Brevet FR2903243A1 — publié le 20080104

Structure de traversée électrique pour élément supraconducteur La présente invention concerne une structure de traversée électrique pour élément supraconducteur, tel qu'un câble transportant du courant électrique sous moyenne ou haute tension. Cette structure permet de relier l'extrémité de l'élément supraconducteur à température cryogénique à un objet, par exemple à un câble non supraconducteur ou à un équipement, à température ambiante, habituellement à l'air libre. Du fait de la différence importante cb température entre l'élément supraconducteur et l'objet à relier à cet élément, d'une part température cryogénique qui peut être de l'ordre de -200 C et d'autre part température ambiante, il est nécessaire d'intercaler une structure de connexion entre l'élément supraconducteur et l'objet afin d'effectuer la transition de température en limitant au maximum les pertes thermiques, tout en respectant les contraintes électriques dues par exemple à la haute tension dans le cas d'un câble. Cette structure comporte une traversée électrique composée principalement d'un conducteur central entouré d'une gaine isolante, pour transporter le courant électrique du câble supraconducteur jusqu'à une connexion de sortie à température ambiante. Cette structure doit, sur une bngueur raisonnable, effectuer la transition de température tout en s'assurant que les pertes par conduction thermique le long de la traversée électrique sont faibles, de façon à éviter l'ébullition du liquide cryogénique qui refroidit le câble. Un autre problème technique à résoudre est de maîtriser la répartition du champ électrique créé par la moyenne ou haute tension du conducteur central de la traversée électrique de façon à éviter des arcs électriques ou claquages . Le conducteur central de la traversée est constitué d'un fil métallique cylindrique de diamètre suffisamment grand pour permettre le transport de courants électriques d'intensité importante. Par exemple, pour des courants de l'ordre de plusieurs milliers d'ampères, le diamètre du conducteur central peut être de l'ordre de 50 à 70 mm. La tension électrique étant elle aussi 2903243 2 habituellement élevée, par exemple 100.000 Volts, la gaine entourant le conducteur central doit être parfaitement isolante afin d'éviter la formation de claquages et ceci sur toute la longueur de la structure de traversée qui peut atteindre plusieurs mètres de longueur. 5 Les différences de température tout au long de la traversée posent un problème de conservation de la bonne isolation électrique de la gaine entourant le conducteur central. En effet, les matériaux constituant le conducteur (par exemple de l'aluminium ou du cuivre) et la gaine (par exemple de l'époxy) ont des conductibilités thermiques différentes ce qui 10 peut engendrer des contraintes à l'interface entre le conducteur et la gaine. Ainsi, un flux thermique important se propageant dans la traversée peut conduire localement à un gradient de température élevé entre la gaine et le conducteur, ce qui peut fissurer la gaine et détruire en grande partie son pouvoir d'isolation. De plus, la différence de coefficient de dilatation 15 thermique des matériaux constituant le conducteur et la gaine peut être la cause de contraintes mécaniques entre la gaine et le conducteur, et donc la cause de fissures dans la gaine. Afin d'éviter la formation de ces fissures, une solution connue consiste à choisir les matériaux constituant b gaine et le conducteur central 20 de telle sorte que leurs coefficients de dilation thermique soient sensiblement identiques. Par exemple, certaines compositions spécifiques d'alliages d'aluminium et de résines époxy ont des coefficients de dilatation thermique très proches, dont la différence peut être de l'ordre de 5.10-6 par degré Kelvin. Cette solution permet de limiter le risque de formation de fissures, 25 mais ne l'élimine pas complètement car il est très difficile, voir même pratiquement impossible, de trouver un matériau bon conducteur de l'électricité, d'une part, et un matériau isolant, d'autre part, ayant le même comportement thermique, notamment le même coefficient de dilatation thermique et la même conductibilité thermique. De plus, les deux matériaux 30 doivent pouvoir supporter sans se détériorer des variations de température de l'ordre de -200 C jusqu'aux températures ambiantes. 