FR2690288A1 - Superconductor current limiter for use at very high voltage - has numerous pairs of spools in series with very weak inductances each composed of two rolls electrically in parallel - Google Patents
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Abstract
Description
LIMITEUR DE COURANT SUPRACONDUCTEUR A HAUTE TENSION
La présente invention concerne un limiteur supraconducteur à haute et à très haute tension formé d'un nombre N de paires de bobines en série à très faibles inductances, chacune comportant deux enroulements reliés électriquement en parallèle et bobinés en spires jointives et en sens opposé respectivement sur deux mandrins isolants verticaux, concentriques, disposées côte à côte et à écartement fixe.HIGH VOLTAGE SUPERCONDUCTING CURRENT LIMITER
The present invention relates to a high and very high voltage superconductive limiter formed of a number N of pairs of coils in series with very low inductances, each comprising two windings electrically connected in parallel and wound in contiguous turns and in opposite directions respectively on two vertical insulating mandrels, concentric, arranged side by side and with fixed spacing.
Dans le brevet 2 643 743, est décrit un dispositif de coupure pour courant continu à haute tension, destiné à être inséré dans une ligne à courant continu dotée d'un disjoncteur classique de faible pouvoir de coupure. In patent 2,643,743, a breaking device for high voltage direct current is described, intended to be inserted in a direct current line provided with a conventional circuit breaker of low breaking capacity.
Selon ce dispositif, la disposition de la bobine est horizontale et plus exactement, le dispositif comprend un cryostat possédant une première et une seconde traversées comportant chacune deux amenées de courant reliées deux à deux à l'intérieur du cryostat par un premier et un second enroulements supraconducteurs bobinés en sens inverse l'un de l'autre, les sorties des première et seconde traversées constituant des bornes dudit dispositif de coupure, lesdites bornes étant reliées, à l'extérieur dudit cryostat, par un ensemble comprenant en série un condensateur et un interrupteur à fonctionnement rapide, le point commun audit condensateur et audit interrupteur étant mis à la terre par une résistance de grande valeur ohmique, un moyen étant prévu pour limiter la surtension lors de la transition desdits éléments supraconducteurs. According to this device, the arrangement of the coil is horizontal and more exactly, the device comprises a cryostat having first and second crossings each comprising two current leads connected two by two inside the cryostat by a first and a second winding superconductors wound in opposite directions to each other, the outputs of the first and second crossings constituting terminals of said breaking device, said terminals being connected, outside said cryostat, by an assembly comprising in series a capacitor and a fast operating switch, the point common to said capacitor and said switch being earthed by a resistor of high ohmic value, means being provided for limiting the overvoltage during the transition of said superconductive elements.
Dans le brevet 2 645 278, est montré un limiteur à supraconducteurs à disposition de bobine verticale. In patent 2,645,278, a superconducting limiter with vertical coil arrangement is shown.
I1 y est décrit un dispositif pour détecter l'apparition d'une transition de l'état supraconducteur à l'état non supraconducteur d'une portion d'un élément supraconducteur comprenant deux conducteurs supraconducteurs identiques prolongés par des conducteurs non supraconducteurs et reliéE électriquement en parallèle; le dispositif de détection comprend des moyens pour détecter une différence d'intensité ou une différence de phase entre les courants traversant ledit dispositif. There is described there a device for detecting the appearance of a transition from the superconductive to the non-superconductive state of a portion of a superconductive element comprising two identical superconductive conductors extended by non-superconductive conductors and electrically connected in parallel; the detection device comprises means for detecting a difference in intensity or a phase difference between the currents flowing through said device.
Dans le cas des supraconducteurs métalliques, appelés aussi supraconducteurs à basse température, utilisant de l'hélium liquide à la pression atmosphérique comme fluide cryogénique, la disposition verticale des bobines permet un refroidissement plus homogène le long des supraconducteurs étant donné la formation et le mouvement ascendant des bulles d'hélium en ébullition. In the case of metallic superconductors, also called low temperature superconductors, using liquid helium at atmospheric pressure as cryogenic fluid, the vertical arrangement of the coils allows more homogeneous cooling along the superconductors given the formation and the upward movement boiling helium bubbles.
La disposition horizontale est par contre plus facilement applicable en utilisant de l'hélium hypercritique, c'est à dire sous pression de quelques bars afin de supprimer la formation des bulles d'hélium. On the other hand, the horizontal arrangement is more easily applicable using hypercritical helium, that is to say under pressure of a few bars in order to suppress the formation of helium bubbles.
