FR2647590A1

FR2647590A1 - Superconducting current-limiting transformer

Info

Publication number: FR2647590A1
Application number: FR8906914A
Authority: FR
Inventors: Doan Van Pham; Alain Fevrier; Yves Laumond
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Holdings SA
Priority date: 1989-05-26
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1990-11-30

Abstract

The present invention relates to a superconducting current-limiting transformer. The subject is a polyphase current-limiting transformer comprising, for each phase, between a first point A and a second point C, which are situated upstream of the said lines d1, d2, d3, ..., dn and downstream of the secondary coiling 13, a circuit breaker 21 in series with a first switch 17, the said second point C and a third point B, common to the said circuit breaker 21 and to the said first switch 17 being connected by a low-resistance electrical link 20 in series with a circuit including two branches in parallel, the first branch consisting of a first superconducting winding 14, the second branch consisting of a second superconducting winding 15 in series with a second switch 16. Application to high and medium voltage electrical distribution and transmission facilities.

Description

Transformateur-limiteur de courant supraconducteur
La présente invention concerne un transformateur-limiteur de courant supraconducteur, utilisable notamment dans les installations de transport et de distribution électrique à haute et moyenne tension.Superconductive current limiting transformer
The present invention relates to a superconducting current-limiting transformer, usable in particular in high and medium voltage electrical transport and distribution installations.

Les avantages du transformateur de puissance à bobinages supraconducteurs (très faibles pertes Joule, poids et encombrement réduits) sont bien connus. I1 a été également mentionné qu'un tel transformateur permet de limiter automatiquement l'intensité du courant lors de l'apparition d'un défaut, par la transition à l'état non supraconducteur des enroulements, dont la résistance passe alors brusquement d'une valeur nulle à une valeur importante. On se référera utilement à cet égard à la communication intitulée "PRELIMINARY TESTS ON A
SUPERCONDUCTING POWER TRANSFORMER" (A.Février, J.P.The advantages of the power transformer with superconductive windings (very low Joule losses, reduced weight and size) are well known. It has also been mentioned that such a transformer makes it possible to automatically limit the intensity of the current during the appearance of a fault, by the transition to the non-superconductive state of the windings, the resistance of which then passes abruptly from a zero value to an important value. In this respect, we will usefully refer to the communication entitled "PRELIMINARY TESTS ON A
SUPERCONDUCTING POWER TRANSFORMER "(A.February, JP

Tavergnier, Y. Laumond, M. Bekhaled) faite à l'occasion de la "Tenth International Conference on Magnet Technology (MTIO)" 22-25 septembre 1987.Tavergnier, Y. Laumond, M. Bekhaled) made on the occasion of the "Tenth International Conference on Magnet Technology (MTIO)" September 22-25, 1987.

Lorsque le transformateur est utilisé pour alimenter simultanément plusieurs lignes, cette auto-limitation du courant devient un inconvénient puisque, pour une seule ligne en défaut, toutes les autres lignes se voient privées de courant. Un but de la présente invention est de réaliser un transformateur-limiteur de courant qui permette, lorsqu'un défaut survient sur l'une des lignes qu'il alimente, de conserver l'alimentation des autres lignes. When the transformer is used to supply several lines simultaneously, this self-limitation of the current becomes a drawback since, for a single faulty line, all the other lines are deprived of current. An object of the present invention is to provide a current-limiting transformer which allows, when a fault occurs on one of the lines which it supplies, to keep the power supply of the other lines.

L'invention a pour objet un transformateur-limiteur de courant polyphasé comprenant, pour chaque phase, un bobinage primaire supraconducteur destiné à être relié à un générateur électrique et un bobinage secondaire supraconducteur destiné à alimenter une pluralité de lignes munies chacune d'un disjoncteur de ligne, caractérisé en ce que, pour chaque phase, entre un premier point et un second point, situés en amont desdites lignes et en aval du bobinage secondaire est connecté un disjoncteur en série avec un premier enclencheur, ledit second point et un troisième point commun audit disjoncteur et audit premier enclencheur étant reliés par une liaison à faible résistance électrique en série avec un circuit comportant deux branches en parallèle, la première branche étant constituée d'un premier enroulement supraconducteur, la seconde branche étant constituée d'un second enroulement supraconducteur en série avec un second enclencheur. The subject of the invention is a polyphase current limiting transformer comprising, for each phase, a primary superconductive winding intended to be connected to an electric generator and a secondary superconductive winding intended to supply a plurality of lines each provided with a circuit breaker line, characterized in that, for each phase, between a first point and a second point, located upstream of said lines and downstream of the secondary winding is connected a circuit breaker in series with a first latching device, said second point and a third common point to said circuit breaker and to said first latch being connected by a low electrical resistance link in series with a circuit comprising two branches in parallel, the first branch consisting of a first superconductive winding, the second branch consisting of a second superconductive winding in series with a second latch.

