CA2040983A1 - Limiteur de courant hybride - Google Patents

Abstract

Limiteur de courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement, en matériau conducteur non supraconducteur, ayant un grand nombre de spires, connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice de faible auto-inductance, placée dans un cryostat. Un deuxième enroulement en matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre de spires est couplé de manière serrée avec ledit premier enroulement, de manière à obtenir une inductance globale faible, ledit second enroulement étant connecté en parallèle sur l'ensemble constitué par ledit premier enroulement et ladite bobine supraconductrice.

Description

La présente invention est relative à un limiteur de courant destiné à limiter la valeur d'un courant, par exemple d'un courant de defaut dans une ligne ou une installation electrique à courant alternatif~

On connait déjà un lImiteur colprenant deux e~x~ements supraconducteurs en parallèle, chacun d'eux etant traversé
par un courant égal.
Dans lebrevetamérica~ no.37~ ~,d~ivréle ~ n~mbre ~
onaproposé ~'utiliser une bobine hybride ayant un enroulement non supraconducteur et un enroulement supraconducteur.
L'enroulement non supraconducteur a une résistance très faible par rapport à sa reactance. Le courant est réparti à égalite entre les deux enroulements qui ont à peu près le même nombre de spires. En cas de défaut, la transition de l'enroulement supraconducteur provoque le passage de la quasi totalité du courant dans l'enroulement non supraconducteur qui se comporte pratiquement comme une inductance pure et limite ainsi le cGurant de défaut.
Les dispositifs précités ne permettent pas des cycles de refermeture rapide en raison du délai relativement important pour ramener l'enroulement supraconducteur ~ l'état supraconducteur après une transition. Ce délai est en effet d'autant plus important que le courant transité est élevé.

