Brevet FR2725827A1 — publié le 19960419

BOBINAGE SUPRACONDUCTEUR A HAUTE TENSION ET COURANT ELEVE, ET LIMITEUR DE COURANT MUNI D'UN TEL BOBINAGE La présente invention est relative à un bobinage supraconducteur pouvant être utilisé dans des applications électrotechniques à haute tension et courant élevé, notamment pour l'équipement d'un limiteur de courant supraconducteur à haute tension et courant de valeur élevée. Il est possible de réaliser par exemple, avec un bobinage selon l'invention, un limiteur de courant pour une ligne à 225 kV et courant nominal de 3 à 5 kA et limitation à 12 kA. Pour résoudre le problème posé par la nécessité de faire passer un courant alternatif élevé dans un bobinage supraconducteur, on est tenté d'utiliser un conducteur assemblé à partir d'un grand nombre de brins, ce qui permet de respecter les valeurs limites imposées à la densité de courant pour la conservation de l'état supraconducteur; un tel conducteur pose un certain nombre de difficultés: - sa forte épaisseur nuit à l'évacuation de ses pertes; - la répartition du courant entre les brins peut ête perturbée par des défauts de réalisation mineurs, avec pour conséquence une capacité de transport réduite; - la largeur importante du conducteur fait que sa disposition en une seule couche bobinée présente un encombrement excessif; on est alors amené à disposer la longueur voulue de conducteur en plusieurs couches bobinées, associées en série. Un tel bobinage a été mentionné notamment dans la demande de brevet français nO 92 13 317 qui décrit un bobinage supraconducteur pour applications à moyenne et haute tension et comprenant une pluralité de bobines cylindriques disposées coaxialement, reliées électriquement en série, et comportant chacune deux enroulements en matériau supraconducteur, reliés électriquement en parallèle et bobinés en sens inverse. Un tel bobinage convient moins bien pour une application à très haute tension, car les contraintes diélectriques imposées par le champ électrique radial conduiraient à des diamètres de bobines très importants, de sorte que le limiteur de courant réalisé avec un tel bobinage aurait une taille démesurée. Pour résoudre le problème, le Demandeur propose un bobinage réalisé en plusieurs couches disposées en parallèle d'un conducteur de dimensions et capacité de transport réduite; ainsi se trouvent simplifiés les problèmes de refroidissement, encombrement et tenue diélectrique; mais un autre problème se présente qui est celui d'obtenir que le courant se répartisse régulièrement entre les diverses couches et qu'en aucune circonstance, une couche ne vienne à être traversée par un courant excessif qui pourrait provoquer une transition accidentelle. Ce problème est résolu par le conducteur de l'invention tel que défini ci-après. L'invention a pour objet un bobinage supraconducteur pour applications électrotechniques à haute tension et courants élevés, comprenant un nombre donné p de bobines comprenant chacune un mandrin isolant et un conducteur supraconducteur comprenant un nombre donné ni de spires bobinées autour de ce mandrin, les mandrins, disposés coaxialement, ayant des hauteurs égales et même plan de symétrie transversal, caractérisé en ce que les nombres ni de spires des bobines sont choisis pour que la relation ciaDrès soit vérifiée, à 5% près: dans laquelle: Cij est la matrice inverse de la matrice Mij, où Mij représente l'inductance mutuelle entre une bobine i et une bobine j qui est égale à ni.nj.hij, ij étant un facteur géométrique. De préférence, la bobine de plus petit diamètre est bobinée en sens inverse de celui de la bobine adjacente. Avantageusement, à partir de la deuxième bobine en partant du centre, les bobines constituent des groupes de deux bobines bobinées en sens inverse de celui du groupe de deux bobines adjacent. Dans un mode préféré de réalisation, les mandrins sont reliés entre eux par un premier et un second flasques permettant de mettre hors champ électrique les connexions en parallèle des bobines. L'invention a également pour objet un limiteur de courant supraconducteur caractérisé en ce qu'il comprend un bobinage tel que défini ci-dessus. Le limiteur comprend une cuve métallique contenant un fluide cryogénique et à l'intérieur de laquelle est placé le bobinage, une enveloppe entourant la cuve, le vide étant pratiqué dans le volume situé entre la cuve et l'enveloppe, un premier conducteur relié d'une part à un premier câble de sortie et d'autre part, par leur partie supérieure, aux différentes bobines constituant le bobinage, et un second conducteur, disposé coaxialement au premier conducteur et relié d'une part à un second câble de sortie, et d'autre part, par leur partie inférieure, aux différentes bobines constituant le bobinage. De préférence, le premier conducteur est constitué d'une pluralité de tiges conductrices ou de conducteurs assemblés, disposés au sein de la paroi d'un tube isolant. De même, le second conducteur est constitué d'une pluralité de tiges conductrices ou conducteurs assemblés, disposés au sein de la paroi d'un tube en matériau isolant. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe est en matériau isolant. En variante, l'enveloppe est en métal et repose sur un support isolant. L'invention est expliquée maintenant en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un bobinage supraconducteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique simplifiée en coupe axiale d'un limiteur supraconducteur équipé d'un bobinage supraconducteur selon l'invention. Dans la figure 1, on distingue des mandrins Ti en matériau isolant, ayant même hauteur et même axe xx, et ayant des diamètres allant croissant depuis le mandrin T1 de plus petit diamètre jusqu'au mandrin Tp de plus grand diamètre. Le nombre p des mandrins est supérieur à 2. Les mandrins sont disposé de manière à avoir même plan de symétrie transversal; les mandrins sont maintenus entre eux par deux flasques d'extrémité F1 et F2. Le flasque d'extrémité supérieur F1 est une pièce isolante, par exemple en verre époxy, recouverte d'une couche PC1 de peinture conductrice. Ce flasque est relié, par l'intermédiaire d'une pièce métallique conique PR (ou, en variante, d'une pièce isolante recouverte de peinture métallique), à la métallisation extérieure ME recouvrant le tube isolant 7 de l'amenée de courant centrale AC. Ce tube isolant est réalisé par exemple en verre époxy. La métallisation ME et la pièce PR sont portés au même potentiel que celui de la paroi interne du cryostat dans lequel est placé le bobinage; ce potentiel est par exemple celui de la terre. Les connexions en parallèle des bobines aux amenées extérieures 4 se trouvent aisi hors champ électrique. Le flasque d'extrémité inférieur F2 est une pièce isolante, par exemple en verre époxy; la pièce est de préférence creuse et recouverte extérieurement d'une peinture conductrice PC connectée à la métallisation interne MI, portée par exemple à la haute tension, qui recouvre l'intérieur du tube isolant 7 de l'amenée de courant centrale AC. La connexion entre les extrémités des bobines et les conducteurs 8 de l'amenée de courant centrale AC sont effectuées à l'intérieur de la traversée F2. Ces connexions se trouvent hors champ électrique. Le flasque F2, qui se trouve par rapport à la paroi intérieure du cryostat porté à la haute tension a une forme optimisée pour que le champ électrique entre ledit flasque et ladite paroi intérieure soit compatible avec les coefficients de tension requis pour le niveau de tension imposé. Le champ électrique qui s'étend axialement entre les flasques F1 et F2 ne crée pas dans ce sens de contraintes diélectriques rhédibitoires dans le fluide cryogénique qui, par exemple, est de l'hélium liquide. Les champs électriques radiaux qui sont localisés dans la partie inférieure de la bobine et dont la valeur est supérieure au champ axial sont supportés par une isolation solide constituée par l'amenée centrale et les mandrins des bobines. Les gradients ne créent pas de contraintes diélectriques rhédibitoires pour lesdites isolations solides. Les bobines peuvent être espacées régulièrement, l'espace entre deux bobines pouvant être constant et limité, dans la plupart des applications envisagées à une dizaine de mm. Ces avantages sont obtenus à condition que l'équilibre du courant entre les diverses bobines soit respecté. Selon l'invention, cet équilibre est obtenu en donnant des valeurs différentes d'une bobine à l'autre du nombre de spires et de la longueur du conducteur dans une bobine et en tenant compte des considérations ci-après. On désigne par [Mij] la matrice des inductances mutuelles entre les différentes bobines. Cette matrice dépend du nombre de spires ni de chaque bobine selon l'expression: [Mij] = [ni.nj.ij], expression dans laquelle Xij est un facteur géométrique calculable. Une même tension alternative U est appliquée aux bornes de l'ensemble des bobines dont la valeur ohmique de la résistance est négligeable