216736~
`_ 1 AMENEE DE COURANT HAUTE TENSION ENTRE UNE APPLICATION SUPRACONDUCTRICE
A BASSE TEMPERATURE CRITIQUE ET UNE EXTREMITE DE CONNEXION A TEMPERATURE
AMBIANTE D'UN CABLE D'ENERGIE HAUTE TENSION
L'invention concerne une amenée de courant haute tension entre une application supraconductrice à basse température critique et une extrémité de connexion à
température ambiante d'un câble d'énergie haute tension.
En particulier l'invention concerne une amenée de courant haute tension entre une application supraconductrice et une extrémité de connexion à température ambiante d~un câble d'énergie, la dite amenée comprenant au moins un élément supraconducteur à haute température critique, des premiers moyens de connexion électrique entre une première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et l'extrémité de connexion à température ambiante, et des deuxièmes moyens de connexion électrique entre une seconde extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et l'application supraconductrice.
La demande de brevet franc,aise n 9301213 divulgue une amenée de ce type. Dans ce document, il est utilisé un dispositif comprenant un conducteur reliant l'extrémité de connexion à température ambiante à l'élément supraconducteur à haute température critique, lequel est ensuite connecté à
l'application. L'application à basse température critique baigne dans de l'hélium liquide. Le conducteur est refroidi de la température ambiante à la haute température critique en étant plongé dans un récipient contenant de l'azote liquide. L'élément supraconducteur à haute température critique est contenu dans une enceinte étanche dont au moins une partie est en contact avec l'hélium liquide du bain de l'application. Ainsi l'élément supraconducteur à haute température critique est refroidi à la basse température critique par conduction. La cuve remplie d'hélium liquide et dans laquelle baigne l'application à basse température critique contient aussi les récipients remplis d'azote ~_ 2 liquide et les enceintes étanches entourant les éléments supraconducteurs à haute température critique.
DE-A-4223145 concerne une amenée de courant entre une application supraconductrice à basse température critique (4,7 K) et une extrémité de connexion à température ambiante (300 K) d'un câble d'énergie haute tension. l'amenée comprenant au moins un élément supraconducteur à haute température critique (77 K), des moyens conducteur électrique entre une première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et l'extrémité
de connexion à température ambiante, et des moyens de connexion électrique entre une seconde extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et l'application supraconductrice à basse température critique.
les moyens conducteurs forment une cavité métallique comprenant une première et une seconde extrémités reliées respectivement avec la première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et avec l'extrémité de connexion à température ambiante. La cavité
loge un réservoir rempli par de l'azote liquide, une partie des moyens conducteurs, constitutifs de la cavité
métallique, comprenant la première extrémité de la cavité
métallique, étant sensiblement au contact du réservoir.
L'application supraconductrice à basse température critique baigne dans de l'hélium liquide.
L'amenée à s'étend verticalement l'application supraconductrice à basse température critique étant en dessous de l'amenée, et les vapeur d'hélium s'élèvent et participent au refroidissement de l'amenée.
Les coefficients d'échange entre les vapeurs d'hélium et l'élément supraconducteur à haute température critique doivent être suffisants pour que ces dernières soient à une température proche de celle de l'azote liquide lorsqu'elles atteignent la première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique. Si la _ 3 température des vapeurs d'hélium est inférieure à 63 K, alors il y a des risque de congélation de l'Azote.
Pour pallier cet inconvénient, il est connu d'allonger la longueur du conducteur supraconducteur à haute température critique de manière à augmenter la surface d'échange avec les vapeurs d'hélium et ainsi de s'assurer que les vapeurs d'hélium arrivent à la première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique avec une température proche de 77 K.
En régime haute tension alternatif, les longueurs importantes de conducteurs génèrent des pertes considérables.
