EP2537218A1 - Detecteur de transition de bobine supraconductrice - Google Patents

Detecteur de transition de bobine supraconductrice

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EP2537218A1
EP2537218A1 EP11712911A EP11712911A EP2537218A1 EP 2537218 A1 EP2537218 A1 EP 2537218A1 EP 11712911 A EP11712911 A EP 11712911A EP 11712911 A EP11712911 A EP 11712911A EP 2537218 A1 EP2537218 A1 EP 2537218A1
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EP
European Patent Office
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coil
detector
detection
transition
superconducting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11712911A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Arnaud Badel
Pascal Tixador
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/001—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for superconducting apparatus, e.g. coils, lines, machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
    • H02H1/0038—Details of emergency protective circuit arrangements concerning the connection of the detecting means, e.g. for reducing their number
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to superconductive coils at high or low critical temperature subjected to high voltages, during normal use and / or during discharge in case of state transition.
  • the present invention more particularly relates to the detection of transitions for the purpose of protecting such coils.
  • One solution for protecting the winding is to detect such a localized transition and therefore to discharge the coil very quickly before it can be destroyed.
  • the discharge of the current must be as fast as possible for limit the amount of energy dissipated to heat in the transition area. For this purpose, it is necessary to reach the highest possible discharge voltage. Voltages of several kV are common, they can reach several tens of kV in very large systems.
  • FIG. 1 represents a circuit diagram of a superconducting coil 1 used as a current pulse generator.
  • This coil is powered by a power source ⁇ tion 3 by 1 high voltage switches such as electromechanical relays 5a and 5b.
  • a load 7 is arranged in parallel on the coil. Thus, when the switches 5a, 5b are closed, the coil is charged by the power source 3. On opening the switches 5a, 5b, the coil discharges into the load 7.
  • a voltage divider 8 consisting for example of two resistors RI, R2 being part of a potentiometer and compares the voltage between the midpoint A of the coil and the midpoint B of resis ⁇ stances. Normally this voltage is zero. However, if there is a state transition at a point of the coil, the bridge constituted by the half-coils and the two resistors R1, R2 is unbalanced.
  • the imbalance is detected by a threshold comparator 9 whose output is supplied to a processing stage 11.
  • the processing stage 11 provides, as soon as the comparator 9 has detected an imbalance, a control signal on an output 13 towards the switches 5a and 5b which are then open to discharge the coil.
  • the circuit 11 may also comprise an external control input 15 for comman ⁇ der discharge of the coil when the latter is desired.
  • This circuit operates satisfactorily if the center point A of the coil is connected to the same reference as all the detection and processing circuits, namely in general the earth. Otherwise, from the very beginning of the discharge, the very high voltage appearing across the coil is Suspected ⁇ tible to destroy elements of the detection and processing circuit.
  • the present invention aims to overcome at least some disadvantages of devices of the prior art.
  • the present invention provides a simple localized transition detection system in a superconducting coil, protected against very high voltages likely to appear at the terminals of the coil, for example during periods of discharge of this coil.
  • an embodiment of the present invention provides a superconducting coil transition detector including means for disconnecting the detector upon detecting a transition.
  • the detector comprises means for triggering a discharge phase of the coil immediately after detection of a transition state by the detector.
  • a resistive divider is arranged in parallel on the superconducting coil, the midpoint of the superconducting coil and the midpoint of the resistive divider being connected to the two inputs of a threshold comparator.
  • the disconnection means comprise switches arranged on the connections between the coil and the detector, and means for opening these switches as soon as the comparator provides a signal greater than a threshold.
  • the disconnection means comprise switches arranged on each of the connections to the high point, the low point and the midpoint of the superconducting coil.
  • the detector further comprises means for shifting the output voltage of the mid-point of the resistive bridge when the superconducting coil is subjected to a field variation resulting from another coil.
  • the disconnection means are reed relays.
  • FIG. 1, previously described, represents a superconducting coil transition detection circuit
  • FIG. 3 shows a coil transition detection protected circuit superconductor according to one embodiment of Réali ⁇ tion of the present invention.
  • FIG. 4 shows a transition detection protected circuit adapted to a system comprising two sets of superconducting coils, according to an embodiment of the present invention.
  • Controlled relays 31, 32 and 33 are inserted on the connections leading respectively to the high, low and middle points of the coil, between the power circuit and the detection and processing circuit.
  • these relays are arranged at the inputs of the threshold comparator 9.
  • the processing circuit 11 is replaced by a processing circuit ⁇ ment 35 further comprising an output 37 own to control the opening of the relays 31-33 , which are for example reed relays, as soon as a voltage unbalance of some millivolts is detected between the two halves of the superconducting coil.
  • the signal on the terminal 37 for opening the relays 31 and 33 is provided a few moments (a few microseconds) before providing a signal on the terminal 13 to open the main relays 5a and 5b of the power circuit.
  • the detection and processing circuit is completely isolated from the high voltages which may appa ⁇ Raitre on the coil during the discharge thereof and can then be used a simple detection and processing circuit not specially protected.
  • this circuit does not need to be particularly insensitive to the noise since it detects, without division, all the voltage difference present between the two halves of the superconducting coil when it is in normal operation (in out of the discharge phases).
  • FIG. 4 illustrates the case of a system in which there are two sets of superconducting coils close to each other and shows how can be protected by controlled switches, as described above, the detection circuits without the landfill of a first superconducting coil causes the concomitant discharge of the second superconducting coil.
  • the problem is that when two superconducting coils are arranged in the vicinity of each other, the variation of the field generated by the first coil has an influence on the second coil.
  • This influence is asymmetrical, and acts mainly on the parts of the second coil located in the vicinity of the first coil.
  • the detector associated with the second coil may detect a voltage change between the two halves of the second coil and, therefore, cause the discharge of the second coil, which is not desired.
  • Each detector in addition to the elements already described, comprises a modification of the connection of the junction point B of the resistors R1 and R2.
  • This point B instead of being connected directly to an input of the threshold comparator 9 is connected thereto via a divider bridge R3, R4.
  • Resistor R3 is connected to the point B, the junction of resistors R3 and R4 is connected to the input of the threshold comparator and the second terminal of resistor R4 is connected to a terminal of a detection Induc ⁇ tance 40 arranged in the lower set of FIG. 4.
  • the other terminal of this detection coil 40 is connected to the midpoint of the coil 1 and to the second input of the threshold comparator 9.
  • the lower coil if the lower coil is in a state of discharge and exerts an influence on the lower part of the upper coil, while the switches 31-33 of the upper assembly are closed, it develops a voltage vl. between the points A and B.
  • This voltage is due to the field variation produced by the discharge of the lower coil and is detected by the coil 40 which applies a voltage v2 between the reference terminal of the comparator 9 and the lower terminal of the resistance R4.
  • These voltages v1 and v2 resulting from the same pheno ⁇ leads can be adjusted, by adjusting the values of the detection coils and / or the values of the resistors R3 and R4 to compensate for each other, so that, on the upper side, no variation voltage is detected.
  • a superconducting coil generally consists of a set of coil elements (slabs).
  • the circuit diagrams given here are very simplified. Conventionally, the additional elements may be added by those skilled in the art.