à l'état passant du conducteur: on a donc: quel que soit i, Ij désignant le courant dans la bobine Bj. Si on pose [Cij] = [Mij] -1 , il vient: La condition ci-dessus d'équilibre des courants peut s'exprimer en disant que la quantité est sensiblement égale que soit j. Cette condition permet d'équilibrer les courants avec une approximation suffisante. D'une façon plus générale, pour le cas d'utilisation de conducteurs de capacités de transport différentes, on pourra choisir les nombres de spires ni, nj de façon que les quantités soient proportionnelles aux courants que l'on souhaite faire passer dans les différentes couches 3. Le calcul du nombre de spires de chaque bobine et du diamètre de chaque bobine peut être effectué en déterminant tout d'abord le type et le nombre de conducteurs associés en parallèle de manière à respecter une densité maximale de courant à l'état passant. On part de valeurs données pour le diamètre du mandrin intérieur et le nombre de spires de la première bobine et on se fixe une valeur par exemple constante pour l'augmentation de diamètre successif des mandrins. L'application de la formule mentionnée plus haut permet de trouver au moins une solution fournissant le nombre des spires des diverses bobines. Pour l'application du bobinage de l'invention à un limiteur de courant, il existe des solutions telles que les signes de ni soient alternées, c'est-à-dire que les sens de rotation soient alternés, ce qui permet de minimiser l'inductance du limiteur et le champ magnétique appliqué aux conducteurs. Cette disposition conduit aussi à un équilibrage plus stable et plus facile des courants. Un exemple de réalisation est indiqué ci-après, pour un limiteur de courant monophasé avec un conducteur capable de transporter un courant pouvant atteindre 5 kA avant transition, opérant une limitation sous une tension égale à 36 kV entre phase et terre. Le conducteur possède une section de 14 mm2 avec une proportion en section de 7% de niobium titane dans une matrice de cupro-nickel, comme il est décrit dans la demande de brevet déposé le même jour que la présente demande, au nom de GEC ALSTHOM ELECTROMECANIQUE S.A. Le bobinage comprend 12 bobines élémentaires ayant toutes une hauteur de 1 m, avec en outre les caractéristiques ci-après, les signe + et - dans la troisième colonne indiquant que l'enroulement est fait dans un sens ou dans l'autre. Bobine n Diamètre (mm) Nombre de Longueur du tours conducteur (m) 252 + 504 399 2 282 -444 393 3 312 -428 420 4 342 +408 438 5 372 + 392 458 6 402 -376 475 7 432 -364 494 8 462 + 348 505 9 492 +340 526 10 522 -332 544 il 552 -320 555 12 582 + 316 578 Le bobinage de l'invention se prête à la réalisation d'un limiteur supraconducteur à haute tension et fort courant. Un tel limiteur est représenté dans la figure 1. On distingue le bobinage 1, réalisé comme indiqué en référence à la figure 1, placé à l'intérieur d'une cuve métallique 2 fermée par un couvercle 4 et partiellement rempli de fluide cryogénique tel que l'hélium liquide. Le bobinage est alimenté côté basse tension par un premier conducteur électrique 5, constitué de tiges métalliques (en variante de conducteurs assemblés) en paralèle disposées au sein de la paroi d'un tube isolant SA, par exemple en verre époxy; ces tiges métalliques (en variante des conducteurs assemblés) sont reliées d'une part aux différentes bobines constituant le bobinage 1 et d'autre part, par le couvercle 4, à un câble de sortie 6. Le bobinage est alimenté côté haute tension par l'amenée de courant centrale mentionnée précédemment qui comprend un conducteur 8, coaxial au conducteur 5, et placé au sein de la paroi d'un tube isolant 7.L'amenée de courant centrale traverse le couvercle 4. Elle est protégée diélectriquement par une traversée haute tension 9 munie d'ailettes. L'espace 10 entre l'amenée de courant centrale et la traversée 9 est rempli d'un fluide isolant (huile, azote gazeux, etc...) L'isolement sur la partie supérieure 12 de l'amenée de courant centrale permet de tenir la tension. Deux anneaux métalliques 13 améliorent la tenue diélectrique de la partie 12 de l'amenée de courant centrale. Le conducteur 8 est constitué de tiges métalliques (en variante de conducteurs assemblés) en parallèle. Le conducteur 8 est relié, d'une part, aux différentes bobines constituant le bobinage 1 et, d'autre part, à un câble 11. Le nombre de tiges (en variante de conducteurs assemblés) constituant les conducteurs 5 et 8 est au moins égal au nombre