Un autre inconvénient est généré par l'agencement et la structure complexe et encombrante de l'amenée nécessaire pour améliorer les coefficient d'échange et cela d'autant plus que l'on utilise de fort courant à haute tension en régime alternatif. Notamment la cuve remplie d'hélium liquide constitue l'enceinte de l'ensemble des éléments de l'amenée, ou les conducteurs ont une longueur trop longue générant des pertes importantes en régime de courant alternatif.
Un premier but de la présente invention est de proposé
une amenée de courant permettant de refroidir les conducteurs exclusivement par conduction thermique.
Un autre but de la présente invention est de proposé
une amenée de courant d'agencement et de structure simplifiée même à très haute tension et en régime alternatif.
A cet effet l'invention concerne une amenée de courant entre une application supraconductrice à basse température critique et une extrémité de connexion à température ambiante d'un câble d'énergie haute tension, la dite amenée comprenant au moins un élément supraconducteur à haute température critique, des moyens conducteurs électrique entre une première extrémité de l'élément supraconducteur à
haute température critique et l'extrémité de connexion à
_ 4 température ambiante, et des moyens de connexion électrique entre une seconde extrémité de l'élément supraconducteur à
haute température critique et l'application supraconductrice. les moyens conducteurs forment une surface métallique comprenant une première et une seconde extrémités reliées respectivement avec la première extrémité de l'élément supraconducteur à haute température critique et avec l'extrémité de connexion à température ambiante, la première extrémité de la dite surface étant au contact d'un réservoir rempli par un fluide cryogénique de température égale ou inférieure à 77 K.
Selon l'invention le réservoir est structurellement étanche et isolé thermiquement de l'application à basse température critique.
Dans une forme de réalisation de l'invention, l'installation supraconductrice est disposée dans une cuve métallique, étanche, remplie d'hélium liquide. Ladite seconde extrémité dudit élément supraconducteur à haute température critique étant au contact d'au moins une partie de la cuve.
Selon une caractéristique de l'invention, la cuve d'hélium liquide étanche contenant l'application supraconductrice, l'élément supraconducteur à haute température critique, le réservoir de fluide cryogénique, et la surface métallique sont disposés dans une enceinte mise à
la masse, et dans laquelle règne un vide poussé, la seconde extrémité de la surface métallique traversant de facon étanche et électriquement isolée la dite enceinte métallique mise à la masse, et étant connectée à l'extrémité de connexion à température ambiante à l'extérieur de ladite enceinte métallique mise à la masse.
Des écrans radiatifs, reliés à la masse, entourent la cuve d'hélium liquide étanche contenant l'application supraconductrice, l'élément supraconducteur à haute température critique, et la surface métallique, à
l'intérieur de l'enceinte métallique mise à la masse.
De même des écrans thermiques électriquement isolant sont disposés autour de la surface métallique, et à
proximité de la deuxième extrémité de la surface métallique à l'intérieur de l'enceinte métallique mise à la masse.
A l'intérieur de l'enceinte métallique, le réservoir rempli de fluide cryogénique et la cuve métallique remplie d'hélium liquide sont reliés à des réservoirs d'alimentation respectivement en fluide cryogénique et en hélium liquide par des liaisons d'alimentation, lesdites liaisons d'alimentation isolant électriquement le réservoir rempli de fluide cryogénique et la cuve métallique remplie d'hélium liquide de leur réservoir d'alimentation associé.
Un premier avantage de la présente invention est d'avoir éliminé le contact direct des conducteurs avec le fluide cryogénique destiné à les refroidir.
Un deuxième avantage est de proposer une amenée de courant d'un agencement simplifiée qui ne génère pas d'encombrement rédhibitoire même à très haute tension.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention résulterons de la description qui va suivre en référence aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'une amenée selon l'invention.
La figure 2 est une représentation schématique en coupe suivant la ligne II-II de la représentation de la figure 1.