Pbur résoudre ce problème et penmettre la réalisation de cy-cles de refermeture rapi~e, on a déjà proposé
de réaliser un limiteur comprenant un premier enroulement supraconducteur et un second enroulement non supraconducteur, les deux enroulements étant bobinés en sens inverse et connectés en parallèle, l'enroulement supraconducteur ayant un nombre de spires supérieur a celui de l'enroulement non supraconducteur, l'enroulement supraconducteur étant parcouru par une fraction du courant total, par exemple de l'ordre de 20%.
Dans un tel limiteur, un courant de défaut supérieur au courant critique fait transiter l'enroulement supraconducteur dont la valeur ohmique de la résistance augmente brusquement: la quasi totalité du courant passe alors dans l'enroulement non supraconducteur, mais l'inductance propre de cet enroulement limite la valeur du courant. Le courant résiduel est ensuite coupé par un disjoncteur classique. Comme le courant transité est de valeur relativement faible, malgre une tension retablie plus élevee, le rétablissement de l'état supraconducteur de l'enroulement supraconducteur est suffisamment rapide pour permettre la réalisation de cycles à refermeture rapide.
Dans le limiteur décrit ci-dessus, l'enroulement supraconducteur est logé dans un cryostat isolant et est bobiné à l'intérieur du second enroulement, non supraconducteur. Le cryostat isolant, par exemple rempli d'hélium liquide, exige une certaine épaisseur d'isolation, ce qui ne facilite pas la réalisation d'un couplage électromagnétique serré entre les deux enroulements. La chnte de tension inductive aux bornes du limiteur en fonctionnement normal risque de dépasser le seuil autorise, c'est-à-dire environ 5% de la tension phase-terre.
Un but de la présente invention est de réaliser un dispositi~ qui ne présente pas l'inconvénient précité, tout en conservant la propriété de permettre des cycles de refermeture rapide.
La presente invention a pour objet un limiteur de courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement, en matériau conducteur non supraconducteur, ayant un grand nombre de spires, connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice de faible auto-inductance, placée dans un cryostat, et un deuxième enroulement en matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre de spires, ledit second enroulement éta~t couple de manière serrée avec ledit premier enroulement , de manière ~ obtenir une inductance globale faible, ledit second enroulement étant connecté en parallèle sur l'ensemble constitue par ledit premier enroulement et ladite bobine supraconductrice.
Avantageusement, la bobine supraconductrice 1~ comprend deux enroulements supraconducteurs similaires et bobines en sens inverse.
Dans un mode particulier de réalisation, les premier et second enroulements font partie d'un ensemble qui comprend un tube en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents délimitant des gorges larges et peu profondes dans lesquelles sont placées les spires du second enroulement, et des gorges plus étroites et plus profondes dans lesquelles sont placées les spires du premier enroulement, les spires du premier enroulement étant bobinées en sens inverse de celles du second enroulement.
Une varistance peut 8tre montée aux bornes du premier enroulement.
Avantageusement, un noyau en matériau à bonne perméabilité magnétique est placé à l'intérieur du tube.
Dans un mode particulier de réalisation, le noyau magnétique forme un circuit fermé et saturable, avec des premier (E1) et second (E2) enroulements bobines separément.
Les supraconducteurs sont utilisés dans les limiteurs de courant ~ cause de leur propriété de transition à l'état normal dès que l'intensite du courant dépasse une certaine valeur limite. Lors de cette transition, la resistance de l'élément supraconducteur augmente de plusieurs ordres de grandeur et ceci de fa~on ~, ~ 4 _ 2 ~ 8 3 pratiquement instantanée. Si un court-circuit se produit sur la ligne, la réponse du limiteur est donc très rapide.
Cependant, apr~s une transition, plus le courant transité
est élevé, plus il faut de temps pour ramener l'élément supraconducteur ~ l'état supraconducteur. Ceci est très gênant si l'on veut que le limiteur puisse fonctionner selon des cycles ouverture-fermeture-ouverture O-0,3sF-O. Il est donc primordial de chercher à réduire le courant permanent transitant dans les éléments supraconducteurs.
Le limiteur de courant précédemment décrit permet de réduire le courant transitant dans les elements supraconducteurs grâce à un circuit à deux branches de courant en parallèle, le circuit étant concu de façon qu'il n'y ait qu'une faible partie du courant principal qui transite dans ces élements. L'utilisation d'un circuit magnétique saturable à deux branches permet avantageusement de reduire la tension existant aux bornes de la bobine supraconductrice.
En perfectionnant ce circuit magnétique, on a découvert qu'il est possible de modifier rapidement le coefficient de couplage et donc de réduire très fortement la tension aux bornes de la bobine supraconductrice. On réduit alors d'autant l'énergie thermique dissipée dans la partie supraconductrice. Ceci permet l'utilisation d'un disjoncteur de temps de coupure trois cycles au lieu d'un cycle.
A cet effet, selon une variante de réalisation, il est prévu d'utiliser un circuit magnétique à trois branches, les premier et deuxième enroulements étant bobinés chacun sur une branche separée, une troisième branche étant interrompue par un entrefer mais pouvant refermer les flux présents dans les deux premieres branches gr~ce à une pièce mobile. Ce circuit magnétique à
trois branches permet, en association avec une varistance branchée en parallèle sur le premier enroulement, de , _ 5 - ~ 383 modifier rapidement le coefficient de couplage et d'obtenir le résultat recherché.
A cet effet, le circuit magnétique comprend une premi~re et une deuxième branches dont les premières et deuxièmes extrémités sont respectivement communes pour former un circuit fermé, les premier et deuxième enroulements étant bobinés chacun autour d'une branche, le circuit comprenant en outre une branche médiane située entre les premieres extrémités et les deuxièmes extrémités, cette branche médiane comportant un entrefer et une pièce magnétique mobile permettant de supprimer cet entrefer, un dispositif de rappel agissant sur la pièce magnétique mobile pour s'opposer à la suppression de l'entrefer.
lS Dans un mode particulier de réalisation, la pièce magn~tique constitue un noyau plongeur susceptible de coulisser dans un logement de la branche mediane.
Le dispositif de rappel peut comprendre un ressort.
A~antageusement, la branche du circuit magnetique sur laquelle est bobiné le premier enroulement a une section plus petite que les sections de la branche sur laquelle est bobiné le deuxième enroulement et de la branche médiane.
Une varistance peut être montee aux bornes du premier enroulement.
L'invention est explicitée par la description ci-après en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue schématique d'un limiteur selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle en coupe axiale d'un ensemble des deux enroulements non supraconducteurs, - la figure 3 est une vue d'une limiteur selon une variante de réalisation.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne une enceinte comprenant une enveloppe métallique 2 mise à la ' - 6 - 2~a983 terre; l'enceinte comprend trois traversées isolantes 4, 5 et 6, et est remplie d'un gaz ou d'un liquide d'isolement et de refroidissement, par exemple air, huile, hexafluorure de soufre, etc A l'int~rieur de l'enceinte 1 est disposé un premier enroulement El, en cuivre, de section faible et ayant un grand nombre de spires, et un second enroulement E2, en cuivre, de grande section, et ayant un nombre de spires au moins quatre fois plus faible que celui du premier enroulement El. Les enroulements El et E2 sont bobinés en sens inverse et le couplage entre ces deux enroulements est très serré de manière que l'ensemble ait une inductance globale très faible. On donnera plus loin un exemple de réalisation d'un tel couplage.
A côté de l'enceinte 1, est dispose un cryostat lO
constitué d'une enveloppe isolante 11 munie d'une métallisation 12 à la terre et de deux traversées isolantes 13 et 14. A l'interieur du cryostat est disposée une bobine supraconductrice globalement désignée par B, mais constituée en réalité de deux enroulements supraconducteurs E3 et E4 connectés électriquement en parallèle et bobinés en sens inverse de manière à conférer à la bobine une inductance très faible. L'intérieur du cryostat est remplie d'un fluide cryogénique à une température suffisaD ent basse pour maintenir la bobine B
à l'état supraconducteur. Si la bobine est réalisée en niobium-titane, le fluide cryogénique est de l'hélium liquide.
La liaison entre l'enceinte 1 et le cryostat lO
est réalisée pour relier en série l'enroulement El et la bobine B, et connecter l'enroulement E2 en parallèle sur l'ensemble constitué par l'enroulement El et la bobine B.
Un disjoncteur classique D est inséré en série avec le limiteur de l'invention.
Le fonctionnement est le suivant:

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2~0~3 - en régime normal, le disjoncteur D est fermé et est traversé par le courant nominal In; une faible fraction de ce courant traverse la branche constituée de l'enroulement El et la bobine supraconductrice B.
- si un court-circuit intervient, la valeur du courant dépasse la valeur critique de la bobine B qui transite à l'état non supraconducteur et devient par suite très résistive avec une grande valeur ohmique. La guasi totalité du courant passe alors dans l'autre branche constituée par l'enroulement E2. Le courant de défaut est alors limité par la propre inductance de l'enroulement E2.
Cette inductance devra être suffisante pour réduire le courant de défaut à une valeur égale environ à trois ou quatre fois In. Ce courant résiduel est coupé sans difficulté par le disjoncteur D.
La figure 2 représente une vue partielle en coupe axiale d'un exemple de réalisation des enroulements E1 et E2, assurant un couplage très serré entre ces enroulements.
L'ensemble comprend un tube 20 en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon 21 ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents 21A délimitant des gorges larges et peu profondes 22 dans lesquelles sont placées les spires de l'enroulement E2, et des gorges plus étroites et plus profondes 23 dan~ lesquelles sont placées les spires de l'enroulement E1. Cette disposition permet un couplage serré des enroulements E1 et E2, de sorte que 1'inductance globale est très faible.
Ce couplage peut encore être augmenté en placant, l'intérieur du tube 20, un noyau 24 en matériau à bonne perméabilité magnétique.
Avec un noyau 24 fermé et saturable, on peut réduire sensiblement les dimensions des enroulements El et E2, qui sont alors bobinés séparément chacun sur une branche d'un circuit magnétique. Ceci permet d'avoir un coefficient de couplage élevé en régime normal et un coefficient de couplage moins élevé en regime de défaut.