Le courant critique des enroulements supraconducteurs est compris entre 0,6 et 0,8 fois celui du bobinage secondaire du transformateur de courant. The critical current of the superconductive windings is between 0.6 and 0.8 times that of the secondary winding of the current transformer.

Avantageusement, le temps de manoeuvre dudit disjoncteur est inférieur à celui desdits disjoncteurs de ligne. Advantageously, the operating time of said circuit breaker is less than that of said line circuit breakers.

Dans un mode préféré de réalisation, ledits premier et deuxième enclencheurs sont disposés à l'intérieur des traversées haute tension d'un cryostat commun contenant ledit transformateur et lesdits premier et deuxième enroulements supraconducteurs. In a preferred embodiment, said first and second latchers are arranged inside the high voltage bushings of a common cryostat containing said transformer and said first and second superconductive windings.

Dans une variante de réalisation, les bobinages du transformateur d'une part, et lesdits premier et deuxième enroulements supraconducteurs d'autre part, sont disposés dans des cryostats distincts. In an alternative embodiment, the windings of the transformer on the one hand, and said first and second superconductive windings on the other hand, are arranged in separate cryostats.

L'invention est expliquée en détail dans la description donnée ci-après en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est un schéma électrique triphasé d'une installation électrique,
- la figure 2 est un schéma électrique relatif à une phase du transformateur-limiteur de l'invention,
- la figure 3 est un schéma d'une phase du transformateur-limiteur de l'invention dans un mode de réalisation comprenant deux cryostats,
- la figure 4 est un schéma d'une phase du transformateur-limiteur de l'invention dans un mode de réalisation comprenant un seul cryostat.The invention is explained in detail in the description given below with reference to the attached drawing in which:
FIG. 1 is a three-phase electrical diagram of an electrical installation,
FIG. 2 is an electrical diagram relating to a phase of the transformer-limiter of the invention,
FIG. 3 is a diagram of a phase of the transformer-limiter of the invention in an embodiment comprising two cryostats,
- Figure 4 is a diagram of a phase of the transformer-limiter of the invention in an embodiment comprising a single cryostat.

Dans la figure 1, la référence 1 désigne un générateur triphasé alimentant les bobinages primaires 2A, 2B, 2C d'un transformateur T; les bobinages primaires sont par exemple connectés en triangle, alors que les bobinages secondaires 3A, 3B, 3C sont reliés en étoile. Le secondaire du transformateur T est relié à un jeu de barres triphasé J d'où partent plusieurs lignes triphasées
L1, L2, L3,...Ln.In FIG. 1, the reference 1 designates a three-phase generator supplying the primary windings 2A, 2B, 2C of a transformer T; the primary windings are for example connected in a triangle, while the secondary windings 3A, 3B, 3C are connected in star. The secondary of the transformer T is connected to a three-phase busbar J from which several three-phase lines leave
L1, L2, L3, ... Ln.

Dans la suite de la description, il ne sera décrit que les éléments relatifs à une seule phase, étant entendu que ces éléments se retrouvent à l'identique pour chacune des autres phases de l'installation. In the following description, only the elements relating to a single phase will be described, it being understood that these elements are found identically for each of the other phases of the installation.