La présente invention se propose de réaliser un limiteur de courant à supraconducteur pour tension élevée, haute ou très haute tension, où une longueur maximale de fil soit logée dans un volume limité, tout en obtenant une self faible et une surface d'échange maximale. The present invention proposes to produce a superconducting current limiter for high, high or very high voltage, where a maximum length of wire is housed in a limited volume, while obtaining a low inductance and a maximum exchange surface.
Pour ce faire, le rapport de longueur de fil supraconducteur 1n/1n-î entre deux paires de bobines en série est déterminé par un coefficient k sensiblement constant. Chaque paire de bobines est formée de deux enroulements bobinés en sens inverse, de diamètre assez proche et de nombre de spires légèrement différent afin d'égaliser le courant dans les deux enroulements en parallèle. To do this, the length ratio of superconducting wire 1n / 1n-î between two pairs of coils in series is determined by a substantially constant coefficient k. Each pair of coils is formed by two windings wound in opposite directions, of fairly close diameter and of slightly different number of turns in order to equalize the current in the two windings in parallel.
Selon une première variante, de préférence, le coefficient k est compris entre 1,2 et 1,35. Une telle plage de valeurs du coefficient k permet de couvrir une plage de tension du réseau comprise entre 25 kV et 500 kV. According to a first variant, preferably, the coefficient k is between 1.2 and 1.35. Such a range of values of the coefficient k makes it possible to cover a range of network voltage between 25 kV and 500 kV.
Selon une seconde variante, le rapport des diamètres moyens des paires de bobines d,/dn,l est compris entre 1,25 et 1,45. Au lieu de fixer le nombre de spires assez proche pour les différents enroulements, l'on fixe la longueur assez voisine pour tous les éléments et l'écartement entre enroulements sensiblement constant
Selon une autre caractéristique, le nombre de paires de bobines en série N est un nombre pair, égal à 2, 4 ou 6 et proportionnel à l'augmentation de la tension nominale.According to a second variant, the ratio of the mean diameters of the pairs of coils d, / dn, l is between 1.25 and 1.45. Instead of fixing the number of turns close enough for the different windings, we fix the fairly close length for all the elements and the spacing between windings substantially constant
According to another characteristic, the number of pairs of coils in series N is an even number, equal to 2, 4 or 6 and proportional to the increase in the nominal voltage.
Afin d'obtenir un refroidissement correct, les mandrins isolants sont pourvus de canaux de refroidissement longitudinaux, verticaux régulièrement répartis sur leur face de bobinage. Ainsi, le conducteur enroulé a sa surface externe directement en contact avec le fluide cryogénique dans lequel baigne le limiteur et sa face interne également en contact avec ce liquide grâce aux canaux où passe le liquide cryogénique qui est de préférence de l'hélium liquide. In order to obtain correct cooling, the insulating mandrels are provided with longitudinal, vertical cooling channels regularly distributed on their winding face. Thus, the coiled conductor has its external surface directly in contact with the cryogenic fluid in which the limiter is bathed and its internal face also in contact with this liquid through the channels through which the cryogenic liquid which is preferably liquid helium passes.
De préférence, chaque mandrin supporte une couche unique de fil supraconducteur. Preferably, each mandrel supports a single layer of superconductive wire.
L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins ne représentant qu'un mode de réalisation préféré. The invention is set out below in more detail with the aid of drawings representing only a preferred embodiment.
La figure 1 représente une vue en coupe verticale d'une phase d'un limiteur haute tension à bobine supraconductrice et à cryostat. Figure 1 shows a vertical sectional view of a phase of a high voltage limiter with superconducting coil and cryostat.
La figure 2 représente une vue en coupe verticale de la disposition de plusieurs bobines verticales en série conforme à l'invention. FIG. 2 represents a view in vertical section of the arrangement of several vertical coils in series according to the invention.
La figure 3 est une vue à plus grande échelle de deux fils supraconducteurs d'une même paire. Figure 3 is an enlarged view of two superconductive wires of the same pair.
La figure 4 est une vue en coupe horizontale partielle d'un mandrin et du fil enroulé sur celui-ci. Figure 4 is a partial horizontal sectional view of a mandrel and the wire wound thereon.
