que les éléments supraconducteurs soient plus petits favorise une extension rapide des zones de transition apparaissant sur chaque élément. Diverses variantes de la présente invention apparaitront à l'hortrne de l'art. Notamnent, il pourra utiliser des varistances en série ou en parallèle et employer comme matériau magnétique de couplage un matériau magnétiquement saturable. REVENDICATIONS 1. Limiteur de courant oomprenant un enroulement inductif associé à un élément supraconducteur, caractérisé en ce que ledit enroulement (E2 ; E2, E3) et ledit élément supraconducteur (S) sont divisés en une pluralité d'enroulements et une pluralité d'éléments supraconducteurs élémentaires. 2. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément supraconducteur élémentaire (S1 à Sx) est en parallèle avec un secondaire élémentaire (E21 à E2x) de transformateur. 3. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément supraconducteur élémentaire (S1 à Sx) est en parallèle avec un enroulement secondaire élémentaire (E21 à E2x) et un enroulement auxiliaire élémentaire (E31 à E3x). 4. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque élément supraconducteur élémentaire (S1 à Sx) est en série avec un enroulement secondaire élémentaire ( E2 l à E2x), l'ensemble étant en parallèle sur un enroulement primaire (El). 5. Limiteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les points milieu des enroulements secondaires sont connectés à la masse. 6. Limiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les points milieu des enroulements auxiliaires sont connectés à la masse.