Selon l'invention, l'amenée de courant a pour but d'amener du courant haute ou très haute tension entre une application supraconductrice 2 à basse température critique (4, 2 K) et une extrémité de connexion 3 d'un câble d'énergie haute tension à température ambiante (300 K).
L'amenée comprend au moins un élément supraconducteur 4 à haute température critique (77 K), des moyens conducteur électrique 5 entre une première extrémité 6 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique et l'extrémité de connexion 3 à température ambiante, et des _ 6 moyens de connexion électrique 7 entre une seconde extrémité
8 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique et l'application supraconductrice 2.
Selon l'invention, les moyens conducteurs 5 forment une surface métallique 9 comprenant une première 10 et une seconde 11 extrémités reliées respectivement avec la première extrémité 6 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique et avec l'extrémité de connexion 3 à
température ambiante.
La première extrémité 10 de la dite surface étant au contact d'un réservoir 12 rempli par un fluide cryogénique de température égale ou inférieure à 77 K.
Avantageusement la première extrémité 6 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique est au contact d'au moins une partie du réservoir 12.
Ainsi, la première extrémité 6 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique et la partie des moyens conducteurs 5 constitutifs de la surface métallique 9 comprenant la première extrémité 10 de la surface métallique 9 sont refroidies par conduction thermique à la température du liquide cryogénique contenu dans le réservoir 12, c'est à dire 77 K. Avantageusement le réservoir 12 est dans un matériau bon conducteur thermique comme, par exemple non limitatif, du cuivre.
Dans la forme de réalisation de l'invention représentée sur les figures, la surface métallique 9 est un cylindre creux formé par une pluralité de conducteurs 25, chacun formant une génératrice dudit cylindre. Ainsi les conducteurs sont optimisés pour limiter les pertes en régime de courant alternatif. La pluralité des conducteurs 25 ont avantageusement une section transversale rectangulaire et/ou sont constitués de plusieurs conducteurs élémentaires transposés.
Avantageusement l'élément supraconducteur 4 à haute température critique est un tube supraconducteur 4 à haute température critique.
21673~4 _ 7 Selon l'invention, l'installation supraconductrice 2 est disposée dans une cuve métallique 13 remplie d'hélium liquide (4,2 K), étanche et thermiquement isolée du réservoir 12. La seconde extrémité 8 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique est au contact, par l'intermédiaire des moyens de connexion 7, de l'hélium liquide.
Ainsi, la seconde extrémité 8 de l'élément supraconducteur 4 à haute température critique est refroidie par conduction thermique à la température de l'hélium liquide contenu dans la cuve métallique 13, c'est à dire 4,2 K.
Selon une caractéristique de l'invention, la cuve métallique étanche 13 remplie d'hélium liquide et comprenant l'application supraconductrice 2, l'élément supraconducteur 4 à haute température critique, et la surface métallique 9 sont disposés dans une enceinte 14 mise à la massé, et dans laquelle règne un vide poussé (de l'ordre de 10-6 Torr). Ce vide poussé joue à la fois le rôle d'isolant thermique et d'isolant électrique entre l'enceinte 14 à la masse et l'amenée et l'application qui se trouvent à la haute tension. Cette enceinte métallique 14 est avantageusement réalisée en acier inoxydable, par exemple 304L.
La seconde extrémité 11 de la surface métallique 9 traverse de facon étanche et électriquement isolée l'enceinte métallique 14 mise à la masse, et est connectée à
l'extrémité de connexion 3 à température ambiante à
l'extérieur de ladite enceinte métallique 14 mise à la masse. L'isolation et l'étanchéité avec l'enceinte métallique 14 peuvent être réalisées, de façon non limitative, par une pièce isolante 20 en verre ou en céramique montée sur un isolateur 21 en résine époxy chargée ou en verre trempé.
A l'intérieur de l'enceinte métallique 14 mise à la masse, des écrans radiatifs 30 reliés à la masse, entourent la cuve métallique étanche 13 remplie d'hélium liquide et _ 8 comprenant l'application supraconductrice 2, l'élément supraconducteur 4 à haute température critique, et la surface métallique 9.