Dans la figure 2, qui est un schéma de principe de l'invention, on a référencé 10 un cryostat enfermant les bobinages supraconducteurs primaire 11 et secondaire 13 d'une phase d'un transformateur supraconducteur possédant un noyau 12. Ces bobinages sont reliés aux bobinages homologues des autres phases selon le schéma de la figure 1. Le secondaire 13 est relié au jeu de barres J. In FIG. 2, which is a block diagram of the invention, a cryostat 10 is referenced enclosing the primary 11 and secondary 13 superconductive windings of a phase of a superconductive transformer having a core 12. These windings are connected to the homologous windings of the other phases according to the diagram in FIG. 1. The secondary 13 is connected to the busbar J.

Les références dl, d2, d3, ... dn désignent une phase des disjoncteurs de ligne, les références 11, 12, 13, ..ln désignant une phase homologue des lignes. The references dl, d2, d3, ... dn denote a phase of the line circuit breakers, the references 11, 12, 13, ..ln denote a phase homologous to the lines.

Entre un premier point A et un second point C situés tous les deux en aval du transformateur 10 et en amont des lignes 11, 12, 13, ...lu, sont insérés, en série, un disjoncteur 21 et un premier enclencheur 17. Entre le second point C et un troisième point B, commun au disjoncteur 21 et au premier enclencheur 17 est disposée une liaison 20, à faible résistance électrique, en série avec un circuit comprenant deux branches en parallèle; la première branche comporte un premier enroulement supraconducteur 14; la seconde branche comprend, en série, un second enroulement supraconducteur 15, et un second enclencheur 16. Les enroulements supraconducteurs sont construits pour avoir une faible inductance. Between a first point A and a second point C both located downstream of the transformer 10 and upstream of the lines 11, 12, 13, ... read, are inserted, in series, a circuit breaker 21 and a first latch 17. Between the second point C and a third point B, common to the circuit breaker 21 and to the first latch 17 is disposed a connection 20, with low electrical resistance, in series with a circuit comprising two branches in parallel; the first branch comprises a first superconductive winding 14; the second branch comprises, in series, a second superconductive winding 15, and a second latch 16. The superconductive windings are constructed to have a low inductance.

Par ailleurs, les enroulements supraconducteurs 14 et 15 ont par construction un courant critique compris entre 0,6 et 0,8 fois celui du bobinage secondaire 13 d transformateur supraconducteur. Furthermore, the superconductive windings 14 and 15 have, by construction, a critical current of between 0.6 and 0.8 times that of the secondary winding 13 of the superconductive transformer.

Dans un mode particulier de réalisation, les enroulements supraconducteurs 14 et 15 sont dans un cryostat 18 distinct de celui du transformateur supraconducteur. In a particular embodiment, the superconductive windings 14 and 15 are in a cryostat 18 distinct from that of the superconductive transformer.

Le disjoncteur 21 a, de préférence, un temps de fonctionnement à l'ouverture très faible et inférieur à celui des disjoncteurs de ligne. On dit alors que le disjoncteur 21 est un disjoncteur rapide. The circuit breaker 21 preferably has a very short operating time on opening and less than that of the line circuit breakers. It is then said that the circuit breaker 21 is a fast circuit breaker.

Le fonctionnement du disjoncteur-limiteur de l'invention est le suivant:
- en service normal, les enclencheurs 16 et 17 sont ouverts et le disjoncteur 21 est fermé. Les disjoncteurs de ligne dl, d2, d3, ...dn sont supposés fermés. Le courant nominal Io traverse le bobinage 13, la liaison 20, l'enroulement supraconducteur 14 et le disjoncteur 21 pour alimenter les lignes.The operation of the circuit breaker-limiter of the invention is as follows:
- in normal service, the switches 16 and 17 are open and the circuit breaker 21 is closed. Line circuit breakers dl, d2, d3, ... dn are assumed to be closed. The nominal current Io passes through the winding 13, the connection 20, the superconductive winding 14 and the circuit breaker 21 to supply the lines.

