FR2691591A1 - Hybrid superconductor current limiter for alternating high tension network - uses superconductive secondary winding short-circuited to itself and arranged in space filled with cryogenic fluid separating two coils of non-superconductive primary winding - Google Patents
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Abstract
Description
Limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension.Superconducting hybrid current limiter for high-voltage AC networks.
L'invention concerne un limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension. Un tel limiteur comprend une bobine hybride ayant un enroulement non supraconducteur et un enroulement supraconducteur. I1 utilise le phénomène de transition de l'état supraconducteur vers l'état résistif de l'enroulement supraconducteur pour limiter la valeur d'un courant, par exémple la valeur d'un courant de défaut dans une ligne ou une installation électrique à courant alternatif. The invention relates to a superconductive hybrid current limiter for a high voltage alternating network. Such a limiter comprises a hybrid coil having a non-superconductive winding and a superconductive winding. I1 uses the phenomenon of transition from the superconductive state to the resistive state of the superconductive winding to limit the value of a current, for example the value of a fault current in a line or an AC electrical installation .
Le document FR-A-2 659 805 divulgue un limiteur de courant placé en série dans la ligne à protéger et comprenant une bobine ayant un premier enroulement en matériau non supraconducteur et un second enroulement en matériau supraconducteur, les deux enroulements étant bobinés en sens inverse et étant connectés en parallèle. Il présente l'inconvénient de nécessiter des amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur qui est maintenu à température cryogénique dans un cryostat. Ces amenées de courant sont coûteuses, délicates et occasionnent des pertes frigoriques. Document FR-A-2 659 805 discloses a current limiter placed in series in the line to be protected and comprising a coil having a first winding made of non-superconductive material and a second winding made of superconductive material, the two windings being wound in opposite directions and being connected in parallel. It has the disadvantage of requiring current leads for the superconductive winding which is maintained at cryogenic temperature in a cryostat. These current supplies are expensive, delicate and cause refrigeration losses.
On connaît aussi , par le document FR-A 2 666 912, un dispositif limiteur de courant à supraconducteur comprenant, en série dans la ligne à protéger, un premier enroulement en matériau non supraconducteur. Ce premier enroulement est bobiné autour d'un second enroulement en matériau supraconducteur, en court-circuit sur lui-même et placé dans un cryostat. Ces deux enroulements sont bobinés en sens inverse et autour d'un noyau magnétique Ce limiteur a l'avantage de ne pas utiliser d'amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur. Le noyau magnétique permet de créer une self de limitation de courant élevée lorsque, suite à un courant de défaut, l'enroulement supraconducteur a transité. Document FR-A 2 666 912 also discloses a superconductive current limiting device comprising, in series in the line to be protected, a first winding made of non-superconductive material. This first winding is wound around a second winding made of superconductive material, short-circuited on itself and placed in a cryostat. These two windings are wound in opposite directions and around a magnetic core. This limiter has the advantage of not using current leads for the superconductive winding. The magnetic core makes it possible to create a high current limiting inductor when, following a fault current, the superconductive winding has passed through.
L'inconvénient de ce dispositif réside dans l'utilisation d'un circuit magnétique qui est un élément encombrant et cher.The disadvantage of this device lies in the use of a magnetic circuit which is a bulky and expensive element.
Le but de la présente invention est de réaliser un limiteur de courant hybride ne possédant pas les inconvénients de ces limiteurs selon l'art cornu, c'est-à-dire ne nécessitant pas d'amenées de courant pour l'enroulement supraconducteur, ni de circuit magnétique mais de performances comparables. Ceci peut être obtenu par une disposition particulière des éléments du limiteur de courant, l'enroulement supraconducteur étant en court-circuit et l'enroulement non supraconducteur étant formé de deux bobines mises en série, l'une étant placée autour de l'autre et l'enroulement supraconducteur étant disposé dans l'espace séparant les deux bobines de l'enroulement non supraconducteur. The object of the present invention is to produce a hybrid current limiter which does not have the drawbacks of these limiters according to the horned art, that is to say which does not require current leads for the superconductive winding, nor of magnetic circuit but of comparable performances. This can be obtained by a particular arrangement of the elements of the current limiter, the superconductive winding being in short-circuit and the non-superconductive winding being formed of two coils placed in series, one being placed around the other and the superconductive winding being arranged in the space separating the two coils from the non-superconductive winding.