2903243 3 La demande de brevet EP 1 283 576 Al décrit une structure de traversée pour un équipement à température cryogénique qui comprend un conducteur central entouré d'un espace dans lequel un vide a été créé ou au contraire rempli d'un gaz qui ne se liquéfie pas à température cryogénique, 5 tel que l'hélium. L'espace sous vide ou rempli d'un gaz s'étend de la partie à température cryogénique jusqu'à la partie à température ambiante. L'inconvénient de cette solution réside dans la nécessité d'une bonne étanchéité de la structure de traversée, ce qui conduit à des contraintes de réalisation difficiles et coûteuses. En effet, il ne doit pas exister de 10 communication entre l'espace entourant le conducteur central et les autres parties de la traversée, afin de conserver le vide ou le gaz (hélium) dans cet espace et aussi afin d'éviter une pénétration éventuelle du fluide cryogénique dans cet espace. La présente invention propose une structure améliorée de la 15 traversée électrique qui résout, au moins en partie, les problèmes liés aux différences de coefficients de dilatation et de conductibilité thermiques entre les matériaux constituant la gaine et le conducteur central. De façon plus précise, l'invention concerne une structure de traversée électrique du type comprenant : 20 -un conducteur central dont l'une des deux extrémités est destinée à être connectée à un élément supraconducteur situé dans une enceinte à température cryogénique et l'autre extrémité à un objet à température ambiante, et -une gaine électriquement isolante entourant le conducteur sur sensiblement 25 toute la longueur du conducteur. Selon l'invention, la structure comporte un tube métallique entourant le conducteur sur sensiblement toute sa longueur et interposé entre la gaine isolante et le conducteur, le tube n'étant fixé au conducteur qu'à proximité de l'une des deux extrémités du conducteur. 30 Selon le mode de réalisation préféré, le tube n'est fixé au conducteur qu'à proximité de son extrémité destinée à être connectée à l'élément supraconducteur. 2903243 4 De façon avantageuse : - le tube est réalisé en un alliage d'aluminium ; - la gaine isolante est réalisée en résine époxy ; - le coefficient de dilatation thermique du métal constituant le tube est voisin 5 du coefficient de dilatation thermique du matériau constituant la gaine isolante ; - des lamelles métalliques sont interposées entre le tube et le conducteur à proximité de l'extrémité du tube non fixée au conducteur (de préférence à proximité de l'extrémité du conducteur destinée à être fixée audit objet à 10 température ambiante), les lamelles assurant un contact électrique entre le tube et le conducteur ; Selon un mode de réalisation avantageux, la structure comporte en outre un écran électriquement conducteur entourant la gaine isolante, en contact avec elle, sur au moins une partie de la gaine s'étendant depuis 15 l'extrémité de la traversée en contact avec l'enceinte à température cryogénique jusqu'à un endroit de la gaine dont la température est intermédiaire entre les températures cryogénique et ambiante. Lorsqu'un cône de contrainte entoure la gaine, l'écran s'étend de préférence jusqu'à ce cône. 20 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés et sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation de 25 l'invention ; - les figures 2 à 5 montrent en coupe longitudinale et en section droite des éléments de la structure représentée sur la figure 1. Sur la figure 1, la structure de connexion à un élément supraconducteur (non représenté), tel qu'un câble, comporte une traversée électrique 10 30 connectée à l'élément supraconducteur par son extrémité inférieure située dans une enceinte 11 à température cryogénique. Une enceinte 2903243 5 intermédiaire 12, adjacente à l'enceinte cryogénique 11, est remplie de préférence d'un matériau solide à faible conductivité thermique. Ce matériau peut par exemple être sous forme de mousse, telle qu'une mousse au polyuréthane ou me mousse de verre cellulaire. La traversée électrique 10 5 traverse la paroi inférieure de l'enceinte intermédiaire 11 par une bride de fixation étanche 13 et la paroi supérieure par une bride