Brevet FR2723247A1 — publié le 19960202

LIMITEUR DE COURANT INDUCTIF AVEC SUPRACONDUCTEUR A HAUTE TEMPERATURE CRITIQUE La présente invention concerne un limiteur de courant de type inductif. Dans la demande de brevet français n90 11383, le Demandeur a décrit un limiteur de courant à écrans magnétiques à supraconducteur à haute température critique avec un circuit magnétique à trois branches. Dans le rapport "Test results for laboratory scale inductive high Tc superconductivity fault current limiters", Conference MT 13, Victoria, Canada, september 1993, les auteurs ont montré le résultat obtenu avec un tube supraconducteur en Bi2212 dans l'azote liquide. Les derniers résultats sur les films supraconducteurs de type BiSrCaCuO ayant des dépôts couche atomique par couche atomique ont montré des températures critiques élevées assez voisines de la température ambiante (Cf Revue "Pour la Science", n'194, 12/1993). Le point faible de ces limiteurs inductifs à haute température critique, par rapport aux limiteurs à supraconducteurs à basse température critique tel que le niobium-titane NbTi, est leur chute inductive de tension relativement élevée aux bornes du limiteur en régime normal, qui se situe par exemple entre 3 et 4 % de la tension phaseterre. Cette chute inductive est due à l'inductance propre de la bobine en cuivre entourant l'écran magnétique à haute température critique (en abrégé dans la suite: HTc). Un but de la présente invention est de définir un limiteur du type précité dans lequel l'inductance de la bobine en régime permanent est réduite, tout en assurant une inductance suffisante lors de la transition de l'état supraconducteur à l'état normal. L'invention a pour objet un limiteur tel que défini dans les revendications. Un exemple de réalisation de l'invention est présenté maintenant, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en élévation en coupe partielle d'une phase d'un limiteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en élévation en coupe partielle d'une phase d'un limiteur selon un second mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 est une vue partielle d'une partie de la figue 2 selon une variante. Dans ce qui suit, on décrira une phase d'un limiteur, étant bien entendu qu'un limiteur triphasé comportera trois limiteurs de phases identiques, disposés chacun en série avec l'un des fils de la ligne à protéger. Dans la figure 1, la référence 1 désigne un cryostat rempli de fluide de refroidissement tel que l'azote liquide à une température voisine de 80 K. L'isolation thermique du cryostat, qui ne fait pas partie de l'invention et qui n' a pas été représentée, peut être réalisée classiquement, soit par un espace sous vide (technique Dewar), soit par une isolation solide. A l'intérieur du cryostat est placé un circuit magnétique rectangulaire désigné globalement par la référence 2, comprenant quatre branches 2A à 2D et qui sera décrit plus en détail dans la suite. Ce circuit magnétique repose à l'intérieur du cryostat par des moyens bien connus non représentés. Autour du circuit magnétique est placé un bobinage, désigné globalement par la référence 30, et constitué d'une pluralité de bobines élémentaires 3 entourant deux branches opposées du circuit magnétique; dans l'exemple de la Fig. 1, il y a quatre bobines élémentaires sur la branche 2A et quatre bobines élémentaires sur la branche 2C. Les bobines élémentaires sont toutes identiques et isolées par des carcasses isolantes 14. Les bobines élémentaires 3 sont reliées électriquement en série. Le limiteur est connecté en série sur une phase LL' de la ligne à protéger, entre deux points P et Q; le courant est amené en A à la première bobine élémentaire du bobinage par une première traversée isolante 8 et repart à l'extrémité B de la dernière bobine élémentaire par une seconde traversée isolante 9. Les bobines élémentaires sont séparées du circuit magnétique par un revêtement 5 en matériau supraconducteur à haute température critique tel qu'une céramique du type BiSrCACuO, qui présente l'état supraconducteur à la température de l'azote liquide, soit 77 K environ. Selon la principale caractéristique de la présente invention, les bobines élémentaires sont également séparées entre elles par des disques 6 réalisés yuans le même matériau supraconducteur. Le revêtement supraconducteur 5 et les disques supraconducteurs 6 sont réalisés par exemple à l'aide de filmS superposés en nombre suffisant pour atteindre l'épaisseur désirée. En