Brevet FR2956518A1 — publié le 20110819

B10163 - 03408-01 1 DÉTECTEUR DE TRANSITION DE BOBINE SUPRACONDUCTRICE Domaine de l'invention La présente invention concerne les bobines supra-conductrices à haute ou basse température critique soumises à des tensions élevées, lors de l'utilisation normale et/ou lors de la décharge en cas de transition d'état. La présente invention concerne plus particulièrement la détection de transitions en vue de la protection de telles bobines. Exposé de l'art antérieur Il est connu qu'il existe un risque pour que, en un point d'une bobine supraconductrice, il se produise une transition d'état accidentelle, c'est-à-dire une sortie de l'état supraconducteur. Une forte dissipation de chaleur a alors lieu dans la portion qui est sortie de l'état supraconducteur et la bobine risque d'être endommagée. Ce problème est aggravé en cas d'utilisation d'un matériau supraconducteur à haute température critique, et/ou si la puissance disponible pour le refroidisse-ment est limitée. Une solution pour protéger le bobinage est de détecter une telle transition localisée et dès lors de décharger très rapidement la bobine avant qu'elle ne puisse se détruire. La décharge du courant doit être la plus rapide possible pour B10163 - 03408-01 2 limiter la quantité d'énergie dissipée en chaleur dans la zone ayant subi la transition. Pour cela, il faut atteindre une tension de décharge la plus élevée possible. Des tensions de plusieurs kV sont courantes, elles peuvent atteindre plusieurs dizaines de kV dans les systèmes de très grande taille. La figure 1 représente un schéma de circuit d'une bobine supraconductrice 1 utilisée en générateur d'impulsions de courant. Cette bobine est alimentée par une source d'alimentation 3 par l'intermédiaire de commutateurs haute tension tel que des relais électromécaniques 5a et 5b. Une charge 7 est disposée en parallèle sur la bobine. Ainsi, quand les commutateurs 5a, 5b sont fermés, la bobine est chargée par la source d'alimentation 3. Lors d'une ouverture des commutateurs 5a, 5b, la bobine se décharge dans la charge 7. Pour détecter une transition localisée, on peut utiliser un système de détection du type illustré en figure 1. On dispose en parallèle sur la bobine un pont diviseur 8 constitué par exemple de deux résistances Ri, R2 faisant partie d'un potentiomètre et on compare la tension entre le point milieu A de la bobine et le point milieu B des résistances. Normalement cette tension est nulle. Toutefois, s'il se produit une transition d'état en un point de la bobine, le pont constitué par les demi-bobines et les deux résistances R1, R2 se déséquilibre. Le déséquilibre est détecté par un comparateur à seuil 9 dont la sortie est fournie à un étage de traitement 11. L'étage de traitement 11 fournit, dès que le comparateur 9 a détecté un déséquilibre, un signal de commande sur une sortie 13 vers les commutateurs 5a et 5b qui sont alors ouverts pour décharger la bobine. On notera que le circuit 11 peut également comprendre une entrée de commande externe 15, destinée à comman- der la décharge de la bobine lorsque celle-ci est souhaitée. Ce circuit fonctionne de façon satisfaisante si le point milieu A de la bobine est connecté à la même référence que l'ensemble des circuits de détection et de traitement, à savoir en général la terre. Sinon, dès le début de la décharge, la très B10163 - 03408-01 3 haute tension apparaissant aux bornes de la bobine est susceptible de détruire des éléments du circuit de détection et de traitement. Relier le milieu de la bobine à un potentiel de réfé- rence est gênant pour deux raisons. Tout d'abord cela impose une référence au circuit de puissance, ce qui est très gênant pour la mise en oeuvre d'un assemblage de plusieurs bobines (nécessité de sources indépendantes) et limite la souplesse d'utilisation de l'énergie stockée dans la bobine dans le cas d'une utilisation de celle-ci comme source de courant. De plus, référencer le milieu de la bobine à la masse est dangereux car dans le cas d'un défaut d'isolation du bobinage, une boucle de masse apparaît dans laquelle peut circuler un courant non maîtrisé. C'est pourquoi la mise en place d'un fusible sur la connexion du point milieu est nécessaire. Ce fusible supprime la référence en cas de défaut, ce qui protège la bobine mais au détriment du système de protection qui peut alors voir à ses bornes la tension de décharge et risque donc d'être détruit. Pour pallier cet inconvénient, on a proposé le circuit de la figure 2 qui comprend les mêmes éléments que celui de la figure 1, désignés par les mêmes références, mais avec l'addition d'éléments de protection entre la bobine et le circuit de détection et de traitement. Ces éléments de protection sont désignés en figure 2 par les références 21 et 23. Plus par- ticulièrement, de tels systèmes sont décrits dans un article de D. Birus et al "Development of Quench Detection System for W7-X" paru dans Fusion Engineering and Design 82 (2007), pp 1400-1405, dans un article de Yukikazu Iwasa "Protection of HTS magnets" paru dans Physica C 426-431 (2005), pp. 1348-1352, et dans un article de J. Schultz "Protection of Superconducting Magnets" paru dans IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 12, N°1, mars 