L'invention a donc pour objet un limiteur de courant hybride supraconducteur pour réseau alternatif haute tension, comprenant un enroulement primaire en matériau non supraconducteur destiné à être disposé en série dans une ligne haute tension et un enroulement secondaire en matériau supraconducteur en court-circuit sur lui-même et placé dans un cryostat rempli d'un fluide cryogénique, caractérisé en ce que l'enroulement primaire est formé de deux bobines branchées en série, disposées coaxialement l'une dans l'autre et bobinées dans le même sens, l'enroulement secondaire étant disposé dans l'espace séparant les deux bobines de 1' enroulement primaire. The subject of the invention is therefore a hybrid superconductive current limiter for a high voltage alternating network, comprising a primary winding made of non-superconductive material intended to be arranged in series in a high voltage line and a secondary winding made of superconductive material short-circuited on itself and placed in a cryostat filled with a cryogenic fluid, characterized in that the primary winding is formed of two coils connected in series, arranged coaxially one inside the other and wound in the same direction, the secondary winding being arranged in the space separating the two coils of the primary winding.
L'enroulement primaire et l'enroulement secondaire peuvent être réalisés en une ou plusieurs couches
L'axe des enroulements primaire et secondaire étant vertical, le court-circuit de l'enroulement secondaire est de préférence situé en partie haute de l'enroulement. Ceci permet de le brancher facilement à un potentiel de référence tel que la masse.The primary winding and the secondary winding can be made in one or more layers
The axis of the primary and secondary windings being vertical, the short circuit of the secondary winding is preferably located in the upper part of the winding. This allows it to be easily connected to a reference potential such as ground.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe d'un limiteur de courant hybride supraconducteur selon l'invention,
- la figure 2 est une vue de détail d'une partie du limiteur de courant représenté à la figure 1
- la figure 3 est une vue de détail de la figure 2,
- la figure 4 est une vue de-dessus partielle de la figure 3,
- la figure 5 est une représentation d'un montage de plusieurs limiteurs de courant selon l'invention en série et en parallèle.The invention will be better understood and other advantages and particularities will appear on reading the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended drawings among which
FIG. 1 is a sectional view of a hybrid superconducting current limiter according to the invention,
- Figure 2 is a detail view of part of the current limiter shown in Figure 1
FIG. 3 is a detailed view of FIG. 2,
FIG. 4 is a partial top view of FIG. 3,
- Figure 5 is a representation of an assembly of several current limiters according to the invention in series and in parallel.
Le limiteur de courant représenté à la figure 1 est disposé dans une enveloppe métallique 1 fermée par un couvercle 2 et remplie d'un fluide diélectrique de refroidissement 3 qui peut être de l'huile, de l'hexafluorure de soufre ou de l'air comprimé. The current limiter shown in FIG. 1 is placed in a metal casing 1 closed by a cover 2 and filled with a dielectric cooling fluid 3 which can be oil, sulfur hexafluoride or air compressed.
Le couvercle 2 supporte deux traversées électriques 4 et 5 permettant de relier les connexions électriques 6 et 7, situées à l'intérieur de l'enveloppe 1, à la ligne à protéger L.The cover 2 supports two electrical bushings 4 and 5 making it possible to connect the electrical connections 6 and 7, located inside the casing 1, to the line to be protected L.
L'enroulement primaire est branché entre les connexions électriques 6 et 7. Il comprend deux bobines 11 et 12 montées en série, disposées coaxialement l'une dans l'autre et bobinées dans le même sens. La bobine 11 est bobinée à l'extérieur du cryostat 10 et la bobine 12 est bobinée à l'intérieur de ce cryostat, le conducteur 8 reliant les deux bobines 11 et 12. L'enroulement primaire est en matériau non supraconducteur, par exemple en cuivre.The primary winding is connected between the electrical connections 6 and 7. It comprises two coils 11 and 12 mounted in series, arranged coaxially one inside the other and wound in the same direction. The coil 11 is wound outside the cryostat 10 and the coil 12 is wound inside this cryostat, the conductor 8 connecting the two coils 11 and 12. The primary winding is made of non-superconductive material, for example in copper.
Le cryostat 10 est constitué de deux cylindres 30 et 40 de diamètres différents et disposés coaxialement. Les deux cylindres sont réunis par leur fond. Un couvercle 9, en forme de couronne, ferme le haut du cryostat. Le cryostat 10 constitue un support isolant pour les bobines 11 et 12. I1 est maintenu dans l'enveloppe 1 par des supports non représentés. The cryostat 10 consists of two cylinders 30 and 40 of different diameters and arranged coaxially. The two cylinders are joined by their bottom. A cover 9, in the shape of a crown, closes the top of the cryostat. The cryostat 10 constitutes an insulating support for the coils 11 and 12. I1 is held in the casing 1 by supports not shown.
