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La présente invention est relative à un limiteur
de courant destiné à limiter la valeur d'un courant, par
exemple d'un courant de defaut dans une ligne ou une
installation electrique à courant alternatif~
On connait déjà un lImiteur colprenant deux e~x~ements
supraconducteurs en parallèle, chacun d'eux etant traversé
par un courant égal.
Dans lebrevetamérica~ no.37~ ~,d~ivréle ~ n~mbre ~
onaproposé ~'utiliser une bobine hybride ayant un enroulement
non supraconducteur et un enroulement supraconducteur.
L'enroulement non supraconducteur a une résistance très
faible par rapport à sa reactance. Le courant est réparti
à égalite entre les deux enroulements qui ont à peu près
le même nombre de spires. En cas de défaut, la transition
de l'enroulement supraconducteur provoque le passage de la
quasi totalité du courant dans l'enroulement non
supraconducteur qui se comporte pratiquement comme une
inductance pure et limite ainsi le cGurant de défaut.
Les dispositifs précités ne permettent pas des
cycles de refermeture rapide en raison du délai
relativement important pour ramener l'enroulement
supraconducteur ~ l'état supraconducteur après une
transition. Ce délai est en effet d'autant plus important
que le courant transité est élevé.
Pbur résoudre ce problème et penmettre la réalisation de cy-
cles de refermeture rapi~e, on a déjà proposé
de réaliser un limiteur comprenant un premier enroulement
supraconducteur et un second enroulement non
supraconducteur, les deux enroulements étant bobinés en
sens inverse et connectés en parallèle, l'enroulement
supraconducteur ayant un nombre de spires supérieur a
celui de l'enroulement non supraconducteur, l'enroulement
supraconducteur étant parcouru par une fraction du courant
total, par exemple de l'ordre de 20%.
Dans un tel limiteur, un courant de défaut
supérieur au courant critique fait transiter l'enroulement
supraconducteur dont la valeur ohmique de la résistance
augmente brusquement: la quasi totalité du courant passe
alors dans l'enroulement non supraconducteur, mais
l'inductance propre de cet enroulement limite la valeur du
courant. Le courant résiduel est ensuite coupé par un
disjoncteur classique. Comme le courant transité est de
valeur relativement faible, malgre une tension retablie
plus élevee, le rétablissement de l'état supraconducteur
de l'enroulement supraconducteur est suffisamment rapide
pour permettre la réalisation de cycles à refermeture
rapide.
Dans le limiteur décrit ci-dessus, l'enroulement
supraconducteur est logé dans un cryostat isolant et est
bobiné à l'intérieur du second enroulement, non
supraconducteur. Le cryostat isolant, par exemple rempli
d'hélium liquide, exige une certaine épaisseur
d'isolation, ce qui ne facilite pas la réalisation d'un
couplage électromagnétique serré entre les deux
enroulements. La chnte de tension inductive aux bornes du
limiteur en fonctionnement normal risque de dépasser le
seuil autorise, c'est-à-dire environ 5% de la tension
phase-terre.
Un but de la présente invention est de réaliser un
dispositi~ qui ne présente pas l'inconvénient précité,
tout en conservant la propriété de permettre des cycles de
refermeture rapide.
La presente invention a pour objet un limiteur de
courant hybride caractérisé en ce qu'il comprend un
premier enroulement, en matériau conducteur non
supraconducteur, ayant un grand nombre de spires,
connecté électriquement en série avec une bobine
supraconductrice de faible auto-inductance, placée
dans un cryostat, et un deuxième enroulement en
matériau conducteur non supraconducteur de faible nombre
de spires, ledit second enroulement éta~t couple de
manière serrée avec ledit premier enroulement , de
manière ~ obtenir une inductance globale faible, ledit
second enroulement étant connecté en parallèle sur
l'ensemble constitue par ledit premier enroulement et
ladite bobine supraconductrice.
Avantageusement, la bobine supraconductrice
1~ comprend deux enroulements supraconducteurs similaires et
bobines en sens inverse.
