Brevet FR2730103A1 — publié le 19960802

LIMITICI DZ COURANT SUPRACONDUCTZ=R La présente invention est relative à un limiteur de courant supraconducteur utilisable dans un réseau à très haute tension, typiquement 225 kV. Le problème majeur rencontré dans la conception des limiteurs de courant supraconducteurs à haute tension est celui de la tenue diélectrique dans le milieu cryogénique. A ce jour, il n'a été proposé aucune solution permettant de réaliser un limiteur supraconducteur pouvant fonctionner aux niveaux de tension indiqués plus haut. L'idée de base qui préside à l'invention est de fractionner le cryostat et les bobines supraconductrices et de connecter électriquement les divers éléments de manière à répartir la tension, de sorte que chaque élément de l'ensemble du limiteur est soumis à une tension réduite. Dans le mode de réalisation proposé, il est prévu une structure permettant de réduire au minimal la quantité de fluide cryogénique utilisée pour le fonctionnement de l'appareil, ce qui réduit donc les dépenses liées au fonctionnement de l'appareil. L'invention a pour objet un limiteur de courant supraconducteur utilisable aux hautes et très hautes tensions, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre n d'ensembles reliés en série, chaque ensemble comprenant un enroulement supraconducteur fractionné en deux bobinages reliés électriquement en série et placés chacun dans un cryostat distinct, les cryostats étant mis au potentiel du point commun aux deux bobinages. D'autres caractéristiques et particularités de l'invention aparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en élévation d'un limiteur supraconducteur à deux ensembles en série, - la figure 2 est une vue partielle en élévation en coupe d'un ensemble, - la figure 3 est un élément à connecter en série avec un limiteur de l'invention. Dans la figure 1, on a représenté un limiteur comprenant n = 2 éléments El et E2 connectés en série et insérés dans une ligne à protéger L. Chaque élément comprend deux cryostats identiques, respectivement CR1, CR1' et CR2, CR2', enfermant chacun un bobinage R1, R1' et R2, R2' Les bobinages sont tous comparables géométriquement et électriquement. Les 2n bobinages sont de préférence réalisés conformément au bobinage décrit dans la demande de brevet français nO 94 12162 et comportent donc plusieurs conducteurs asociés en parallèle, bobinés chacun sur une seule couche, cette disposition évitant la présence de champ électrique en partie basse du cryostat. Les conducteurs utilisés sont dimensionnés comme il est indiqué dans la demande de brevet français nO 94 12 163, de sorte que le produit de leur résistance à l'état non supraconducteur R par leur courant de blocage Ib soit sensiblement égal à U/2n, U étant la tension crête de la ligne. De la sorte chacun des bobinages ne peut avoir à supporter qu'une tension inférieure ou égale à U/2n, que la transition soit totale ou localisée. Pour garantir la tenue diélectrique des cryostats, ceux-ci, dans chaque élément, sont portés à la tension du point commun aux deux bobinages qu'ils renferment. intermédiaire. De la sorte, la tension entre le cryostat et le bobinage correspondant est au plus égale à U/2n. Les cryostats sont placés sur des supports isolants S, par exemple en céramique, calculés pour supporter une tension égale à la moitié de la tension de la ligne. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de deux éléments tels que décrits ci-dessus; on pourrait envisager de constituer un limiteur avec trois ou davantage d'éléments. On peut aussi concevoir un limiteur avec un seul élément, et c'est cet exemple qui est maintenant décrit en référence à la figure 2. Dans cette figure, on n'a représenté que l'amorce du support isolant au sommet duquel sont placés les cryostats. Les condensateurs, facultatifs, n'ont pas été représentés. Les organes communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes références. Les organes homologues des deux cryostats ont reçu des numéros qui se différencient par le signe prime ('). Dans la suite, on ne décrira qu'un seul cryostat puisque l'autre est tout à fait identique. Chaque cryostat comprend deux portions tubulaires métalliques coaxiales 2, 2A entre lesquels règne le vide d'isolation. La base du tube extérieur 2 est conformée de manière à prendre appui sur un socle reposant sur les supports isolants S. Les cryostats sont reliés à par des prolongements à angle droit des tubes 2-2A, 2'-2'A constituant une jonction 3-3A permettant leur communication. Dans l'exemple décrit, la communication est réalisée à la partie inférieure des cryostats, mais cette réalisation préférentielle n'est nullement obligatoire. Les cryostats sont partiellement remplis d'un liquide cryogénique, tel que l'hélium liquide, jusqu'à un niveau 36. Le bobinage R1 est disposé dans un tube en verre époxy 4 dont le diamètre extérieur est voisin du diamètre intérieur du tube 2A; le diamètre intérieur du tube 4 est supérieur d'environ 1cm au diamètre extérieur du bobinage R1, de manière à ménager un