De même à l'intérieur de l'enceinte métallique mise à
la masse, des écrans thermiques 31 sont disposés autour de la surface métallique 9, et à proximité de la seconde extrémit~ 11 de la surface m~tallique 9.
A l'intérieur de l'enceinte métallique 14, le réservoir 12 rempli d'azote liquide et la cuve métallique 13 remplie~ d'hélium liquide sont reliés à des réservoirs d'alimentation 17, 18 respectivement en azote liquide et en hélium liquide par des liaisons d'alimentation 15, 16. Les liaisons d'alimentation 15, 16 isolent électriquement le réservoir 12 rempli d'azote liquide et la cuve métallique 13 remplie d'hélium liquide de leur réservoir d'alimentation 17, 18 associé. Ces liaisons d'alimentation isolantes peuvent être, de façon non limitative, réalisées en matériau de type verre-métal ou céramique-métal.
La présente invention permet d'avoir des amenées de courant haute tension compactes avec des pertes minimales pour des forts courants sous haute tension.
Dans un mode de réalisation non représenté, l'élément supraconducteur 4 à haute température critique peut être une liaison électrique supraconductrice du type décrit dans la demande de brevet français 9409708.
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 du métier 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. 216736 ~
`_ 1 HIGH VOLTAGE CURRENT BETWEEN A SUPERCONDUCTING APPLICATION
LOW CRITICAL TEMPERATURE AND A TEMPERATURE CONNECTING END
AMBIENT OF A HIGH VOLTAGE ENERGY CABLE
The invention relates to a high current supply voltage between a superconductive application at low critical temperature and a connection end to ambient temperature of a high voltage power cable.
In particular, the invention relates to a supply of high voltage current between a superconductive application and a connection end at room temperature of one power cable, the said supply comprising at least one critical high temperature superconducting element, first means of electrical connection between a first end of the high temperature superconducting element critical and the connection end at room temperature, and second means of electrical connection between a second end of the high superconducting element critical temperature and superconductive application.
The patent application franc, aise n 9301213 discloses a brought like this. In this document, a device comprising a conductor connecting the end of connection at room temperature to the superconducting element at high critical temperature, which is then connected to the application. Application at critical low temperature is bathed in liquid helium. The conductor is cooled from room temperature to high critical temperature by being immersed in a container containing nitrogen liquid. The high temperature superconducting element critical is contained in a sealed enclosure of which at least a part is in contact with the liquid helium of the the application. So the high-superconducting element critical temperature is cooled to low temperature conduction criticism. The tank filled with liquid helium and in which the application is bathed at low temperature also contains containers filled with nitrogen ~ _ 2 liquid and the sealed enclosures surrounding the elements high critical temperature superconductors.
DE-A-4223145 relates to a current supply between a superconductive application at low critical temperature (4.7 K) and one connection end at room temperature (300 K) of a high voltage power cable. the supply comprising at least one high superconducting element critical temperature (77 K), conductive means electric between a first end of the element high critical temperature superconductor and the end of connection at room temperature, and means of electrical connection between a second end of the critical high temperature superconducting element and superconducting application at critical low temperature.
the conductive means form a metal cavity comprising first and second connected ends respectively with the first end of the element superconductor with high critical temperature and with the connection end at room temperature. The cavity accommodates a tank filled with liquid nitrogen, some conductive means, constituting the cavity metallic, including the first end of the cavity metallic, being substantially in contact with the reservoir.
Superconductive application at low temperature critical is bathed in liquid helium.
The brought to vertically extends the application superconducting at low critical temperature being in below the inlet, and the helium vapor rises and participate in the cooling of the supply.