fonctionnement normal, le courant nominal d'intensité In traverse les huit bobines 3. Grâce à l'écran magnétique créé par la couche 5 et les disques 6, le flux magnétique créé par chaque bobine élémentaire est confiné et ne pénètre ni à l'intérieur du circuit magnétique, ni à l'intérieur des bobines élémentaires adjacentes. L'inductance totale permanente du bobinage constitué par les bobines élémentaires 3 est alors égal à huit fois l'inductance de la bobine élémentaire. Sans la présence des disques 6, il serait égale à environ 64 fois l'inductance élémentaire. L'inductance totale permanente pourra être fixée à une valeur donnant une valeur acceptable de la chute inductive aux bornes du limiteur, par exemple 1% de la tension phaseterre. En cas de court-circuit, les flux magnétiques créés par les bobines élémentaires augmentent rapidement, vainquent la répulsion magnétique de la couche 5 et des écrans 6 et pénètrent dans le circuit magnétique 2. La circulation de ces flux magnétiques dans le circuit magnétique 4, à travers toutes les bobines élémentaires 3, fait croître rapidement l'inductance du limiteur. Ceci permet de réduire fortement le courant de court-circuit dans un rapport au moins égal à 2. I1 suffit en effet d'augmenter l'inductance totale permanente de l'ordre de 7 fois pour réduire le courant de court-circuit nominal de moitié. Le fluide de refroidissement 10 à l'intérieur du cryostat 1, entoure les spires des bobines élémentaires 3. Comme indiqué précédemment, ce fluide peut être de l'azote liquide à la pression atmosphérique, maintenu à une température de 77 K ou plus, pour assurer l'état supraconducteur de le couche 5 et des disques 6, en tenant compte de l'énergie thermique dégagée par le bobinage parcouru par le courant nominal et des pertes thermiques du cryostat. On note qu'en fonctionnement normal, le circuit magnétique 4 n'est pas soumis à des flux magnétiques permanents. Les pertes dans le fer sont donc pratiquement nulles. On peut donc utiliser pour la constitution du circuit magnétique, non plus des tôles magnétiques à cristaux orientés, mais de simples tubes en acier ou en fer doux, 2A à 2D, soudés deux à deux comme indiqué en 18. Les tubes sont avantageusement parcourus par un fluide de refroidissement 11, de préférence le même que le fluide 10, qui pénètre par une tubulure 12 et resort par une tubulure 13, le flux entrant et le flux sortant étant séparés par une plaque 19. Le limiteur est en série avec un disjoncteur rapide DR de temps d'ouverture d'environ 10 millisecondes. Entre les points C et D des traversées 8 et 9, est installé un diviseur résistif DV équipé de fibres optiques. Ceci permet, à l'aide d'une commande électronique de puissance, de déclencher sans retard le disjoncteur rapide DR dès le fonctionnement du limiteur. Le principe de détection et de commande a fait l'objet d'une demande de brevet français n 9305581 déposée le 10 mai 1993. Entre les points P et Q est connectée une résistance R, de valeur déterminée pour réduire le courant de court-circuit à une valeur assez faible, par exemple égale à In ou 2In (In étant la valeur du courant nominal), une fois le disjoncteur DR ouvert, c'està-dire 20 millisecondes environ après le début du défaut. Après la limitation du courant par le limiteur et par la résistance R, un disjoncteur de ligne DL est ouvert, environ 100 à 300 millisecondes après le début du défaut. L'utilisation du disjoncteur rapide DR permet de réduire l'énergie dans les éléments supraconducteurs. I1 en résulte que les éléments supraconducteurs peuvent retrouver très rapidement, après une transition, l'état supraconducteur, de sorte que le limiteur est capable d'effectuer un cycle COUVERTURE, REFERMETURE APRES 0,3SECONDE, OWERTURE, connu sous l'abréviation O-0,3s F-O. Le mode de réalisation du limiteur selon la Fig. 1 est relatif à une configuration de bobines élémentaires en galettes. Dans le mode de réalisation de la Fig. 2, où les éléments homologues à ceux de la Fig. 1 ont reçu les mêmes numéros de référence, les bobines élémentaires, référencées 20, sont disposées coaxialement les unes aux autres autour de l'axe xx. Elles sont séparées par des tubes 22 en fer doux, équipés sur leur deux faces d'une couche supraconductrice 23 du même matériau que celui décrit précédemment. Les bobines élémentaires 20 sont logées dans des carcasses isolantes 26 et sont reliées en série par des connexions 27. Les connexions d'extrémité sont reliées respectivement, comme précédemment, à deux