L'enroulement secondaire 13, en matériau supraconducteur, est constitué, dans l'exemple décrit ici,de deux couches bobinées sur des mandrins isolants 15 et 16 maintenus dans le cryostat 10 par des supports non représentés. Les extrémités de l'enroulement secondaire 13 sont réunis par un point de court-circuit 14 qui peut être une soudure à l'argent. The secondary winding 13, made of superconductive material, consists, in the example described here, of two layers wound on insulating mandrels 15 and 16 held in the cryostat 10 by supports not shown. The ends of the secondary winding 13 are joined by a short-circuit point 14 which can be a silver solder.
L'enroulement secondaire 13 étant à un potentiel flottant, on relie de préférence sa partie haute, par exemple le court-circuit 14, à la masse à l'aide d'une tresse conductrice. Si le couvercle 9 est réalisé en matériau conducteur, par exemple en acier inoxydable, une tresse conductrice 17 peut relier le point de court-circuit 14 au couvercle 9. Une autre tresse conductrice, non représentée, reliera alors le couvercle 9 à la masse.The secondary winding 13 being at a floating potential, its upper part, for example the short-circuit 14, is preferably connected to ground using a conductive braid. If the cover 9 is made of conductive material, for example stainless steel, a conductive braid 17 can connect the short-circuit point 14 to the cover 9. Another conductive braid, not shown, will then connect the cover 9 to earth.
Le cryostat 10 est rempli d'un fluide cryogénique 20, par exemple de l'hélium liquide. Une circulation d'hélium est entretenue grâce à la canalisation 18 d'évacuation d'hélium gazeux et à la canalisation 19 d'introduction d'hélium liquide. The cryostat 10 is filled with a cryogenic fluid 20, for example liquid helium. A circulation of helium is maintained thanks to the pipe 18 for evacuating gaseous helium and to the pipe 19 for introducing liquid helium.
Le dispositif représenté à la figure 1 comprend encore des conduits 21 et 22 pénétrant jusque dans le cryostat 10 pour faire le vide localement comme il sera expliqué plus loin. The device shown in FIG. 1 further comprises conduits 21 and 22 penetrating into the cryostat 10 to create the vacuum locally as will be explained below.
La figure 2 donne une description plus précise de la constitution du cryostat 10. On reconnaît l'enroulement primaire formé des bobines 11 et 12, l'enroulement secondaire 13 bobiné sur les mandrins isolants 15 et 16 et le fluide cryogénique 20. Comme il a été dit plus haut, le cryostat est constitué à partir de deux cylindres coaxiaux 30 et 40. FIG. 2 gives a more precise description of the constitution of the cryostat 10. We recognize the primary winding formed from the coils 11 and 12, the secondary winding 13 wound on the insulating mandrels 15 and 16 and the cryogenic fluid 20. As it has been said above, the cryostat is formed from two coaxial cylinders 30 and 40.
Le cyclindre 30 comprend une paroi extérieure 31 isolante électriquement et thermiquement supportant sur sa face interne une couche 32 de superisolant. La couche 32 peut être collée sur la paroi 31. Le cylindre 30 comprend encore deux couches isolantes 33 et 34 espacées l'une de l'autre par un espace vide 35. The cylinder 30 comprises an outer wall 31 electrically and thermally insulating supporting on its internal face a layer 32 of super-insulator. The layer 32 can be glued to the wall 31. The cylinder 30 also comprises two insulating layers 33 and 34 spaced from one another by an empty space 35.
La couche 33 est solidaire de la couche 32 et la couche 34 est rattachée au couvercle 9. L'espace annulaire séparant les couches 33 et 34 est relié au conduit 21 (voir la figure 1) pour y faire le vide.The layer 33 is integral with the layer 32 and the layer 34 is attached to the cover 9. The annular space separating the layers 33 and 34 is connected to the conduit 21 (see FIG. 1) to create a vacuum there.
Le cylindre 40 comprend une paroi intérieure 41 isolante électriquement et thermiquement supportant sur sa face externe une couche 42 de superisolant . La couche 42 peut être collée sur la paroi 41. Le cyclindre 40 comprend encore deux couches isolantes 43 et 44 espacées l'une de l'autre par un espace vide 45. La couche 43 est solidaire de la couche 42 et la couche 44 est rattachée au couvercle 9. L'espace annulaire séparant les couches 43 et 44 est relié au conduit 22 (voir la figure 1) pour y faire le vide. The cylinder 40 comprises an electrically insulating and thermally insulating inner wall 41 supporting on its external face a layer 42 of super-insulator. The layer 42 can be glued to the wall 41. The cyclinder 40 further comprises two insulating layers 43 and 44 spaced from one another by an empty space 45. The layer 43 is integral with the layer 42 and the layer 44 is attached to the cover 9. The annular space separating the layers 43 and 44 is connected to the duct 22 (see FIG. 1) to create a vacuum there.