- en cas d'apparition d'un défaut, par exemple sur la ligne 13, le courant Io augmente très vite et atteint la valeur critique de l'enroulement 14 qui transite immédiatement à l'état non supraconducteur; sa résistance ohmique augmente brusquement, entraînant une limitation immédiate du courant de défaut. Après un instant très court, par exemple 20 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur 21 s'ouvre et coupe le courant résiduel. Peu après, par exemple 30 à 40 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur d3 s'ouvre, isolant la ligne en défaut. - In the event of a fault appearing, for example on line 13, the current Io increases very quickly and reaches the critical value of the winding 14 which immediately transits in the non-superconductive state; its ohmic resistance increases suddenly, causing an immediate limitation of the fault current. After a very short time, for example 20 milliseconds after the appearance of the fault, the circuit breaker 21 opens and cuts the residual current. Shortly thereafter, for example 30 to 40 milliseconds after the appearance of the fault, the d3 circuit breaker opens, isolating the faulty line.

Immédiatement après l'ouverture du disjoncteur d3, on ferme le disjoncteur 21 et l'enclencheur 16. Le courant Io réapparait dans le bobinage 13 et traverse la liaison 20, l'enroulement supraconducteur 15, l'enclencheur 16 et le disjoncteur 21 pour alimenter à nouveau le jeu de barres et les lignes saines. On remarque que l'interruption de courant dans les lignes saines n'a duré qu'une quarantaine de millisecondes environ, ce qui est parfaitement acceptable dans une exploitation de réseau de transport et distribution électrique. Immediately after opening the circuit breaker d3, the circuit breaker 21 and the latching device are closed 16. The current Io reappears in the winding 13 and passes through the link 20, the superconductive winding 15, the latching device 16 and the circuit breaker 21 to supply power again the busbar and the healthy lines. It is noted that the interruption of current in the healthy lines lasted only about forty milliseconds approximately, which is perfectly acceptable in an exploitation of network of transport and electrical distribution.

On peut aussi utiliser la séquence suivante, dans le cas où le disjoncteur 21 n'est pas un disjoncteur rapide. The following sequence can also be used, in the case where the circuit breaker 21 is not a fast circuit breaker.

Environ 30 à 40 millisecondes àprès l'apparition du défaut dans la ligne 13, le disjoncteur d3 s'ouvre et coupe le courant résiduel qui subsiste après la transition de l'enroulement 14; on ferme immédiatement après l'enclencheur 16, ce qui permet la réalimentation des lignes saines. Dans le cas du cyclo OFO (ouverture-fermeture-ouverture), de préférence, le disjoncteur 21 ne s'ouvre qu'après la deuxième fermeture. About 30 to 40 milliseconds after the appearance of the fault in line 13, the circuit breaker d3 opens and cuts the residual current which remains after the transition of the winding 14; it closes immediately after the trigger 16, which allows the refueling of healthy lines. In the case of the OFO cyclo (open-close-open), preferably, the circuit breaker 21 does not open until after the second closure.

L'avantage de disposer d'un disjoncteur 21 de type rapide est une réduction de l'effet thermique dans l'enroulement supraconducteur 14. The advantage of having a fast type circuit breaker 21 is a reduction in the thermal effect in the superconductive winding 14.

Généralement, l'ouverture d'un disjoncteur de ligne tel que d3, sur défaut, est suivi, environ 0,3 seconde après l'apparition du défaut, d'une refermeture, le défaut ayant généralement disparu dans un grand nombre de cas. Si cependant le défaut persiste, l'enroulement supraconducteur 15 transite à l'état normal et l'augmentation brutale de sa résistance ohmique produit une limitation immédiate de la valeur du courant Io. Generally, the opening of a line circuit breaker such as d3, on fault, is followed, approximately 0.3 seconds after the appearance of the fault, of a reclosing, the fault having generally disappeared in a large number of cases. If, however, the fault persists, the superconductive winding 15 transits to the normal state and the sudden increase in its ohmic resistance produces an immediate limitation of the value of the current Io.

Environ 20 millisecondes après l'apparition du défaut, le disjoncteur 21 s'ouvre et coupe le courant résiduel; 30 à 40 millisecondes après la transition, le disjoncteur d3 s' ouvre à nouveau et isole la ligne 13. Après le fonctionnement de d3, on referme l'enclencheur 17 et le disjoncteur rapide 21; le courant réapparaît dans le bobinage 13, et, traversant l'enclencheur 17 et le disjoncteur 21, réalimente le jeu de barres et les lignes saines.About 20 milliseconds after the appearance of the fault, the circuit breaker 21 opens and cuts the residual current; 30 to 40 milliseconds after the transition, the circuit breaker d3 opens again and isolates the line 13. After the operation of d3, the latch 17 and the fast circuit breaker 21 are closed; the current reappears in the winding 13, and, passing through the latch 17 and the circuit breaker 21, replenishes the busbar and the sound lines.