traversées étanches et isolantes 8 et 9. L'ensemble des bobines élémentaires et des tubes (il y a ici 4 bobines élémentaires et 4 tubes), est placé dans un cryostat 1 rempli de fluide cryogénique 10. La hauteur des tubes 22 est supérieure à celle des bobines élémentaires 23 de telle sorte que lorsque la couche 23 est dans l'état supraconducteur, le flux créé par les bobines élémentaires non seulement ne traverse pas les tubes 22, mais ne pénètre pas dans les bobines élémentaires adjacentes. Il est ainsi possible, comme précédemment, de conférer au bobinage une inductance totale suffisamment faible. Pour éviter la saturation des circuits magnétiques (22), donc une insuffisance possible de la valeur de l'inductance en régime de défaut, il est avantageux de donner aux tubes les plus près de laxe une épaisseur plus grande. Ainsi la figure 2 montre que les tubes ont une épaisseur qui va croissant de la périphérie vers l'axe central. Le dispositif fonctionne comme précédemment: en régime de court-circuit, les flux magnétiques créés par les bobines élémentaires 20 pénètrent dans les tubes en fer 22. Ceci a pour effet une augmentation rapide de l'inductance du bobinage. On notera que la couche 23 revêtant les tubes 22 peut avantageusement être remplacé par deux tubes supraconducteurs 24 et 25, comme le montre la Fig.3. L'invention n'est pas limitée à l'exemple donné de circuits magnétiques rectangulaires (Fig.l) ou tubulaires coaxiaux (Fig. 2). Le circuit magnétique pourra être de forme torique, de forme oblongue comprenant deux portions semi-circulaires reliées par des portions rectilignes, et, plus généralement, il pourra avoir toutes les configurations compatibles avec la possibilité de réaliser des bobines et des éléments supraconducteurs pouvant épouser ces configurations. REVENDICATIONS 1/ Limiteur supraconducteur du type inductif destiné à être inséré en série dans une ligne à protéger (LL') avec un disjoncteur rapide (DR) et un disjoncteur de ligne (DL), comprenant pour chaque phase, à l'intérieur d'un cryostat (1) un bobinage (30) entourant un circuit magnétique (2, 22) et des éléments supraconducteurs (5,6; 23, 24, 25) agencés pour qu'en fonctionnement normal, lesdits éléments étant dans l'état supraconducteur, le flux magnétique créé par le bobinage ne pénètre pas dans ledit circuit magnétique, caractérisé en ce que le bobinage (30) est réalisé sous la forme d'une pluralité de bobines élémentaires (3; 20) reliées électriquement en série, les éléments supraconducteurs étant agencés pour qu'en régime de fonctionnement normal, le flux magnétique créé par les bobines élémentaires ne pénètrent pas dans les bobines adjacentes. 2/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines élémentaires (3) sont dispoosées en galettes sur des branches (2A, 2C) d'un circuit magnétique rectangulaire, lesdits éléments supraconducteurs comprenant des portions tubulaires (5) entourant lesdites branches et des disques (6) disposés entre chacune des bobines élémentaires (3). 3/ Limiteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les bobines élémentaires (3) sont disposées dans des carcasses isolantes 14. 4/ Limiteur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le circuit magnétique est réalisé au moyen de tubes (2A, 2B, 2C, 2D) soudés. 5/ Limiteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les tubes (2A, 2B, 2C, 2D) sont en acier ou en fer doux. 6/ Limiteur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que le circuit magnétique est refroidi par circulation d'un fluide cryogénique dans les tubes (2A, 2B, 2C, 2D). 7/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines élémentaires (20) sont disposées coaxialament et séparées les unes des autres par des tubes (22) en métal magnétique munis d'un revêtement (23) en matériau supra conducteur. 8/ Limiteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines élémentaires (20) sont disposées coaxialament et séparées les unes des autres par des tubes (22) en métal magnétique entourés chacun par des tubes (24, 25) en matériau supraconducteur. 9/ Limiteur selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que l'épaisseur des tubes (22) en matériau magnétique va croissant de l'extérieur vers le centre. 10/ Limiteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le matériau des éléments supraconducteurs est un matériau à haute température critique, refroidi par de l'azote à une température voisine de sa température de liquéfaction à la pression atmosphérique.