Dans un mode particulier de réalisation, les
premier et second enroulements font partie d'un ensemble
qui comprend un tube en matériau isolant autour duquel est
engagé un manchon ayant en demi-coupe axiale la forme d'un
peigne avec des dents délimitant des gorges larges et peu
profondes dans lesquelles sont placées les spires du
second enroulement, et des gorges plus étroites et plus
profondes dans lesquelles sont placées les spires du
premier enroulement, les spires du premier enroulement
étant bobinées en sens inverse de celles du second
enroulement.
Une varistance peut 8tre montée aux bornes du
premier enroulement.
Avantageusement, un noyau en matériau à bonne
perméabilité magnétique est placé à l'intérieur du tube.
Dans un mode particulier de réalisation, le noyau
magnétique forme un circuit fermé et saturable, avec des
premier (E1) et second (E2) enroulements bobines
separément.
Les supraconducteurs sont utilisés dans les
limiteurs de courant ~ cause de leur propriété de
transition à l'état normal dès que l'intensite du courant
dépasse une certaine valeur limite. Lors de cette
transition, la resistance de l'élément supraconducteur
augmente de plusieurs ordres de grandeur et ceci de fa~on
~,
~ 4 _ 2 ~ 8 3
pratiquement instantanée. Si un court-circuit se produit
sur la ligne, la réponse du limiteur est donc très rapide.
Cependant, apr~s une transition, plus le courant transité
est élevé, plus il faut de temps pour ramener l'élément
supraconducteur ~ l'état supraconducteur. Ceci est très
gênant si l'on veut que le limiteur puisse fonctionner
selon des cycles ouverture-fermeture-ouverture O-
0,3sF-O. Il est donc primordial de chercher à réduire le
courant permanent transitant dans les éléments
supraconducteurs.
Le limiteur de courant précédemment décrit permet
de réduire le courant transitant dans les elements
supraconducteurs grâce à un circuit à deux branches de
courant en parallèle, le circuit étant concu de façon
qu'il n'y ait qu'une faible partie du courant principal
qui transite dans ces élements. L'utilisation d'un circuit
magnétique saturable à deux branches permet
avantageusement de reduire la tension existant aux bornes
de la bobine supraconductrice.
En perfectionnant ce circuit magnétique, on a
découvert qu'il est possible de modifier rapidement le
coefficient de couplage et donc de réduire très fortement
la tension aux bornes de la bobine supraconductrice. On
réduit alors d'autant l'énergie thermique dissipée dans la
partie supraconductrice. Ceci permet l'utilisation d'un
disjoncteur de temps de coupure trois cycles au lieu d'un
cycle.
A cet effet, selon une variante de réalisation, il
est prévu d'utiliser un circuit magnétique à trois
branches, les premier et deuxième enroulements étant
bobinés chacun sur une branche separée, une troisième
branche étant interrompue par un entrefer mais pouvant
refermer les flux présents dans les deux premieres
branches gr~ce à une pièce mobile. Ce circuit magnétique à
trois branches permet, en association avec une varistance
branchée en parallèle sur le premier enroulement, de
,
_ 5 - ~ 383
modifier rapidement le coefficient de couplage et
d'obtenir le résultat recherché.
A cet effet, le circuit magnétique comprend une
premi~re et une deuxième branches dont les premières et
deuxièmes extrémités sont respectivement communes pour
former un circuit fermé, les premier et deuxième
enroulements étant bobinés chacun autour d'une branche, le
circuit comprenant en outre une branche médiane située
entre les premieres extrémités et les deuxièmes
extrémités, cette branche médiane comportant un entrefer
et une pièce magnétique mobile permettant de supprimer cet
entrefer, un dispositif de rappel agissant sur la pièce
magnétique mobile pour s'opposer à la suppression de
l'entrefer.
lS Dans un mode particulier de réalisation, la pièce
magn~tique constitue un noyau plongeur susceptible de
coulisser dans un logement de la branche mediane.
Le dispositif de rappel peut comprendre un ressort.
A~antageusement, la branche du circuit magnetique
sur laquelle est bobiné le premier enroulement a une
section plus petite que les sections de la branche sur
laquelle est bobiné le deuxième enroulement et de la
branche médiane.