On remarque qu'à ce stade, il n'y a plus de protection rapide des lignes saines; c'est éventuellement le transformateur, par sa transition à l'état non supraconducteur, qui protégera l'ensemble des lignes. Note that at this stage, there is no longer any rapid protection for healthy lines; it is possibly the transformer, by its transition to the non-superconductive state, which will protect all of the lines.

Généralement, après les séquences décrites plus haut, il est prévu d'attendre un délai de trois minutes environ et de tenter une nouvelle fermeture du disjoncteur d3 qui aura ainsi effectué un cycle OFO. Ce laps de temps est suffisant pour permettre aux enroulements 14 et 15 pour retrouver l'état supraconducteur. Après ce retour à la supraconductivité des enroulements 14 et 15, on ouvre les enclencheurs 16 et 17. Le courant nominal traverse à nouveau la liaison 20, l'enroulement 14 et le disjoncteur 21. Le système est prêt pour la refermeture du disjoncteur d3 et la réalisation d'un nouveau cycle fermeture-ouverture. Generally, after the sequences described above, it is expected to wait for a delay of approximately three minutes and to try to close the d3 circuit breaker again, which will thus have carried out an OFO cycle. This period of time is sufficient to allow the windings 14 and 15 to return to the superconductive state. After this return to the superconductivity of the windings 14 and 15, the interlockers 16 and 17 are opened. The nominal current again passes through the connection 20, the winding 14 and the circuit breaker 21. The system is ready for reclosing of the circuit breaker d3 and carrying out a new closing-opening cycle.

S'il n'y a pas de phase de réenclenchement rapide, si par exemple on utilise le cycle normalisé: ouverture, 3 minutes, ouverture, 3 minutes, ouverture, la présence du deuxième enroulement supraconducteur 15 permet d'assurer la protection des lignes saines contre un éventuel deuxième défaut. If there is no rapid reclosing phase, if for example the standardized cycle is used: opening, 3 minutes, opening, 3 minutes, opening, the presence of the second superconductive winding 15 ensures protection of the lines sound against a possible second defect.

Le figure 3 est un schéma de réalisation d'un transformateur-limiteur au moyen de deux cryostats. Figure 3 is an embodiment of a transformer-limiter by means of two cryostats.

Un premier cryostat 30 renferme le transformateur supraconducteur; le cryostat possède deux traversées 31 et 32 pour la connexion du bobinage primaire 11 et deux traversées 33 et 34 pour la connexion du bobinage secondaire 13. Un second cryostat 40 contient les enroulements supraconducteurs 14 et 15, les enclencheurs 16 et 17 et la liaison à faible résistance 20; il possède à cet effet trois traversées 42 à 44. A first cryostat 30 encloses the superconductive transformer; the cryostat has two bushings 31 and 32 for the connection of the primary winding 11 and two bushings 33 and 34 for the connection of the secondary winding 13. A second cryostat 40 contains the superconductive windings 14 and 15, the interlockers 16 and 17 and the connection to low resistance 20; for this purpose it has three crossings 42 to 44.

La figure 4 est une vue schématique d'une réalisation ne comportant qu'un seul cryostat 50 qui contient tous les éléments. Cette disposition permet de réaliser une économie d'une traversée haute tension par phase, ce qui entraîne une réduction des pertes Joule à travers les amenées de courant. Figure 4 is a schematic view of an embodiment having only one cryostat 50 which contains all the elements. This arrangement makes it possible to save on a high voltage crossing per phase, which leads to a reduction in Joule losses through the current leads.