The exchange coefficients between helium vapors and the critical high temperature superconducting element must be sufficient for the latter to be at a temperature close to that of liquid nitrogen when they reach the first end of the element high critical temperature superconductor. If the _ 3 helium vapor temperature is less than 63 K, then there is a risk of nitrogen freezing.
To overcome this drawback, it is known to lengthen the length of the high superconducting conductor critical temperature so as to increase the surface of exchange with helium vapors and thus ensuring that helium vapors reach the first end of the critical high temperature superconducting element with a temperature close to 77 K.
In high voltage AC mode, the lengths conductors generate losses considerable.
Another drawback is generated by the layout and the complex and bulky structure of the necessary supply to improve the coefficient of exchange and this all the more more than using high current at high voltage in alternative diet. Especially the tank filled with helium liquid constitutes the enclosure of all the elements of the supply, or the conductors are too long generating significant losses under current conditions alternative.
A first object of the present invention is to propose a current supply for cooling the conductors exclusively by thermal conduction.
Another object of the present invention is to propose an arrangement and structure current supply simplified even at very high voltage and operating alternative.
To this end, the invention relates to a current supply between a superconductive application at low temperature critical and one temperature connection end ambient of a high voltage power cable, the so-called comprising at least one high superconducting element critical temperature, electrically conductive means between a first end of the superconducting element at high critical temperature and the connection end to _ 4 room temperature, and electrical connection means between a second end of the superconducting element at high critical temperature and application superconductive. the conductive means form a surface metallic comprising first and second ends connected respectively with the first end of the critical high temperature superconducting element and with the connection end at room temperature, the first end of said surface being in contact with a tank filled with cryogenic temperature fluid equal to or less than 77 K.
According to the invention the reservoir is structurally waterproof and thermally insulated from low application critical temperature.
In one embodiment of the invention, the superconductive installation is placed in a tank metallic, waterproof, filled with liquid helium. Said second end of said high superconducting element critical temperature being in contact with at least part of the tank.
According to a characteristic of the invention, the tank waterproof liquid helium containing the application superconductive, the high superconducting element critical temperature, the cryogenic fluid reservoir, and the metal surface are arranged in an enclosure the mass, and in which there is a high vacuum, the second end of the metal surface passing through waterproof and electrically isolated, said metal enclosure grounded, and being connected to the end of connection at room temperature outside of said grounded metal enclosure.
Radiant screens, connected to ground, surround the sealed liquid helium tank containing the application superconductive, the high superconducting element critical temperature, and the metal surface at inside the grounded metal enclosure.
Likewise electrically insulating heat shields are arranged around the metal surface, and at proximity to the second end of the metal surface inside the grounded metal enclosure.
Inside the metal enclosure, the tank filled with cryogenic fluid and the metal tank filled liquid helium are connected to supply tanks respectively in cryogenic fluid and in liquid helium by supply links, said links supply electrically insulating the tank filled with cryogenic fluid and the metal tank filled with helium liquid from their associated supply tank.
A first advantage of the present invention is to have eliminated direct contact of conductors with the cryogenic fluid intended to cool them.
A second advantage is to offer a supply of stream of a simplified layout that does not generate prohibitive congestion even at very high voltage.
Other advantages and features of this invention will result from the description which follows in reference to the accompanying drawings in which:
Figure 1 is a schematic representation of a embodiment of a feed according to the invention.
Figure 2 is a schematic representation in section along line II-II of the representation of the figure 1.
According to the invention, the purpose of the current supply is to bring high or very high voltage current between a superconducting application 2 at low critical temperature (4.2 K) and a connection end 3 of a cable high voltage energy at room temperature (300 K).
The input includes at least one superconductive element 4 at high critical temperature (77 K), conductive means electric 5 between a first end 6 of the element superconductor 4 at high critical temperature and the connection end 3 at room temperature, and _ 6 electrical connection means 7 between a second end 8 of the high temperature superconducting element 4 critical and the superconductive application 2.