2002. Dans l'article de Birus, les éléments 21 et 23 sont constitués de coupleurs optoélectroniques haute tension. Dans l'article d'Iwasa, aucun élément de protection particulier n'est prévu mais il est indiqué qu'un problème délicat se pose B10163 - 03408-01 4 du fait de la très faible tension de déséquilibre que l'on cherche à détecter. Dans l'article de Schultz et al, il est proposé d'utiliser des diviseurs de tension. Toutes ces solutions présentent divers inconvénients. Elles font appel ou bien à des coupleurs coûteux et inadaptés à des systèmes à très haute tension, ou bien à des diviseurs de tension. Les systèmes de division de tension présentent l'inconvénient que, étant donné qu'il faut réaliser une très forte division de tension pour protéger le circuit de détection par rapport à des tensions de l'ordre de plusieurs kilovolts, le signal utile devient très difficilement perceptible par rapport au bruit de fond et des systèmes de détection très sophistiqués doivent être utilisés. Résumé La présente invention vise à pallier au moins certains inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un système simple de détection de transition localisée dans une bobine supraconductrice, protégé contre les très hautes tensions susceptibles d'apparaître aux bornes de la bobine, par exemple pendant des périodes de décharge de cette bobine. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un détecteur de transition de bobine supraconductrice comprenant des moyens de déconnexion du détecteur dès la détec- tion d'une transition. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le détecteur comprend des moyens pour déclencher une phase de décharge de la bobine immédiatement après la détection d'un état de transition par le détecteur. Selon un mode de réalisation de la présente invention, un diviseur résistif est disposé en parallèle sur la bobine supraconductrice, le point milieu de la bobine supraconductrice et le point milieu du diviseur résistif étant reliés aux deux entrées d'un comparateur à seuil. B10163 - 03408-01 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déconnexion comprennent des commutateurs disposés sur les connexions entre la bobine et le détecteur, et des moyens pour ouvrir ces commutateurs dès que le comparateur 5 fournit un signal supérieur à un seuil. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déconnexion comprennent des commutateurs disposés sur chacune des connexions vers le point haut, le point bas et le point milieu de la bobine supraconductrice. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le détecteur comprend en outre des moyens pour décaler la tension de sortie du point milieu du pont résistif quand la bobine supraconductrice est soumise à une variation de champ résultant d'une autre bobine. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les moyens de déconnexion sont des relais reed. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres 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 : la figure 1, décrite précédemment, représente un circuit de détection de transition de bobine supraconductrice ; la figure 2, décrite précédemment, représente un circuit protégé de détection de transition de bobine supra-conductrice ; la figure 3 représente un circuit protégé de détection de transition de bobine supraconductrice selon un mode de réalisation de la présente invention ; et la figure 4 représente un circuit protégé de détection de transition adapté à un système comprenant deux ensembles de bobines supraconductrices, selon un mode de réalisation de la présente invention. B10163 - 03408-01 6 Description détaillée Dans le circuit de la figure 3, de mêmes éléments que dans le circuit de la figure 1 ont été désignés par de mêmes références et ne seront pas décrits à nouveau. Des relais commandés 31, 32 et 33 sont insérés sur les connexions conduisant respectivement aux points haut, bas et milieu de la bobine, entre le circuit de puissance et le circuit de détection et de traitement. Dans l'exemple représenté, ces relais sont disposés aux entrées du comparateur à seuil 9. Le circuit de traitement 11 est remplacé par un circuit de traite-ment 35 comprenant en outre une sortie 37 propre à commander l'ouverture des relais 31-33, qui sont par exemple des relais reed, dès qu'un déséquilibre de tension de quelque millivolts est détecté entre les deux moitiés de la bobine supraconduc- trice. Le signal sur la borne 37 destiné à ouvrir les relais 31 et 33 est fourni quelques instants (quelques microsecondes) avant la fourniture d'un signal sur la borne 13 pour ouvrir les relais principaux 5a et 5b du circuit de puissance. Grâce à cette déconnexion, dès qu'un déséquilibre de tension est détecté, le circuit de détection et de traitement est complètement isolé des hautes tensions susceptibles d'apparaître sur la bobine lors de la décharge de celle-ci et on peut alors utiliser un circuit de détection et de traitement simple non spécialement protégé. De plus ce circuit n'a pas besoin d'être particulièrement insensibilisé par rapport au bruit puisqu'il détecte, sans division, toute la différence de tension présente entre les deux moitiés de la bobine supraconductrice quand celle-ci est en fonctionnement normal (en dehors des phases