Une varistance peut être montee aux bornes du
premier enroulement.
L'invention est explicitée par la description
ci-après en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue schématique d'un
limiteur selon l'invention,
- la figure 2 est une vue partielle en coupe
axiale d'un ensemble des deux enroulements non
supraconducteurs,
- la figure 3 est une vue d'une limiteur selon une
variante de réalisation.
Dans la figure 1, la référence 1 désigne une
enceinte comprenant une enveloppe métallique 2 mise à la
'
- 6 - 2~a983
terre; l'enceinte comprend trois traversées isolantes 4, 5
et 6, et est remplie d'un gaz ou d'un liquide d'isolement
et de refroidissement, par exemple air, huile,
hexafluorure de soufre, etc
A l'int~rieur de l'enceinte 1 est disposé un
premier enroulement El, en cuivre, de section faible et
ayant un grand nombre de spires, et un second
enroulement E2, en cuivre, de grande section, et ayant un
nombre de spires au moins quatre fois plus faible que
celui du premier enroulement El. Les enroulements El et E2
sont bobinés en sens inverse et le couplage entre ces deux
enroulements est très serré de manière que l'ensemble ait
une inductance globale très faible. On donnera plus loin
un exemple de réalisation d'un tel couplage.
A côté de l'enceinte 1, est dispose un cryostat lO
constitué d'une enveloppe isolante 11 munie d'une
métallisation 12 à la terre et de deux traversées
isolantes 13 et 14. A l'interieur du cryostat est disposée
une bobine supraconductrice globalement désignée par B,
mais constituée en réalité de deux enroulements
supraconducteurs E3 et E4 connectés électriquement en
parallèle et bobinés en sens inverse de manière à conférer
à la bobine une inductance très faible. L'intérieur du
cryostat est remplie d'un fluide cryogénique à une
température suffisaD ent basse pour maintenir la bobine B
à l'état supraconducteur. Si la bobine est réalisée en
niobium-titane, le fluide cryogénique est de l'hélium
liquide.
La liaison entre l'enceinte 1 et le cryostat lO
est réalisée pour relier en série l'enroulement El et la
bobine B, et connecter l'enroulement E2 en parallèle sur
l'ensemble constitué par l'enroulement El et la bobine B.
Un disjoncteur classique D est inséré en série
avec le limiteur de l'invention.
Le fonctionnement est le suivant:
.
: ~ :
: ~ :
2~0~3
- 7 -
- en régime normal, le disjoncteur D est fermé et
est traversé par le courant nominal In; une faible
fraction de ce courant traverse la branche constituée de
l'enroulement El et la bobine supraconductrice B.
- si un court-circuit intervient, la valeur du
courant dépasse la valeur critique de la bobine B qui
transite à l'état non supraconducteur et devient par suite
très résistive avec une grande valeur ohmique. La guasi
totalité du courant passe alors dans l'autre branche
constituée par l'enroulement E2. Le courant de défaut est
alors limité par la propre inductance de l'enroulement E2.
Cette inductance devra être suffisante pour réduire le
courant de défaut à une valeur égale environ à trois ou
quatre fois In. Ce courant résiduel est coupé sans
difficulté par le disjoncteur D.
La figure 2 représente une vue partielle en coupe
axiale d'un exemple de réalisation des enroulements E1 et
E2, assurant un couplage très serré entre ces enroulements.
L'ensemble comprend un tube 20 en matériau isolant
autour duquel est engagé un manchon 21 ayant en demi-coupe
axiale la forme d'un peigne avec des dents 21A délimitant
des gorges larges et peu profondes 22 dans lesquelles sont
placées les spires de l'enroulement E2, et des gorges
plus étroites et plus profondes 23 dan~ lesquelles sont
placées les spires de l'enroulement E1. Cette
disposition permet un couplage serré des enroulements E1
et E2, de sorte que 1'inductance globale est très faible.
Ce couplage peut encore être augmenté en placant,
l'intérieur du tube 20, un noyau 24 en matériau à bonne
perméabilité magnétique.