- ' ' ' ~ 8 - ~0~83 Le limiteur de l'invention est performant et économique.
Grâce au couplage serré des enroulements El et E2, l'inductance de l'ensemble non supraconducteur est très faible et la chute de tension aux bornes du limiteur reste très inférieure ~ la valeur maximale imposée.
Le cryostat dans lequel est placée la bobine B est conventionnel, de sorte qu'il n'y a pas nécessité de prévoir, comme dans la réalisation précédente sus-mentionnée, un cryostat isolant thermiquement et diélectriquement conçu specialement, et donc plu5 onéreux.
La disposition du schema électrique choisi permet de rendre très faible le courant dans le bobinage supraconducteur, de sorte que les pertes lors de la transition sont faibles, le rétablissement de l'état supraconducteur est rapide, autorisant des cycles de refermeture rapide avec l'aide du disjoncteur classique D.
Avec une chute inductive en fonctionnement normal égale a 5% de la tension phase-terre, et un courant de court-circuit limité à trois fois le courant nominal, un coefficient de couplage de 0,85 permettra d'obtenir un courant dans l'enroulement El environ 7 fois plus faible que celui dans 1'enroulement E2.
L'utilisation de varistances ~ oxydes métalliques tel que l'oxyde de zinc permettra de réduire la surtension aux bornes du limiteur. En particulier, il est avantageux de mettre, aux bornes de l'enroulement E1, une varistance V (représentée en pointillés dans la figure 1), pour limiter la tension aux bornes de l'enroulement El par insertion de résistance pendant son fonctionnement. Ceci permet de réduire aussi la tension appliquée à la bobine supraconductrice B tout en limitant le courant de court-circuit sur le réseau sans modifier le coefficient de couplage.

~' _ 9 _ 2~0983 La figure 3 represente une variante de réalisation.
Selon ce mode de réalisation, les enroulements E1 et E2 sont bobinés sur deux branches separées 31 et 32 d'un circuit magnetique 30. Le circuit magnetique 30 est fermé par des branches latérales 33 et 34. Il comprend également une branche médiane 35 reliant les branches latérales 33 et 34 et comportant un entrefer 36. La branche médiane comporte une pièce magnétique mobile constituée dans le cas présent par le noyau plongeur 37 13 pouvant coulisser dans le logement 38 usiné, à partir de la branche latérale 34, dans la branche médiane 35. A
l'extérieur du circuit magnétique 30, le noyau plongeur 37 se termine par une butée de retenue 39 qui constitue, avec le ressort 40 et la coupole 41 fixée sur la branche latérale 34, un dispositif de rappel du noyau plongeur en exerçant une action tendant à l'écarter de l'entrefer 36.
En fonctionnement normal à courant nominal In, les flux ~1 et ~2, induits respectivement dans les branches 31 et 32, sont pratiquement égaux et s'opposent.
Le flux résultant ~ est donc très faible. Il n'y a alors pas, ou quasiment pas, de flux dans la branche médiane 35, donc pas de champ magnétique dans cette branche. Le noyau magnétique plongeur 37 reste ~ l'interieur du logement 38.
Il est maintenu dans cette position par le ressort de rappel 40. Le courant I1 traversant la bobine supraconductrice B est égal à une faible fraction du courant nominal In.
En cas de défaut sur la ligne d'utilisation, les courants I1 et I2 (I2 étant l'enroulem0nt circulant dans l'enroulement E2) augmentent. Quand le courant Il atteint la valeur critique, les enroulements supraconducteurs E3 et E4 transitent. Ces derniers deviennent alors très résistifs. L~ limiteur joue alors son rôle.
Le courant I1 diminue tr~s fortement en un temps extrêmement court. Il en va de même pour le flux ~1. Le courant I2 est limité à une valeur de 3 In par la - lo - 2~ 3 self-inductance propre de l'enroulement E2 conçu en conséquence.
Le flux ~2 correspondant à un courant I2 = 3 In est nettement predominant devant ~l. Le flux ~2 traverse alors la branche 3l supportant l'enroulement El et peut créer à la fois une tension importante aux bornes de la varistance V et aux bornes des enroulements E3 et E4. La varistance V est choisie pour fonctionner à une tension de valeur relativement faible et pour laisser circuler ainsi un courant assez élevé. Le flux ~l augmente rapidement et s'oppose à ~2. Ces deux flux tendent alors à passer dans la branche médiane 35 créant ainsi un champ magnétique. Le noyau plongeur 37 est attiré vers la partie de la branche médiane qui lui fait face et ferme l'entrefer 36. Le flux ~2 se referme, pour une grande partie, à travers la branche médiane 35. La tension aux bornes de l'enroulement El diminue et sa valeur approche de la tension appliquée à
l'enroulement E2, c'est-à-dire la tension de défaut phase-terre. Il en est de même de la tension aux bornes de la bobine B.
Pour favoriser le passage du flux ~2 à travers la branche médiane 35, il est avantageux de réaliser un circuit magnétique tel que la section de la branche 3l supportant l'enroulement El soit plus petite que les sections des branches 32 et 35.
Avec un tel limiteur, le disjoncteur D peut s'ouvrir environ 60 millisecondes après l'apparition du défaut sur la ligne et couper ainsi le courant de défaut résiduel (~gal environ à 3 In). Le ressort 40 ramène alors le noyau plongeur 37 à sa position initiale de repos.
L'invention s'applique à la réalisation de limiteurs pour les réseaux ou installations électriques à
haute et moyenne tension.