Les couches de superisolant sont aluminisées et démétallisées partiellement pour empêcher la circulation de courants induits intenses. En plus de son rôle d'isolant thermique, il forme une équipotentielle obtenue par liaison à une référence de tension choisie qui peut être la masse, ou tout autre potentiel environnant accessible et qui tendrait à diminuer les contraintes diélectriques. Le superisolant peut être par exemple relié au couvercle conducteur 9. The super-insulating layers are partially aluminized and demetallized to prevent the circulation of intense induced currents. In addition to its role as a thermal insulator, it forms an equipotential obtained by connection to a chosen voltage reference which may be the ground, or any other accessible surrounding potential which would tend to reduce the dielectric stresses. The super-insulation can for example be connected to the conductive cover 9.
Les cylindres 30 et 40 sont réunis par leur fond par une structure qui peut leur être analogue et mettant les espaces 35 et 45 en communication pour assurer la continuité du vide. The cylinders 30 and 40 are joined at their bottom by a structure which may be similar to them and putting the spaces 35 and 45 in communication to ensure the continuity of the vacuum.
Les mandrins isolants 15 et 16 sont espacés pour permettre un refroidissement aisé de l'enroulement supraconducteur 13. Le fil supraconducteur est gainé faiblement pour un meilleur refroidissement. I1 peut etre immobilisé sur les mandrins par imprégnation de résine époxydique. The insulating mandrels 15 and 16 are spaced apart to allow easy cooling of the superconductive winding 13. The superconductive wire is sheathed slightly for better cooling. It can be immobilized on the mandrels by impregnation of epoxy resin.
Les mandrins 15 et 16 sont avantageusement munis de canaux longitudinaux verticaux 25 et 26 régulièrement répartis (voir les figures 3 et 4) pour permettre un bon refroidissement du fil supraconducteur dans sa partie adjacente aux mandrins, le fluide cryogénique circulant aussi dans ces canaux. The mandrels 15 and 16 are advantageously provided with vertical longitudinal channels 25 and 26 regularly distributed (see FIGS. 3 and 4) to allow good cooling of the superconductive wire in its part adjacent to the mandrels, the cryogenic fluid also circulating in these channels.
Les deux bobines 11 et 12 de l'enroulement primaire étant bobinées dans le même sens, leurs flux se retranchent dans l'espace annulaire compris entre les deux bobines. Si ces bobines ont le même nombre de spires, elles induisent un champ magnétique très faible dans cet espace annulaire, donc sur la bobine supraconductrice. The two coils 11 and 12 of the primary winding being wound in the same direction, their flows are entrenched in the annular space between the two coils. If these coils have the same number of turns, they induce a very weak magnetic field in this annular space, therefore on the superconductive coil.
Le meilleur fonctionnement du limiteur sera obtenu pour un nombre de spires supraconductrices au moins égale à deux fois le nombre de spires de l'enroulement primaire. Ceci permet de réduire le courant permanent traversant le fil supraconducteur par effet transformateur élévateur. Dans le cas où l'on dispose de fils supraconducteurs à intensité élevée on peut aussi utiliser l'effet transformateur abaisseur. The best operation of the limiter will be obtained for a number of superconductive turns at least equal to twice the number of turns of the primary winding. This makes it possible to reduce the permanent current passing through the superconductive wire by raising transformer effect. In the case where high intensity superconducting wires are available, the step-down transformer effect can also be used.
Plusieurs limiteurs de courant peuvent être associés en série dans une ligne dans le cas d'une tension de ligne très élevée. Dans le cas de courants très élevés, on associera les limiteurs en parallèle sur la ligne. Dans le cas d'une tension et d'un courant très élevés on effectuera un montage des limiteurs en série et en parallèle. Several current limiters can be associated in series in a line in the case of a very high line voltage. In the case of very high currents, the limiters will be associated in parallel on the line. In the case of a very high voltage and current, the limiters will be mounted in series and in parallel.
La figure 5 représente un montage de deux séries de trois limiteurs 37 intercalés dans une ligne L', ces limiteurs étant isolés par rapport à la terre par des isolateurs 36. FIG. 5 represents an assembly of two series of three limiters 37 interposed in a line L ′, these limiters being isolated from the earth by insulators 36.
La dissociation de l'enroulement primaire en deux bobines disposées coaxialement l'une dans l'autre permet de réduire l'encombrement en hauteur du limiteur ce qui est un avantage appréciable car, en outre, cela permet d'utiliser moins de fluide de refroidissement et moins de fluide cryogénique. The dissociation of the primary winding into two coils arranged coaxially one inside the other makes it possible to reduce the overall size in height of the limiter, which is an appreciable advantage because, moreover, it makes it possible to use less coolant. and less cryogenic fluid.
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