de fixation étanche 14. La traversée électrique 10 se prolonge, en sortant de l'enceinte intermédiaire 12, à l'intérieur d'une enceinte à température ambiante 15 qui se termine par des moyens 16 de connexion électrique de la traversée, et 10 donc de l'élément supraconducteur, à un objet, équipement ou dispositif approprié. L'enceinte intermédiaire se trouve donc à une température comprise entre la température du fluide cryogénique et la température ambiante. Les parois 17 et 18 respectivement de l'enceinte 11 à température cryogénique et de l'enceinte intermédiaire 12 forment des parois de cryostat 15 pour une bonne isolation thermique. L'enceinte intermédiaire, étant étanche, est de préférence équipée d'une vanne de sécurité (non représentée) afin de palier à toute surpression qui pourrait survenir en cas de fuite au niveau de la bride 13. La traversée électrique 10 se compose d'un conducteur central 20 métallique 19, de préférence en alliage d'aluminium ou en cuivre et de forme cylindrique pleine. Il est entouré, sur sensiblement toute sa longueur, d'une gaine électriquement isolante 20 réalisée par exemple en époxy. La gaine isolante 20 se termine à son extrémité inférieure par un bulbe 21 comprenant une collerette de fixation 22. La partie du bulbe située au-dessus de la 25 collerette 22 a de préférence une forme évasée, la partie la plus évasée étant au niveau de la collerette. Cette forme évasée permet d'augmenter la ligne de fuite de courant entre terre et haute tension et ainsi de diminuer les risques d'un claquage électrique au niveau de l'extrémité inférieure de la traversée. Le bulbe 21 est fixé de façon étanche, par la bride 13, sur la paroi 30 interne de l'enceinte 11 à température cryogénique. 2903243 6 Un écran électriquement conducteur 23, de préférence métallique, enserre la gaine isolante sur au moins une section de gaine, c'est-à-dire sur une certaine longueur. La présence de cet écran est utile, mais non nécessaire. Il est par exemple réalisé par métallisation de la gaine isolante 5 sur ladite section, laquelle s'étend depuis la partie de l'enceinte intermédiaire en contact avec la température cryogénique jusqu'à au moins la bride 14, c'est-à-dire la jonction de l'enceinte intermédiaire 12 avec l'enceinte à température ambiante 15. L'écran 23 est électriquement connecté à un potentiel fixe, de préférence au potentiel de la terre. II a pour fonction de 10 confiner le champ électrique le long du conducteur dans la traversée électrique uniquement, et plus précisément entre le conducteur central et l'écran. Un cône de contrainte 24A, situé dans l'enceinte 15 à température ambiante, entoure la gaine 20 de la traversée électrique 10. La partie 15 conductrice du cône de contrainte est reliée électriquement à l'écran 23, ainsi qu'à la bride de fixation étanche 14, électriquement conductrice. L'écran 23 peut être arrêtée au niveau de la bride de fixation 14 et être électriquement connecté à la partie conductrice du cône de contrainte, par exemple à l'aide d'un ruban semi-conducteur entouré autour de la gaine 20. 20 Alternativement, l'écran peut être prolongé directement jusqu'à la partie conductrice du cône de contrainte. La fonction de ce cône de contrainte est de dévier ou d'évaser les lignes de champ électrique au niveau de l'arrêt de la métallisation afin d'éviter une discontinuité qui pourrait conduire à un claquage électrique. 25 La traversée électrique 10 se termine à l'extérieur de l'enceinte à température ambiante 15 par une cosse de connexion pour alimenter le câble supraconducteur en courant électrique sous moyenne ou haute tension ou pour alimenter un équipement à température ambiante en courant électrique sous moyenne ou haute tension en provenance du câble 30 supraconducteur. 2903243 7 Selon l'invention, un tube métallique 24 de faible épaisseur est inséré entre le conducteur central 19 et la gaine isolante 20, sur pratiquement toute la longueur du conducteur central. Le tube métallique 24 est fixé au conducteur central à un seul niveau du conducteur, près de l'une des deux 5 extrémités 25 et 26 du conducteur central 19 (l'extrémité 25 étant celle qui est proche de la température ambiante et l'extrémité 26 étant celle qui est proche de la température cryogénique). De préférence, le tube 24 est fixé au conducteur 19 au niveau de l'extrémité 26 proche de la température cryogénique. La fixation peut se faire par soudage par exemple. 