According to the invention, the conductive means 5 form a metal surface 9 comprising a first 10 and a second 11 ends connected respectively with the first end 6 of the superconducting element 4 at high critical temperature and with connection end 3 to ambient temperature.
The first end 10 of said surface being at contact of a reservoir 12 filled with a cryogenic fluid with a temperature equal to or less than 77 K.
Advantageously, the first end 6 of the element superconductor 4 at high critical temperature is at contact of at least part of the reservoir 12.
So the first end 6 of the element 4 critical high temperature superconductor and the part conductive means 5 constituting the surface metallic 9 comprising the first end 10 of the metal surface 9 are cooled by conduction thermal at the temperature of the cryogenic liquid contained in the tank 12, that is to say 77 K. Advantageously the tank 12 is in a material which is a good thermal conductor such as, for example, without limitation, copper.
In the embodiment of the invention shown in the figures, the metal surface 9 is a hollow cylinder formed by a plurality of conductors 25, each forming a generator of said cylinder. So the drivers are optimized to limit operating losses of alternating current. The plurality of conductors 25 have advantageously a rectangular cross section and / or consist of several elementary conductors transposed.
Advantageously the superconductive element 4 at high critical temperature is a 4 high superconducting tube critical temperature.
21673 ~ 4 _ 7 According to the invention, the superconductive installation 2 is placed in a metal tank 13 filled with helium liquid (4.2 K), waterproof and thermally isolated from reservoir 12. The second end 8 of the element superconductor 4 at high critical temperature is at contact, via connection means 7, of liquid helium.
So the second end 8 of the element superconductor 4 at high critical temperature is cooled by thermal conduction at the temperature of helium liquid contained in the metal tank 13, i.e. 4.2 K.
According to a characteristic of the invention, the tank waterproof metallic 13 filled with liquid helium and comprising the superconductive application 2, the superconductive element 4 at high critical temperature, and the metal surface 9 are arranged in an enclosure 14 massaged, and in which reigns a high vacuum (of the order of 10-6 Torr). This high vacuum acts both as a thermal insulator and of electrical insulation between the enclosure 14 to earth and the supply and the application which are at the high voltage. This metal enclosure 14 is advantageously made of stainless steel, for example 304L.
The second end 11 of the metal surface 9 waterproof and electrically insulated cross member the metal enclosure 14 grounded, and is connected to the connection end 3 at room temperature at the exterior of said metal enclosure 14 placed mass. Insulation and sealing with the enclosure metal 14 can be made, not limiting, by an insulating piece 20 of glass or ceramic mounted on an insulator 21 in charged epoxy resin or tempered glass.
Inside the metal enclosure 14 placed ground, radiation screens 30 connected to ground, surround the sealed metal tank 13 filled with liquid helium and _ 8 including the superconductive application 2, the element superconductor 4 at high critical temperature, and the metal surface 9.
Likewise inside the metal enclosure mass, heat shields 31 are arranged around the metal surface 9, and near the second end 11 of the metal surface 9.
Inside the metal enclosure 14, the tank 12 filled with liquid nitrogen and the metal tank 13 filled with liquid helium are connected to tanks supply 17, 18 respectively with liquid nitrogen and liquid helium via supply links 15, 16. The supply links 15, 16 electrically isolate the tank 12 filled with liquid nitrogen and the metal tank 13 filled with liquid helium from their supply tank 17, 18 associated. These insulating power links can be, without limitation, made of material glass-metal or ceramic-metal type.
The present invention makes it possible to have leads of compact high-voltage current with minimal losses for high currents under high voltage.
In an embodiment not shown, the element superconductor 4 at high critical temperature can be a superconductive electrical connection of the type described in the French patent application 9409708.
Of course, the invention is not limited to the mode of realization described and represented, but it is likely many variants accessible to those skilled in the art without that we depart from the invention. In particular, we can, without departing from the scope of the invention, replace any means by equivalent means.