FR2688356A1

FR2688356A1 - Current limiter using series inductance with a magnetic circuit equipped with a superconducting sheath

Info

Publication number: FR2688356A1
Application number: FR9202727A
Authority: FR
Inventors: Herrmann Peter; Fevrier Alain
Original assignee: Alcatel Alsthom Compagnie Generale dElectricite
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1992-03-06
Filing date: 1992-03-06
Publication date: 1993-09-10

Abstract

Current strength limiter for alternating current, this limiter using an induction coil the core of which is equipped with a sheath which is superconducting at high critical temperature, around which a coil is wound. This sheath (6) consists of a series or a stack of superconducting rings (9) of relatively low height (h).

Description

Limiteur de courant par inductance série à circuit magnétique muni d'une gaine supraconductrice.Current limiter by series inductor with magnetic circuit provided with a superconductive sheath.

La présente invention se rapporte à un limiteur de courant alternatif par bobine d'inductance série ou "self de choc", dont le circuit magnétique est équipé d'une gaine tubulaire en matériau supraconducteur à haute température critique. The present invention relates to an alternating current limiter by series inductor or "shock inductor", the magnetic circuit of which is equipped with a tubular sheath made of superconductive material at high critical temperature.

La protection des réseaux de distribution d'énergie électrique alternative contre les courts-circuits est un problème bien connu: en cas de court-circuit, le courant de ligne doit être limité pour éviter l'endommagement du réseau. The protection of alternative electrical energy distribution networks against short circuits is a well-known problem: in the event of a short circuit, the line current must be limited to avoid damage to the network.

Cette protection contre les courts-circuits est couramment réalisée par utilisation d'un disjoncteur de tête normalisé, dont le déclenchement réflexe en cas de surintensité vient isoler l'utilisation défectueuse du réseau d'alimentation, et donc protéger ce dernier. This protection against short-circuits is commonly achieved by using a standardized head circuit breaker, the reflex tripping of which in the event of an overcurrent isolates faulty use of the supply network, and therefore protects the latter.

Dans les réseaux alternatifs à haute-tension, le disjoncteur ne peut pas couper le courant à n'importe quel moment de l'alternance. En effet, ceci pourrait provoquer des arcs électriques pouvant détruire ce disjoncteur, de sorte qu'il est nécessaire d'attendre le prochain passage à zéro du courant alternatif pour déconnecter le réseau. Pendant ce temps, des pointes de courant très importantes peuvent se développer. En conséquence, on est couramment amené à surdimensionner les réseaux actuels, ce qui est particulièrement pénalisant en encombrement et en prix de revient.In high-voltage alternative networks, the circuit breaker cannot cut off the current at any time during the alternation. Indeed, this could cause electric arcs that can destroy this circuit breaker, so it is necessary to wait for the next zero crossing of the alternating current to disconnect the network. During this time, very large current spikes can develop. Consequently, it is commonly necessary to oversize the current networks, which is particularly penalizing in terms of size and cost.

Pour éviter un tel surdimensionnement, il a été proposé d'utiliser les propriétés des nouveaux matériaux supraconducteurs à haute température critique (cette température critique pouvant actuellement aller jusqu'à 80 et même 128 K) pour réaliser des dispositifs limiteurs de courant qui utilisent une bobine d'inductance série, ou "self de choc" dont le circuit magnétique est partiellement entouré d'un tube coaxial réalisé en matériau supraconducteur à haute température critique et autour duquel est réalisé le bobinage. To avoid such oversizing, it has been proposed to use the properties of new superconductive materials at high critical temperature (this critical temperature currently being able to go up to 80 and even 128 K) to produce current limiting devices which use a coil series inductance, or "shock inductor" whose magnetic circuit is partially surrounded by a coaxial tube made of superconductive material at high critical temperature and around which is wound.

Tant que le courant dans le tube supraconducteur reste inférieur à une certaine valeur, dite critique, au dessus de laquelle le matériau précité devient résistif, cette bobine n'a pratiquement aucun effet de limitation de courant car le matériau supraconducteur forme écran pour le champ magnétique créé par la bobine. En revanche, lorsque le courant dépasse cette valeur critique, le tube supraconducteur présente un forte résistance et ne forme plus écran pour le champ magnétique; le circuit magnétique peut jouer son effet d'augmentation importante de l'inductance de la bobine, qui vient donc limiter le courant par effet de réactance série. As long as the current in the superconducting tube remains below a certain value, called critical, above which the aforementioned material becomes resistive, this coil has practically no current limiting effect because the superconductive material forms a screen for the magnetic field. created by the coil. On the other hand, when the current exceeds this critical value, the superconducting tube has a high resistance and no longer forms a screen for the magnetic field; the magnetic circuit can play its effect of significant increase in the inductance of the coil, which therefore comes to limit the current by series reactance effect.