10 Les figures 2 et 5 montrent la structure de la traversée, respectivement en coupe longitudinale et en section droite selon le plan AA de la figure 2 avec, successivement en partant du centre, le conducteur central 19, le tube mince 24, la gaine électriquement isolante 20, dont l'une des deux extrémités forme le bulbe 21, et l'écran 23. Le tube métallique mince 24 peut, mais non 15 nécessairement, être composé du même métal que le conducteur central, par exemple en cuivre ou en un alliage d'aluminium. Bien entendu, les matériaux constituant la gaine et le tube mince sont choisis de sorte que leurs coefficients de dilatation thermique sont proches l'un de l'autre. Le conducteur central, le tube métallique, la gaine isolante et l'écran sont 20 concentriques, le conducteur étant en contact avec le tube, lequel est en contact avec la gaine, laquelle est en contact avec l'écran. Pour la fabrication de la traversée, le tube mince 24 est tout d'abord fixé au conducteur central 19, puis la gaine isolante 20 est moulée autour du tube. A titre d'exemple, le diamètre du conducteur central peut être de l'ordre de 50 à 70 mm, alors que 25 l'épaisseur du tube mince 24 peut être comprise entre 0,5 et 3 mm, de préférence entre 1 à 2 mm. La section relativement importante du conducteur central permet d'éviter des pertes trop importantes et des flux thermiques par effet Joule. L'épaisseur de la gaine isolante est beaucoup plus grande que celle du tube mince, par exemple comprise entre 20 et 50 mm pour la partie 30 cylindrique de la gaine ne comprenant pas le bulbe 21. 2903243 8 Dans le mode de réalisation représenté, la section du conducteur central à l'extrémité 26 située du côté de l'enceinte cryogénique, au niveau du bulbe 21, est légèrement inférieure à la section uniforme du conducteur central, de façon à limiter le flux thermique le long du conducteur. De ce fait 5 le conducteur 19 n'est pas en contact avec le tube 24 lorsque ce dernier a un plus faible diamètre. Sur la figure 3, l'extrémité 26 du conducteur 19 se compose d'une partie 30 en forme de connecteur femelle permettant de relier l'élément supraconducteur au conducteur central, d'une partie 31 de forme tronconique avec un diamètre décroissant en remontant vers le haut de la 10 traversée à température ambiante, suivie d'une partie tronconique 32 avec un diamètre croissant jusqu'à atteindre le diamètre constant du conducteur. Bien entendu, dans un autre mode de réalisation, le conducteur central 19 pourrait avoir un diamètre constant sur toute sa longueur. Le tube mince 24 est soudé au conducteur central au niveau du connecteur 30. 15 La figure 4 représente en coupe longitudinale l'extrémité 25 de la traversée, située à température ambiante. Le conducteur central 19 et le tube mince 24 ne sont pas solidaires et peuvent donc se dilater ou se rétracter indépendamment l'un de l'autre. Le tube et le conducteur sont cependant électriquement reliés par des moyens de contact électrique mobile situés 20 entre le tube et le conducteur. A cette fin, des lamelles souples électriquement conductrices 40 sont intercalées entre le tube et le conducteur, en contact avec le tube et le conducteur. De façon générale, ces moyens de contact électrique sont situés à l'extrémité du tube mince non fixée au conducteur. Cependant, la fixation du tube au conducteur central 25 étant de préférence à l'extrémité 26 de la traversée, les moyens de contact électrique sont de préférence situés à l'extrémité 25 située à température ambiante. Le tube mince métallique 24 permet d'obtenir un bon équilibre thermique à l'interface entre le tube 24 et la gaine isolante 20 du fait de la 30 faible épaisseur du tube, et donc du fait de la faible quantité de matière conductrice en contact avec la beaucoup plus grande quantité de matière 2903243 9 isolante de la gaine. Le gradient thermique à l'interface tube/gaine est donc beaucoup plus petit que dans les dispositifs de l'art antérieur. De plus, même avec un refroidissement ou un échauffement rapide de la traversée, le flux thermique circule principalement dans le conducteur central, mais très peu 5 dans le tube. La