Le limiteur est monté, de préférence suspendu, dans un cryostat métallique ou isolant à surface externe métallisée rempli d'un liquide cryogénique, de préférence de l'hélium liquide. The limiter is mounted, preferably suspended, in a metallic or insulating cryostat with a metallized external surface filled with a cryogenic liquid, preferably liquid helium.
I1 comporte quatre paires de bobines supraconductrices 1, 1', 2, 2', 3, 3', 4 et 4' de hauteur similaire et mises en série. Chaque paire de bobines est formée de deux enroulements reliés électriquement en parallèle et bobinés en sens inverse, de diamètre assez proche et de nombre de spires légèrement différent afin d'égaliser le courant dans les deux enroulements en parallèle. I1 comprises four pairs of superconductive coils 1, 1 ', 2, 2', 3, 3 ', 4 and 4' of similar height and placed in series. Each pair of coils is formed of two windings electrically connected in parallel and wound in opposite directions, of fairly close diameter and of slightly different number of turns in order to equalize the current in the two windings in parallel.
Chaque enroulement est bobiné à spires jointives sur un mandrin isolant 50 muni de canaux 52 longitudinaux verticaux régulièrement répartis (figure 4) permettant un bon refroidissement des fils supraconducteurs qui ont ainsi leur surface externe directement en contact avec le fluide cryogénique dans lequel baigne le limiteur et leur face interne également en contact avec ce liquide grâce aux canaux où passe le liquide cryogénique. Each winding is wound with contiguous turns on an insulating mandrel 50 provided with vertical longitudinal channels 52 regularly distributed (FIG. 4) allowing good cooling of the superconductive wires which thus have their external surface directly in contact with the cryogenic fluid in which the limiter is bathed and their internal face also in contact with this liquid through the channels through which the cryogenic liquid passes.
L'ensemble de paires de bobines est rendu rigide et solidaire par des disques annulaires isolants 60 à 64 munis de trous 65 pour la circulation du fluide cryogénique. Les extrémités des enroulements supraconducteurs 70 à 73 sont reliées entre elles par une connexion spéciale 74 à très faible perte ohmique. The set of pairs of coils is made rigid and integral by annular insulating discs 60 to 64 provided with holes 65 for the circulation of the cryogenic fluid. The ends of the superconductive windings 70 to 73 are connected to each other by a special connection 74 with very low ohmic loss.
Le limiteur est suspendu aux amenées de courant 10,11 par l'intermédiaire des isolateurs 20 à 23. Les isolateurs 20,22 sont creux pour le passage des conducteurs 12,13. Les extrémités supraconductrices de sortie 24,25 et 26 à 29 sont reliées aux prises 32,33 par les tresses conductrices 30,31. The limiter is suspended from the current leads 10, 11 by means of the insulators 20 to 23. The insulators 20, 22 are hollow for the passage of the conductors 12, 13. The output superconductive ends 24, 25 and 26 to 29 are connected to the sockets 32, 33 by the conductive braids 30, 31.
Compte tenu de la différence des diamètres des mandrins, la longueur 1n de chaque enroulement est différent. Selon l'invention, le rapport ln/ln~1=k est sensiblement constant pour une tension nominale donnée et de préférence il est compris entre 1,2 et 1,35 pour couvrir une large gamme de tension de 25 kV à 500kV environ. Pour ce faire, il en est de même des rapports des diamètres moyens des paires de bobines dn/dn~1 qui sont compris dans une fourchette de 1,2 à 1,35. Given the difference in the diameters of the mandrels, the length 1n of each winding is different. According to the invention, the ratio ln / ln ~ 1 = k is substantially constant for a given nominal voltage and preferably it is between 1.2 and 1.35 to cover a wide voltage range from 25 kV to around 500 kV. To do this, the same is true of the ratios of the mean diameters of the pairs of coils dn / dn ~ 1 which are included in a range of 1.2 to 1.35.
Les valeurs de k permettent de garantir la tenue diélectrique sur les écarts a1, a2 et a3 au moment de la transition du supraconducteur, c'est à dire du passage de l'état supraconducteur à l'état normal résistif. Ces écarts sont déterminés pour tenir l'opposition de phases pendant environ 20 ms jusqu'à l'ouverture du disjoncteur rapide en série avec la bobine supraconductrice. The values of k make it possible to guarantee the dielectric behavior on the deviations a1, a2 and a3 at the time of the transition of the superconductor, that is to say of the passage from the superconductive state to the normal resistive state. These differences are determined to hold the phase opposition for approximately 20 ms until the opening of the fast circuit breaker in series with the superconductive coil.