Ces dispositifs connus à bobine avec gaine tubulaire supraconductrice présentent néanmoins un inconvénient en ce qui concerne en particulier leur fabrication. I1 est en effet difficile de réaliser un tube en céramique supraconductrice ayant des dimensions suffisantes pour posséder une densité de courant critique suffisante. Par exemple, une longueur de quelques dizaines de centimètres pour un diamètre de l'ordre d'une dizaine de centimètres, et une épaisseur de l'ordre du centimètre, sont des dimensions nécessaires pour ce tube en céramique supraconductrice si on veut atteindre une puissance de blocage utile de l'ordre d'une centaine de kilowatts. These known coil devices with superconductive tubular sheath nevertheless have a drawback with regard in particular to their manufacture. It is indeed difficult to produce a superconductive ceramic tube having sufficient dimensions to have a sufficient critical current density. For example, a length of a few tens of centimeters for a diameter of the order of ten centimeters, and a thickness of the order of a centimeter, are dimensions necessary for this superconductive ceramic tube if we want to reach a power useful blocking of around one hundred kilowatts.

En fait, pour de grands échantillons de céramique supraconductrice, la densité de courant critique est actuellement trop faible pour envisager de les utiliser pour la réalisation d'un limiteur de courant du type précité. In fact, for large samples of superconductive ceramic, the critical current density is currently too low to consider using them for the production of a current limiter of the aforementioned type.

Ceci est lié au phénomène rencontré dans les céramiques supraconductrices frittées, selon lequel la densité de courant critique qui est élevée dans les grains est en revanche très faible entre ces grains limitant ainsi la capacité de transport de courant macroscopique. This is linked to the phenomenon encountered in sintered superconductive ceramics, according to which the critical current density which is high in the grains is on the other hand very low between these grains thus limiting the capacity of macroscopic current transport.

L'invention vise à remédier à cet inconvénient. Elle se rapporte à cet effet à un limiteur de courant alternatif par bobine d'inductance série, ou "self de choc", dont le circuit magnétique est équipé d'une gaine tubulaire en matériau supraconducteur à haute température critique autour de laquelle est réalisé le bobinage, ce limiteur se caractérisant en ce que cette gaine tubulaire est constituée d'une série ou empilage d'anneaux de relativement faible hauteur et réalisés en ce matériau supraconducteur à haute température critique. The invention aims to remedy this drawback. To this end, it relates to an alternating current limiter by series inductance coil, or "shock inductor", the magnetic circuit of which is fitted with a tubular sheath made of superconductive material at high critical temperature around which the winding, this limiter being characterized in that this tubular sheath consists of a series or stack of rings of relatively small height and made of this superconductive material at high critical temperature.

L'invention sera bien comprise, et ses avantages et autres caractéristiques ressortiront, lors de la description suivante de deux exemples non limitatifs de réalisation, en référence au dessin schématique annexé dans lequel: - la figure 1 rappelle la structure générale, connue en soi, d'un limitateur de ce type, - la figure 2 est une représentation en perspective d'une gaine cylindrique supraconductrice conforme à l'invention et utilisable pour un limiteur selon la figure 1, - la figure 3 montre une variante de réalisation qui utilise quatre gaines tubulaires selon la figure 2, et - la figure 4 montre une autre variante de réalisation de ce limiteur. The invention will be clearly understood, and its advantages and other characteristics will emerge during the following description of two nonlimiting exemplary embodiments, with reference to the appended schematic drawing in which: FIG. 1 recalls the general structure, known per se, of a limiter of this type, - Figure 2 is a perspective representation of a cylindrical superconductive sheath according to the invention and usable for a limiter according to Figure 1, - Figure 3 shows an alternative embodiment which uses four tubular sheaths according to Figure 2, and - Figure 4 shows another alternative embodiment of this limiter.

En se référant aux figures 1 et 2, il s'agit d'un circuit de puissance comportant un alternateur 1 qui alimente une charge 2 à travers un limiteur de courant 3 mettant en oeuvre la supraconductivité à haute température critique. Referring to Figures 1 and 2, this is a power circuit comprising an alternator 1 which supplies a load 2 through a current limiter 3 implementing superconductivity at high critical temperature.

Ce limiteur 3 comporte, dans une enceinte isotherme étanche 4 remplie d'un gaz liquéfié à basse température (exemple 77K) une bobine d'inductance série 5, ou "self de choc", qui, de manière connue en soi, a son circuit magnétique 8, classiquement constitué d'un anneau carré en fer doux ou autre matériau magnétique à faible hystérésis, étroitement entouré, sur un des quatre côtés du carré, d'une gaine tubulaire 6 en matériau supraconducteur à haute température critique, tel que du YBaCuO (oxyde d'yttriumbaryum-cuivre). L'enroulement 7 de cette bobine 5 est réalisé autour de cette gaine tubulaire supraconductrice 6. This limiter 3 comprises, in a sealed isothermal enclosure 4 filled with a liquefied gas at low temperature (example 77K), a series 5 inductance coil, or "shock inductor", which, in a manner known per se, has its circuit magnetic 8, conventionally consisting of a square ring of soft iron or other magnetic material with low hysteresis, closely surrounded, on one of the four sides of the square, by a tubular sheath 6 of superconductive material at high critical temperature, such as YBaCuO (yttriumbaryum-copper oxide). The winding 7 of this coil 5 is produced around this superconductive tubular sheath 6.