sensibilité de la structure de à traversée aux variations rapides de température est donc diminuée. De même, la dilatation (positive ou négative) due aux variations de température affecte principalement le conducteur central, du fait de sa masse. Le tube n'étant fixé au conducteur qu'à un seul endroit, les contraintes mécaniques à l'interface tube/gaine sont 10 réduites puisqu'il n'y a pas de couplage thermique entre le tube et le conducteur central. Cependant, le conducteur central 19 et le tube 24 étant électriquement connectés, donc au même potentiel électrique, il n'y a pas de disparités de champ électrique et les lignes de champ électrique restent canalisées entre la gaine et l'ensemble tube/conducteur central. 15 D'autres modes de réalisation que celui décrit et représenté peut être conçu par l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention. 20 REVENDICATIONS 1. Structure de traversée électrique (10) du type comprenant : - un conducteur central (19) dont l'une (26) des deux extrémités est destinée à être connectée à un élément supraconducteur situé dans une enceinte à température cryogénique (11) et l'autre extrémité (25) à un objet à température ambiante, et - une gaine électriquement isolante (20) entourant le conducteur sur sensiblement toute la longueur du conducteur, la structure étant caractérisée en ce qu'elle comporte un tube métallique (24) entourant le conducteur sur sensiblement toute sa longueur et interposé entre la gaine isolante (20) et le conducteur (19), le tube n'étant fixé au conducteur qu'à proximité de l'une des deux extrémités (25, 26) du conducteur. 2. Structure de traversée électrique selon la revendication 1 caractérisée en ce que le tube (24) n'est fixé au conducteur (19) qu'à proximité de son extrémité (26) destinée à être connectée à l'élément supraconducteur. 3. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le tube (19) est réalisé en un alliage d'aluminium. 4. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que la gaine isolante (20) est réalisée en résine époxy. 5. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le coefficient de dilatation thermique du métal constituant le tube (24) est voisin du coefficient de dilatation thermique du matériau constituant la gaine isolante (20). 6. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que des lamelles métalliques souples (40) sont interposées entre le tube et le conducteur à proximité de 10 2903243 11 l'extrémité du tube non fixée au conducteur, les lamelles assurant un contact électrique entre le tube et le conducteur. 7. Structure de traversée électrique selon les revendications 2 et 6 caractérisée en ce que les lamelles métalliques (40) sont interposées 5 entre le tube (24) et le conducteur (19) à proximité de l'extrémité (25) du conducteur destinée à être connectée audit objet. 8. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que l'épaisseur du tube (24) est comprise entre 0,5 et 3 mm, et plus particulièrement entre 1 et 2 mm. 10 9. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce qu'un écran électriquement conducteur (23) entoure la gaine isolante (20), en contact avec elle, sur au moins une partie de la gaine s'étendant depuis l'extrémité (26) de la traversée en contact avec l'enceinte à température cryogénique (11) jusqu'à un 15 endroit de la gaine dont la température est intermédiaire entre les températures cryogénique et ambiante. 10. Structure de traversée électrique selon la revendication 9 caractérisée en ce qu'un cône de contrainte (24A) est fixé autour de la gaine (20), l'écran conducteur (23) s'étendant depuis l'extrémité (26) de la 20 traversée en contact avec l'enceinte à température cryogénique jusqu'au cône de contrainte. 11. Structure de traversée électrique selon l'une des revendications précédentes caractérisée en ce que le conducteur central (19) a une section sensiblement uniforme, à l'exception de la section de la partie 25 (32) du conducteur central (19) située à proximité de l'enceinte cryogénique (11), la section de ladite partie (32) étant plus faible que ladite section sensiblement uniforme. 12. Structure de traversée électrique selon la revendication 11 caractérisée en ce que ladite partie (32) du conducteur central a une forme 30 sensiblement tronconique.