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Claims (10)

1. Limiteur de courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un premier enroulement, en matériau conducteur non supraconducteur, ayant un grand nombre de spires, connecté électriquement en série avec une bobine supraconductrice de faible auto-inductance, placée dans un cryostat, et un deuxième enroulement en matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre de spires, ledit second enroulement étant couplé de manière serrée avec ledit premier enroulement, de manière à obtenir une inductance globale faible, ledit second enroulement étant connecté en parallèle sur l'ensemble constitué par ledit premier enroulement et ladite bobine supraconductrice.

2. Limiteur selon la revendication 1, caractérisé
en ce que la bobine supraconductrice comprend deux enroule-ments supraconducteurs similaires et bobinés en sens inverse.

3. Limiteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premier et second enroulements font partie d'un ensemble qui comprend un tube en matériau isolant autour duquel est engagé un manchon ayant en demi-coupe axiale la forme d'un peigne avec des dents délimitant des gorges larges et peu profondes dans lesquelles sont placées les spires du second enroulement, et des gorges plus étroites et plus profondes dans lesquelles sont placées les spires du premier enroulement, les spires du premier enroulement étant bobinées en sens inverse de celles du second enroulement.

4. Limiteur selon la revendication 3, caractérisé
en ce qu'un noyau en matériau à bonne perméabilité
magnétique est placé à l'intérieur du tube.

5. Limiteur selon la revendication 4, caractérisé
en ce que le noyau magnétique forme un circuit fermé et saturable avec des premier et second enroulements bobinés séparément.

6. Limiteur de courant hybride selon la revendi-cation 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un circuit magnétique comprend une première et une deuxième branches dont les premières et deuxièmes extrémités sont respectivement communes pour former un circuit fermé, les premier et deuxième enroulements étant bobinés chacun autour d'une branche, le circuit comprenant en outre une branche médiane située entre les premières extrémités et les deuxièmes extrémités, cette branche médiane comportant un entrefer et une pièce magnétique mobile permettant de supprimer cet entrefer, un dispositif de rappel agissant sur la pièce magnétique mobile pour s'opposer à la suppression de l'entrefer.

7. Limiteur de courant hybride selon la revendi-cation 6, caractérisé en ce que la pièce magnétique constitue un noyau plongeur susceptible de coulisser dans un logement de la branche médiane.

8. Limiteur de courant hybride selon la revendi-cation 6, caractérisé en ce que le dispositif de rappel comprend un ressort.

9. Limiteur de courant hybride selon la reven-dication 7 ou 8, caractérisé en ce que la branche du circuit magnétique sur laquelle est bobiné le premier enroulement a une section plus petite que les sections de la branche sur laquelle est bobiné le deuxième enroulement et de la branche médiane.

10. Limiteur selon la revendication 1, 2, 4, 5, 7 ou 8, caractérisé en ce qu'une varistance est montée aux bornes du premier enroulement.