Etant donné que (14+13) est supérieure à (13+12), a1 est inférieur à a2 et a2 à a3. Since (14 + 13) is greater than (13 + 12), a1 is less than a2 and a2 is less than a3.
Au moment de la transition en opposition de phase, on a la tension maximale U entre les prises 32 et 33. At the time of the transition in phase opposition, there is the maximum voltage U between the taps 32 and 33.
Soit
d1 le diamètre moyen de la paire de bobines 1 et 1',
d4 le diamètre moyen de la paire de bobines 4 et 4',
N le nombre pair de bobines, compris entre 2 et 6
l'on a
d4 = d1 * k N-l
= dl * k 3 si N=4.Is
d1 the average diameter of the pair of coils 1 and 1 ',
d4 the average diameter of the pair of coils 4 and 4 ',
N the even number of coils, between 2 and 6
we have
d4 = d1 * k Nl
= dl * k 3 if N = 4.
L'espace libre e entre le mandrin d'une bobine et le fil 50' de la bobine adjacente d'une même paire (figure 3) est de préférence d'environ 1 à 2 mm et est utilisé pour le refroidissement des conducteurs sur leur face interne. The free space e between the core of a coil and the wire 50 'of the adjacent coil of the same pair (FIG. 3) is preferably about 1 to 2 mm and is used for cooling the conductors on their internal face.
Les fils supraconducteurs 50' sont gainés faiblement pour un meilleur refroidissement. Par ailleurs, les enroulements et les spires sont rendus immobiles par rapport à leur mandrin par imprégnation à l'aide de résine époxydique. The superconductive wires 50 ′ are sheathed weakly for better cooling. Furthermore, the windings and turns are made immobile relative to their mandrel by impregnation using epoxy resin.
A titre indicatif, on peut adopter par exemple les valeurs suivantes pour un limiteur supraconducteur dans l'hélium liquide à la pression atmosphérique:
- pour Un=100kV, N=2, d1=692mm, k=1,3, d2=900mm
- pour Un=420kV, N=4, d1=1000mm, k=1,25, d4=1955mm
- pour Un=550kV, N=6, d1=800mm, k=1,25, d6=2440mm.As an indication, the following values can be adopted for example for a superconducting limiter in liquid helium at atmospheric pressure:
- for Un = 100kV, N = 2, d1 = 692mm, k = 1.3, d2 = 900mm
- for Un = 420kV, N = 4, d1 = 1000mm, k = 1.25, d4 = 1955mm
- for Un = 550kV, N = 6, d1 = 800mm, k = 1.25, d6 = 2440mm.
Selon une variante de réalisation, au lieu de fixer le nombre de spires assez proche pour les différents enroulements, l'on peut fixer la longueur assez voisine pour tous les éléments,
soit 11#12#...#1, (# signifiant approximativement égal)
et l'écartement entre enroulements sensiblement constant
soit d2-d1#d3-d2#d4-d3#...#dn-dn-1.According to an alternative embodiment, instead of fixing the number of turns close enough for the different windings, the length close enough can be fixed for all the elements,
or 11 # 12 # ... # 1, (# meaning approximately equal)
and the substantially constant spacing between windings
or d2-d1 # d3-d2 # d4-d3 # ... # dn-dn-1.
Dans ces conditions, on a dn = dl ((N-l)(k'-l)+l)
avec dn/dnî=k' compris entre 1,25 et 1,45
N=2,4 ou 6 selon la tension.Under these conditions, we have dn = dl ((Nl) (k'-l) + l)
with dn / dnî = k 'between 1.25 and 1.45
N = 2,4 or 6 depending on the voltage.
Les enroulements externes peuvent être bobinés soit à spires jointives, soit à spires écartées étant donné leur nombre de spires plus faibles par rapport à ceux des enroulements internes. The external windings can be wound either with contiguous turns or with spaced apart turns given their lower number of turns compared to those of the internal windings.
Pour des courants nominaux élevés, on peut doubler le nombre de spires en parallèle pour chaque enroulement en doublant la hauteur de la bobine; on peut également doubler le nombre de mandrins en parallèle en gardant une hauteur identique. For high nominal currents, the number of turns can be doubled in parallel for each winding by doubling the height of the coil; you can also double the number of mandrels in parallel, keeping the same height.
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