En régime normal, c'est-à-dire tant que le courant I débité par la source 1 reste inférieur à celui qui correspond à une densité de courant Jc, dite critique, qui fait passer le matériau 6 de l'état supraconducteur à l'état normal conducteur, l'impédance de la bobine 5 reste très faible. Ceci est dû au fait que la gaine supraconductrice 6 joue un rôle d'écran pour le champ magnétique créé par le courant I qui circule dans les enroulements 7, de sorte que ce champ magnétique n'est pas transmis au circuit magnétique 6, qui ne joue alors aucun rôle. On peut également dire que la gaine supraconductrice 6 joue alors le rôle du secondaire, constitué alors par une seule spire en courtcircuit, d'un transformateur dont l'enroulement primaire est l'enroulement 7. In normal regime, that is to say as long as the current I delivered by the source 1 remains lower than that which corresponds to a current density Jc, called critical, which makes the material 6 pass from the superconductive state to l 'normal conductive state, the impedance of the coil 5 remains very low. This is due to the fact that the superconductive sheath 6 acts as a screen for the magnetic field created by the current I which flows in the windings 7, so that this magnetic field is not transmitted to the magnetic circuit 6, which does not then plays no role. It can also be said that the superconductive sheath 6 then plays the role of the secondary, then constituted by a single short-circuited turn, of a transformer whose primary winding is winding 7.

Lorsque, suite par exemple à un court-circuit accidentel, le courant I augmente jusqu'à dépasser la valeur pour laquelle la densité de courant devient supérieure à sa valeur critique Jc pour laquelle le matériau constitutif de la gaine tubulaire passe de l'état supraconducteur à l'état résistif normal, le circuit magnétique 6 joue alors pleinement son rôle, de sorte que l'impédance de la bobine 5 augmente brusquement, jouant alors le rôle recherché de limitation du courant I par introduction dans le circuit alternatif d'une importante réactance en série. When, following for example an accidental short-circuit, the current I increases until exceeding the value for which the current density becomes greater than its critical value Jc for which the material constituting the tubular sheath passes from the superconductive state in the normal resistive state, the magnetic circuit 6 then fully plays its role, so that the impedance of the coil 5 increases suddenly, then playing the desired role of limiting the current I by introducing into the alternating circuit a large reactance in series.

Conformément à l'invention, la gaine tubulaire supraconductrice 6 (figure 2) n'est pas constituée d'un tube uniforme en matériau supraconducteur à haute température critique, mais est constituée d'un empilage d'anneaux identiques 9 en même matériau supraconducteur, en forme de cylindre à section circulaire et chacun d'une hauteur h relativement faible, par exemple de l'ordre de un centimètre. In accordance with the invention, the superconductive tubular sheath 6 (FIG. 2) does not consist of a uniform tube made of superconductive material at high critical temperature, but consists of a stack of identical rings 9 made of the same superconductive material, in the form of a cylinder with circular section and each of a relatively low height h, for example of the order of one centimeter.

Cette réalisation en anneaux empilés 9 est rendue possible par le fait que, dans cette utilisation selon la figure 1, les lignes de courant I (voir figure 2) dans les différents anneaux 9 sont parallèles, circulaires, et orthogonales à l'axe de la bobine 6. On dit encore qu'elles circulent "en azimut". I1 n'est donc pas nécessaire de prévoir comme ce serait le cas pour une circulation hélicoïdale des lignes de courant i, d'interconnexion électrique entre les différents anneaux 9. This embodiment in stacked rings 9 is made possible by the fact that, in this use according to FIG. 1, the current lines I (see FIG. 2) in the different rings 9 are parallel, circular, and orthogonal to the axis of the coil 6. It is also said that they circulate "in azimuth". It is therefore not necessary to provide, as would be the case for a helical circulation of the current lines i, of electrical interconnection between the different rings 9.