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

L'invention concerne un détecteur de transition de bobine supraconductrice comprenant des moyens de déconnexion du détecteur immédiatement avant une phase de décharge de la bobine. Le détecteur comprend un diviseur résistif (R1, R2) en parallèle sur la bobine supraconductrice (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. 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.

Description

DETECTEUR DE TRANSITION DE BOBINE SUPRACONDUCTRICE
Domaine de 1 ' 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 1 ' art antérieur
II est connu qu'il existe un risque pour que, en un point d'une bobine supraconductrice, il se produise une transi¬ tion 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 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'alimenta¬ tion 3 par 1 ' 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 résis¬ tances. 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 RI, 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 haute tension apparaissant aux bornes de la bobine est suscep¬ tible 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'addi¬ tion 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 Détection 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°l, 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 du fait de la très faible tension de déséquilibre que l'on cher¬ che 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. 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 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 réali¬ sation 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. 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'appa¬ raître 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 première bobine supraconductrice entraîne la mise en décharge concomitante de la deuxième bobine supraconductrice.
Le problème est que, quand deux bobines supraconduc- trices 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 RI 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 induc¬ tance 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 vl 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 vl et v2 résultant d'un même phéno¬ mène, 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'homme 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 1 ' homme de 1 ' 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur de transition de bobine supraconductrice comprenant des moyens de déconnexion pour déconnecter le détecteur de la bobine dès la détection d'une transition.
2. Détecteur selon la revendication 1, comprenant des moyens pour déclencher une phase de décharge de la bobine immé¬ diatement après la détection d'un état de transition par le détecteur.
3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, comprenant un diviseur résistif (RI, 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.
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