Les traversées 51 et 51A, côté basse tension, permettent l'alimentation du bobinage primaire 11; la traversée (é reçoit le conducteur d'amenée du bobinage 13; la traversée 53 reçoit le conducteur de sortie de l'enroulement 14; le noyau de fer 12 du transformateur est isolé du fluide cryogénique par des parois isolantes 61 et 62 coopérant avec des entretoises 63. Le volume enfermant le noyau 12 est relié à l'extérieur du cryostat par un conduit 64 fermé par un bouchon 65, conduit utilisé pour l'évacuation de la chaleur du circuit magnétique et pour effectuer le vide de l'enceinte. The bushings 51 and 51A, on the low voltage side, allow the primary winding 11 to be supplied; the bushing (é receives the winding supply conductor 13; the bushing 53 receives the output conductor of the winding 14; the iron core 12 of the transformer is isolated from the cryogenic fluid by insulating walls 61 and 62 cooperating with spacers 63. The volume enclosing the core 12 is connected to the outside of the cryostat by a conduit 64 closed by a plug 65, a conduit used for the evacuation of the heat from the magnetic circuit and to effect the vacuum of the enclosure.

Les traversées 53, 54 et 55, côté haute tension, ont une longueur supérieure à celle des traversées côté basse tension. The bushings 53, 54 and 55, on the high voltage side, have a length greater than that of the bushings on the low voltage side.

Des écrans thermiques 70 et 71 permettent d'éviter des perturbations thermiques sur le transformateur lors de la transition des enroulements 14 ou 15. Thermal screens 70 and 71 make it possible to avoid thermal disturbances on the transformer during the transition of the windings 14 or 15.

On a placé de préférence les enclencheurs 16 et 17 à l'intérieur des traversées 55 et 54 pour minimiser les pertes par conduction thermique entre la partie chaude et la partie froide quand les contacts sont en position "ouvert" en fonctionnement normal; bien entendu, cette disposition n'est pas absolue et on peut envisager de disposer ces enclencheurs à l'extérieur des traversées. The interlockers 16 and 17 are preferably placed inside the bushings 55 and 54 to minimize losses by thermal conduction between the hot part and the cold part when the contacts are in the "open" position in normal operation; of course, this arrangement is not absolute and it is conceivable to arrange these interlockers outside the bushings.

Pour réduire la conduction thermique, les amenées de courant peuvent être réalisées au moyen de conducteurs supraconducteurs à haute température critique, en particulier pour les liaisons 20, 22 et 23. To reduce the thermal conduction, the current leads can be produced by means of superconductive conductors with high critical temperature, in particular for the connections 20, 22 and 23.

L'invention permet d'allier les avantages du transformateur supraconducteur sans en avoir les inconvénients. Elle s'applique aux installations de transport et de distribution électrique à haute et moyenne tension. The invention makes it possible to combine the advantages of the superconductive transformer without having the disadvantages. It applies to high and medium voltage electrical transport and distribution installations.

Claims

1 / Polyphase current limiting transformer comprising, for each phase, a primary superconductive winding intended to be connected to an electric generator and a secondary superconductive winding intended to supply a plurality of lines each provided with a line circuit breaker, characterized in that that for each phase, between a first point (A) and a second point (C), located upstream of said lines (dl, d2, d3, ..., dn) and downstream of the secondary winding (13) is connected a circuit breaker (21) in series with a first latch (17), said second point (C) and a third point (B) common to said circuit breaker (21) and to said first latch (17) being connected by a link (20) to low electrical resistance in series with a circuit comprising two branches in parallel, the first branch consisting of a first superconductive winding (14), the second branch consisting of a second superconductive winding (15) in series with a second latch (16)

2 / transformer-limiter according to claim 1, characterized in that the critical current of the superconductive windings (14, 15) is between 0.6 and 0.8 times that of the secondary winding (13) of the current transformer.

3 / transformer-limiter according to one of claims 1 and 2, characterized in that the operating time of said circuit breaker (21) is less than that of said line circuit breakers (dl, d2, d3, ..., dn).

4 / transformer-limiter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the said interlockers (16,17) are arranged inside the voltage bushings (55, 54) of the cryostat.

5 / transformer-limiter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the primary (11) and secondary (13) superconductive windings of the transformer and the superconductive windings (14,15) are arranged in a common cryostat (50 ).

6 / transformer-limiter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the superconductive windings (11,13) of the transformer on the one hand, and said first (14) and second (15) superconductive windings on the other apart, are arranged in separate cryostats (30,40).