de bobines constituant le bobinage 1, ou à un multiple de ce nombre. Une boîte 19 en matériau isolant par exemple en verre époxy, est disposée autour du bobinage 1; elle joue le rôle d'écran protecteur vis-à-vis de la cuve métallique en cas de claquage dans l'hélium. Des écrans thermiques 20 sont disposés régulièrement le long de l'amenée de courant centrale. Les écrans sont équipés de clapets 21 qui s'ouvrent lors de la transition du limiteur, pour permettre au gaz résultant de la vaporisation de l'hélium liquide d'être évacués rapidement par les tubulures 17 et 18. On note que le remplissage de la cuve est effectué à travers une tubulure 16 reliée à une canne de transfert haute tension comme celle décrite dans la demande de brevet français nO 93 06841. La cuve est entourée d'une enveloppe extérieure isolante 14 et le vide est maintenu dans l'espace 15 entre la cuve 1 et l'enveloppe 14. Dans une variante de réalisation non représentée, l'enveloppe extérieure est en métal. L'ensemble est alors placé au sommet d'une colonne isolante. L'utilisation dans un limiteur de courant du bobinage multicouche parallèle décrit plus haut permet d'utiliser au mieux le volume disponible, et de disposer une longueur suffisante de conducteur sur chaque couche, ce qui est très favorable du point de vue de la tenue diélectrique du bobinage, la chute de potentiel étant répartie axialement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais ele est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'invention. En particulier, on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Bobinage supraconducteur pour applications électrotechniques à haute tension et courants élevés, comprenant un nombre donné p de bobines comprenant chacune un mandrin (Ti) isolant et un conducteur (Ci) supraconducteur comprenant un nombre donné ni de spires bobinées autour de ce mandrin, les mandrins étant disposés coaxialement et ayant des hauteurs égales et même plan de symétrie transversal, caractérisé en ce que les nombres ni de spires des bobines sont choisis pour que la relation ciaprès soit vérifiée, à 5% près: dans laquelle: Cij est la matrice inverse de la matrice Mij, où Mij représente l'inductance mutuelle entre une bobine i et une bobine j qui est égale à ni.nj.hij, ij étant un facteur géométrique. 2/ Bobinage supraconducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la bobine de plus petit diamètre est bobinée en sens inverse de celui de la bobine adjacente. 3/ Bobinage selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'à partir de la deuxième bobine en partant du centre, les bobines constituent des groupes de deux bobines bobinées en sens inverse de celui du groupe de deux bobines adjacent. 4/ Bobinage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les mandrins sont reliés entre eux par un premier (F1) et un second (F2) flasques permettant de mettre hors champ électrique les connexions en parallèle des bobines. 5/ Limiteur de courant supraconducteur caractérisé en ce qu'il comprend un bobinage selon l'une des revendications 1 à 4. 6/ Limiteur de courant selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve métallique (2) contenant un fluide cryogénique et à l'intérieur de laquelle est placé le bobinage (1), une enveloppe (14) entourant la cuve, le vide étant pratiqué dans le volume (15) situé entre la cuve et l'enveloppe, un premier conducteur (5) relié d'une part à un premier (6) câble de sortie et d'autre part, par leur partie supérieure aux différentes bobines (B1, B2, ..., Bp) constituant le bobinage, et un second conducteur (8), disposé coaxialement au premier conducteur et relié d'une part à un second (18) câble de sortie, et d'autre part, par leur partie inférieure, aux différentes bobines (B1, B2,...,Bp)constituant le bobinage. 7/ Limiteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier conducteur (5) est constitué d'une pluralité de tiges conductrices ou de conducteurs assemblés, disposés au sein de la paroi d'un tube isolant (SA). 8/ Limiteur selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le second conducteur (8) est constitué d'une pluralité de tiges conductrices ou conducteurs assemblés (7), disposés au sein de la paroi d'un tube (7) en matériau isolant. 9/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que l'enveloppe (14) est en matériau isolant. 10/ Limiteur de courant selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que l'enveloppe est en métal et repose sur un support isolant.