de décharge). La figure 4 illustre le cas d'un système dans lequel il existe deux ensembles de bobines supraconductrices proches l'un de l'autre et montre comment on peut protéger par des interrupteurs commandés, de la façon décrite ci-dessus, les circuits de détection sans que la mise en décharge d'une B10163 - 03408-01 7 première bobine supraconductrice entraîne la mise en décharge concomitante de la deuxième bobine supraconductrice. Le problème est que, quand deux bobines supraconductrices sont disposées au voisinage l'une de l'autre, la varia- tion du champ généré par la première bobine a une influence sur la deuxième bobine. Cette influence est asymétrique, et agit principalement sur les parties de la deuxième bobine situées au voisinage de la première bobine. Il en résulte que le détecteur associé à la deuxième bobine risque de détecter une variation de tension entre les deux moitiés de la deuxième bobine et, en conséquence, de provoquer la décharge de la deuxième bobine, ce qui n'est pas souhaité. Dans cette figure 4, seuls les éléments correspondant à la partie supérieure de la figure et à la première bobine sont munis de références. La partie inférieure de la figure est strictement identique à la partie supérieure et en est symétrique. De plus, les éléments de la partie supérieure de la figure semblables à ceux décrits en relation avec la figure 3 sont désignés par les mêmes références. Chaque détecteur, comprend, en plus des éléments déjà décrits, une modification de la connexion du point de jonction B des résistances R1 et R2. Ce point B, au lieu d'être relié directement à une entrée du comparateur à seuil 9 lui est relié par l'intermédiaire d'un pont diviseur R3, R4. La résistance R3 est connectée au point B, la jonction des résistances R3 et R4 est connectée à l'entrée du comparateur à seuil et la deuxième borne de la résistance R4 est connectée à une borne d'une inductance de détection 40 disposée dans l'ensemble inférieur de la figure 4. L'autre borne de cette bobine de détection 40 est reliée au point milieu de la bobine 1 et à la deuxième entrée du comparateur à seuil 9. Ainsi, si la bobine inférieure se trouve dans un état de décharge et exerce une influence sur la partie inférieure de la bobine supérieure, alors que les interrupteurs 31-33 de l'ensemble supérieur sont fermés, il se développe une tension v1 B10163 - 03408-01 8 entre les points A et B. Cette tension est due à la variation de champ produite par la décharge de la bobine inférieure et est détectée par la bobine 40 qui applique une tension v2 entre la borne de référence du comparateur 9 et la borne inférieure de la résistance R4. Ces tensions v1 et v2 résultant d'un même phénomène, peuvent être ajustées, en ajustant les valeurs des bobines de détection et/ou les valeurs des résistances R3 et R4 pour se compenser, de sorte que, du côté supérieur, aucune variation de tension n'est détectée. On a décrit précédemment des modes de réalisation particuliers de la présente invention. Bien entendu, diverses modifications et variantes apparaîtront à l'hoiiuue de l'art notamment en ce qui concerne la réalisation des diviseurs et la réalisation des divers commutateurs. En particulier, on notera qu'une bobine supraconductrice est généralement constituée d'un ensemble d'éléments de bobines (des galettes). De plus, les schémas de circuit donnés ici sont très simplifiés. De façon classique les éléments supplémentaires pourront être ajoutés par l'homme de l'art. Bien que l'on ait décrit plus particulièrement des bobines supraconductrices utilisées dans des générateurs d'impulsions de courant, on notera que la présente invention s'applique de façon générale à la détection de transitions d'état dans des bobines supraconductrices et à leur protection. REVENDICATIONS1. Détecteur de transition de bobine supraconductrice comprenant des moyens de déconnexion du détecteur dès la détection d'une transition. 2. Détecteur selon la revendication 1, comprenant des moyens pour déclencher une phase de décharge de la bobine immédiatement après la détection d'un état de transition par le détecteur. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant un diviseur résistif (R1, R2) en parallèle sur la bobine supra- conductrice (1), le point milieu A de la bobine supraconductrice et le point milieu (B) du diviseur résistif étant reliés aux deux entrées d'un comparateur à seuil. 4. Détecteur selon la revendication 3, dans lequel les moyens de déconnexion comprennent des commutateurs (31-33) disposés sur les connexions entre la bobine et le détecteur, et des moyens pour ouvrir ces commutateurs dès que le comparateur fournit un signal supérieur à un seuil. 5. Détecteur selon la revendication 3, dans lequel les moyens de déconnexion comprennent des commutateurs disposés sur chacune des connexions vers le point haut, le point bas et le point milieu de la bobine supraconductrice. 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, comprenant en outre des moyens pour décaler la tension de sortie du point milieu du pont résistif quand la bobine supra- conductrice est soumise à une variation de champ résultant d'une autre bobine. 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel les moyens de déconnexion sont des relais reed.