La gaine tubulaire cylindrique représentée figure 2 a par exemple une longueur L de 20 cm et un diamètre D de 7 à 8 cm. Elle est constituée d'un empilage d'une vingtaine d'anneaux 9. Si la réalisation industrielle de tubes cylindriques uniformes en matériau supraconducteur à haute température critique et haute densité de courant critique est problématique dans de telles dimensions, en revanche celle d'anneaux de faible hauteur est à l'heure actuelle concevable et représente une importante simplification pour la mise en forme. The cylindrical tubular sheath shown in Figure 2 has for example a length L of 20 cm and a diameter D of 7 to 8 cm. It consists of a stack of around twenty rings 9. If the industrial production of uniform cylindrical tubes of superconductive material at high critical temperature and high critical current density is problematic in such dimensions, on the other hand that of rings low height is currently conceivable and represents an important simplification for shaping.

La figure 3 montre une variante du limiteur selon la figure 1, pour laquelle le circuit magnétique 8, toujours de forme carrée, est mieux utilisé par le fait qu'il est prévu quatre bobines d'inductance 5A à 5D identiques à la bobine 5 précitée, ces quatre bobines étant respectivement placées sur les quatre côtés de ce circuit magnétique 8 et étant, du point de vue des bobinages cuivre dans lesquels circule le courant I précité, connectées en série. Le rendement du limiteur est ainsi amélioré par le fait que la quasitotalité du circuit magnétique 8, hormis ses quatre coins, est entouré d'un bobinage avec gaine supraconductrice 6A à 6D selon la figure 2. FIG. 3 shows a variant of the limiter according to FIG. 1, for which the magnetic circuit 8, still of square shape, is better used by the fact that four inductance coils 5A to 5D are provided identical to the aforementioned coil 5 , these four coils being respectively placed on the four sides of this magnetic circuit 8 and being, from the point of view of the copper coils in which the aforementioned current flows, connected in series. The efficiency of the limiter is thus improved by the fact that almost all of the magnetic circuit 8, apart from its four corners, is surrounded by a coil with superconductive sheath 6A to 6D according to FIG. 2.

Enfin, la figure 4 montre une variante du limiteur de la figure 3, pour laquelle le circuit magnétique 8 a une forme de tore qui, cette fois-ci, est totalement entouré d'une part par la gaine supraconductrice tubulaire 9, qui a en conséquence une forme torique correspondante et est composée d'une série d'anneaux tubulaires 9 chacun constitué d'une petite fraction de tube torique concentrique et coaxial au noyau magnétique, et d'autre part par le bobinage en cuivre 7 qui est pratiquement totalement enroulé autour de cette gaine torique tubulaire 6. Le rendement de ce limiteur est encore amélioré par rapport à celui selon la figure 3, du fait que le circuit magnétique 8 de la bobine 5 est ici totalement entouré par le bobinage 7 et la gaine supraconductrice 6. Finally, FIG. 4 shows a variant of the limiter of FIG. 3, for which the magnetic circuit 8 has a shape of a torus which, this time, is completely surrounded on the one hand by the tubular superconductive sheath 9, which has in consequently a corresponding toroidal shape and is composed of a series of tubular rings 9 each consisting of a small fraction of concentric toric tube and coaxial with the magnetic core, and on the other hand by the copper coil 7 which is practically completely wound around this tubular O-ring sheath 6. The efficiency of this limiter is further improved compared to that according to FIG. 3, owing to the fact that the magnetic circuit 8 of the coil 5 is here totally surrounded by the winding 7 and the superconductive sheath 6.

Comme il va de soi, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, et de nombreuses autres variantes sont envisageables. C'est ainsi par exemple, que le circuit magnétique 8 selon les figures 1 et 3 pourrait avoir une forme rectangulaire, et non pas carrée, les longueurs de la ou des bobines utilisées étant alors préférentiellement modifiées en conséquence pour utiliser la majeure partie du fer doux 8. It goes without saying that the invention is not limited to the embodiments which have just been described, and many other variants are possible. Thus, for example, the magnetic circuit 8 according to FIGS. 1 and 3 could have a rectangular shape, and not a square shape, the lengths of the coil (s) used then preferably being modified accordingly to use most of the iron. sweet 8.

Claims

1 / AC current limiter by series inductor (5), the magnetic circuit (8) of which is fitted with a tubular sheath (6) made of superconductive material at high critical temperature around which the winding (7) is produced, characterized in that this tubular sheath (6) consists of a series or stack of rings (9) of relatively small height (h) and made of this superconductive material at high critical temperature.

2 / current limiter according to claim 1, characterized in that these rings (9) each have a height (h) of the order of a centimeter.

3 / current limiter according to claim 1 or claim 2, characterized in that, said magnetic circuit (8) having a square or rectangular shape, several of its sides are equipped with a superconductive sheath (6A to 6C) itself even surrounded by a winding (7A to 7C).

4 / current limiter according to claim 1 or claim 2, characterized in that said magnetic circuit (8) has a shape of a torus which is itself surrounded by a superconductive sheath (6) of the same toric shape and constituted by 'A series of rings (9) in the form of fractions of O-tube, the coil (7) being wound on almost all of this tubular sheath (6).