canal de refroidissement pour la couche extérieure du bobinage Ri. A titre d'exemple, l'épaisseur du verre époxy est d'environ 50mm. La partie du tube en verre époxy 4 qui surmonte le cryostat 2-2A est munie d'ailettes isolantes 7 de préférence en élastomère. Une ferrure inférieure 8 permet la fixation, selon une technique connue, du tube 7 sur la bride supérieure 9 du cryostat 2-2A. Une ferrure supérieure 10 permet la fixation d'un couvercle métallique 11 équipé de soupapes de sécurité 12. On note que le tube en verre époxy 4 s'étend jusqu'au couvercle 11. Le courant de la ligne L est amenée par une barre 14 à une borne 15 comprenant une plaque métallique 16 surmontée d'un dôme métallique 17. De la plaque 16 part une descente de courant 19 placée à l'intérieur d'un tube 20. La descente de courant est reliée à l'extrémité supérieure du bobinage R1. L'extrémité basse du bobinage R1 est reliée par une jonction 22, supraconductrice ou non, à l'extrémité basse du bobinage R1', de sorte que les bobinages R1 et R1' sont connectés électriquement en série. Selon une caractéristique de l'invention, les cryostats 2-2A, 2'-2A' sont portés au potentiel du point commun aux bobinages R1 et R1' par une connexion 23. La différence de potentiel entre la bride 9 du cryostat et le ferrure 10 n'excédant pas U/2n, le nombre et les dimensions des ailettes 7 sont choisis pour obtenir la ligne de fuite requise pour ce niveau de tension. Le dôme 16 est relié à au moins un tuyau d'évacuation 25 des vapeurs d'hélium produites par les amenées de courant; ces vapeurs passent dans le tube 21 et pénètrent dans le dome par un trou dans la plaque 17. Les tuyaux 25 sont munis d'ailettes d'isolation; les tuyaux 25 et les tuyaux 25' de l'élément voisin sont reliés à un collecteur 30 relié à un liquéfacteur non représenté. Une canne 34, isolée thermiquement et portée au potentiel de la plaque 11, s'étendant verticalement dans le cryostat jusqu'au niveau 36 de l'hélium, et prolongée extérieurement au cryostat par un ou plusieurs éléments 37 isolés électriquement et thermiquement et décrits dans la demande de brevet français nO 93 06841, récupère les.vapeurs d'hélium au niveau du bain d'hélium et les envoie vers un réfrigérateur non représenté. Cette technique de fonctionement permet d'améliorer le bilan thermique du limiteur et ne nécessite pas l'utilisation de machines cryogéniques trop puissantes. Pour mettre le gaz hors champ électrique en régime de limitation, le tube en verre époxy 4 est recouvert extérieurement d'une métallisation 32, de la ferrure inférieure 8 jusqu'au bas du bobinage R1, et intérieurement d'une métallisation 33, s'étendant du couvercle 11 jusqu'au voisinage du haut du bobinage R1. La plaque 11 est surmontée d'une demi-sphère métallique 40 contenant le dôme 16 et la plaque 17. Cette forme est tout à fait bien adaptée à l'uniformisation du champ électrique. La demi-sphère 40 est percée de trous 41 permettant l'évacuation des vapeurs d'hélium produites en régime de limitation, et qui provoquent l'ouverture des soupapes 12. On note qu'à l'intérieur du tube époxy 4 sont disposés, de place en place, des écrans thermiques horizontaux 44 munis de parties 45 escamotables en régime de limitation. Une canne 50, décrite dans la demande de brevet français nO 93 06841, au potentiel des cryostats, assure l'alimentation en hélium liquide de ces derniers. L'ensemble qui vient d'être décrit en référence à la figure 2 permet de réaliser des limiteurs dans laquelle la tension maximale sur chaque bobinage est égale au quotient de la tension Un de la ligne par un nombre pair (2, 4, etc..). Dans certains cas d'application, il peut être intéressant de réaliser un limiteur dans lequel la tension maximale sur chaque bobinage est égale au quotient de la tension Un de la ligne par un nombre impair (3, 5, etc...). Pour réaliser un tele limiteur, on connectera en série un limiteur constitué par le nombre approprié d'ensembles du type décrit dans la Fig. 2 avec un élément de limiteur tel que décrit maintenant en préférence à la Fig.3. Ce dernier comprend un cryostat 2-2A avec un bobinage R1 identiques à ceux décrits en référence à la Fig. 2, à la partie gauche de celle-ci. La partie droite de la Fig. 2 est remplacée par une traversée décrite maintenant. La traversée comprend un cryostat avec deux parties coaxiales 60, 60A entre lesquelles règne le vide d'isolation. Ces parties sont reliées en partie basse au cryostat 2-2A par la jonction 3-3A. Le cryostat est fermé à sa partie supérieure par un couvercle 61. On note que le diamètre du cryostat 60-60A, qui ne contient pas de bobinage, est inférieur à celui du cryostat 2-2A. A l'intérieur du cryostat est disposé simplement, dans l'axe, une amenée de courant 62 constituée d'une pluralité de conducteurs supraconducteurs ou non, reliés à la jonction 22; l'amenée de courant se prolonge au-dessus du niveau 36 de l'hélium, par une portion en cuivre reliée extérieurement au cryostat à une prise 63. Un tube 65 s'étendant depuis le voisinage du niveau d'hélium jusqu'à l'extérieur du cryostat permet de recueillir les vapeurs d'hélium produites par l'amenée de courant. Ce tube est relié par un conduit isolé 67 au collecteur 30. Un autre conduit 68, relié au conduit 67, permet de recueillir les vapeurs d'hélium du cryostat. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais elle 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/ Limiteur de courant supraconducteur utilisable aux hautes et très hautes tensions, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre n d'ensembles reliés en série, chaque ensemble comprenant un enroulement supraconducteur fractionné en deux bobinages (R1, R1') reliés en série et placés chacune dans un cryostat distinct (CR1, CR1'), les cryostats étant mis au potentiel du point commun aux deux bobinages. 2/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacun des cryostats comprend deux tubes métalliques coaxiaux (2-2A, 2'-2A') entre lesquels règne le vide, les tubes étant reliés deux à deux à leur base de manière à constituer une jonction communicante (3-3A) entre les cryostats, les cryostats étant remplis d'hélium liquide. 3/ Limiteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque cryostat comprend un tube époxy (4, 4') dont le diamètre extérieur est voisin du tube métallique intérieur (2A, 2A') du cryostat et contenant l'un des bobinages (R1, R1'). 4/ Limiteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un espace est laissé libre entre la paroi intérieur du tube époxy (4, 4') et le bobinage (R1, R1') qui y est contenu. 5/ Limiteur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les bobinages (R1, R1') sont mis en série par une liaison (22) disposée dans la jonction communicante (3-3A). 6/ Limiteur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les cryostats (2-2A, 2'-2A') sont mis au potentiel du point commun aux bobinages (R1, R1') par une connexion électrique (23) disposée dans la jonction (3-3A). 7/ Limiteur selon l'une des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le tube époxy (4, 4') se prolonge audessus de la bride supérieure (9, 9') du cryostat sur une distance suffisante pour assurer la tenue diélectrique. 8/ Limiteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la portion de tube époxy (4, 4') surmontant la bride (9, 9') du cryostat est munie d'ailettes (7, 7'). 9/ Limiteur selon l'une des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que le tube époxy (4, 4') est revêtu d'une métallisation extérieure (32, 32') s'étendant du bas du cryostat à la bride supérieure (9, 9') du cryostat, et d'une métallisation intérieure (33, 33') s'étendant du sommet du tube époxy (4, 4') jusqu'au voisinage du niveau d'hélium liquide (36, 36'). 10/ Limiteur selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le tube époxy (4, 4') contient des écrans thermiques (44, 44') disposés horizontalement de place en place et munis de parties (45, 45') escamotables en régime de limitation. 11/ Limiteur selon l'une des revendications 3 à 10, caractérisé en ce que le tube époxy (4, 4') est fermé à sa partie supérieure par un couvercle (11, 11') muni de soupapes (12, 12'). 12/ Limiteur selon l'une des revendications 3 à 11, caractérisé en ce que le courant est amené au bobinage (R1, R1') par une descente de courant (19, 19') disposée dans un tube d'amenée (21, 21') coaxial au tube époxy (4, 4'). 13/ Limiteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la descente de courant (19, 19') est reliée à la ligne (L) par un conducteur (14, 14') et une borne (15, 15') comprenant une plaque (17, 17') placée au sommet du tube d'amenée (21, 21') et entourée d'un dome métallique (16, 16'). 14/ Limiteur selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'intérieur du dome est relié, par un tuyau (25, 25') à un collecteur (30) relié à un liquéfacteur. 15/ Limiteur selon l'une des revendications 2 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une canne (34, 34') de récupération des vapeurs d'hélium, dont une extrémité est placée au-dessus du niveau de l'hélium liquide et dont l'autre extrémité est reliée par une tuyauterie (37, 37') à un réfrigérateur. 16/ Limiteur selon l'une des revendications 5 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend une canne d'alimentation en hélium (50). 17/ Limiteur selon l'une des revendications 11 à 16, caractérisé en ce que le couvercle (11, 11') est surmonté d'une demi-sphère métallique (40, 40') percée de trous (41, 41'). 18/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, relié en série, un élément comprenant un premier cryostat (2-2A) dans lequel est placé un bobinage (R1) dont une première extrémité est reliée à une descente de courant 19, l'autre extrémité du bobinage étant reliée à une amenée de courant. 19/ Limiteur selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'amenée de courant comprend un conducteur (62) placé à l'intérieur d'un second cryostat (60-60A) de diamètre inférieur à celui du premier cryostat (2-2A), ledit second cryostat étant relié cryogéniquement au premier cryostat par une jonction (3-3A).