Avec un noyau 24 fermé et saturable, on peut
réduire sensiblement les dimensions des enroulements El et
E2, qui sont alors bobinés séparément chacun sur une
branche d'un circuit magnétique. Ceci permet d'avoir un
coefficient de couplage élevé en régime normal et un
coefficient de couplage moins élevé en regime de défaut.
- ' '
'
~ 8 - ~0~83
Le limiteur de l'invention est performant et
économique.
Grâce au couplage serré des enroulements El et E2,
l'inductance de l'ensemble non supraconducteur est très
faible et la chute de tension aux bornes du limiteur reste
très inférieure ~ la valeur maximale imposée.
Le cryostat dans lequel est placée la bobine B est
conventionnel, de sorte qu'il n'y a pas nécessité de
prévoir, comme dans la réalisation précédente
sus-mentionnée, un cryostat isolant thermiquement et
diélectriquement conçu specialement, et donc plu5
onéreux.
La disposition du schema électrique choisi permet
de rendre très faible le courant dans le bobinage
supraconducteur, de sorte que les pertes lors de la
transition sont faibles, le rétablissement de l'état
supraconducteur est rapide, autorisant des cycles de
refermeture rapide avec l'aide du disjoncteur classique
D.
Avec une chute inductive en fonctionnement normal
égale a 5% de la tension phase-terre, et un courant de
court-circuit limité à trois fois le courant nominal, un
coefficient de couplage de 0,85 permettra d'obtenir un
courant dans l'enroulement El environ 7 fois plus faible
que celui dans 1'enroulement E2.
L'utilisation de varistances ~ oxydes métalliques
tel que l'oxyde de zinc permettra de réduire la surtension
aux bornes du limiteur. En particulier, il est avantageux
de mettre, aux bornes de l'enroulement E1, une varistance
V (représentée en pointillés dans la figure 1), pour
limiter la tension aux bornes de l'enroulement El par
insertion de résistance pendant son fonctionnement. Ceci
permet de réduire aussi la tension appliquée à la bobine
supraconductrice B tout en limitant le courant de
court-circuit sur le réseau sans modifier le coefficient
de couplage.
~' _ 9 _ 2~0983
La figure 3 represente une variante de réalisation.
Selon ce mode de réalisation, les enroulements E1
et E2 sont bobinés sur deux branches separées 31 et 32
d'un circuit magnetique 30. Le circuit magnetique 30 est
fermé par des branches latérales 33 et 34. Il comprend
également une branche médiane 35 reliant les branches
latérales 33 et 34 et comportant un entrefer 36. La
branche médiane comporte une pièce magnétique mobile
constituée dans le cas présent par le noyau plongeur 37
13 pouvant coulisser dans le logement 38 usiné, à partir de
la branche latérale 34, dans la branche médiane 35. A
l'extérieur du circuit magnétique 30, le noyau plongeur 37
se termine par une butée de retenue 39 qui constitue, avec
le ressort 40 et la coupole 41 fixée sur la branche
latérale 34, un dispositif de rappel du noyau plongeur en
exerçant une action tendant à l'écarter de l'entrefer 36.
En fonctionnement normal à courant nominal In,
les flux ~1 et ~2, induits respectivement dans les
branches 31 et 32, sont pratiquement égaux et s'opposent.
Le flux résultant ~ est donc très faible. Il n'y a alors
pas, ou quasiment pas, de flux dans la branche médiane 35,
donc pas de champ magnétique dans cette branche. Le noyau
magnétique plongeur 37 reste ~ l'interieur du logement 38.
Il est maintenu dans cette position par le ressort de
rappel 40. Le courant I1 traversant la bobine
supraconductrice B est égal à une faible fraction du
courant nominal In.
En cas de défaut sur la ligne d'utilisation, les
courants I1 et I2 (I2 étant l'enroulem0nt circulant dans
l'enroulement E2) augmentent. Quand le courant Il atteint
la valeur critique, les enroulements supraconducteurs E3
et E4 transitent. Ces derniers deviennent alors très
résistifs. L~ limiteur joue alors son rôle.
Le courant I1 diminue tr~s fortement en un temps
extrêmement court. Il en va de même pour le flux ~1. Le
courant I2 est limité à une valeur de 3 In par la
- lo - 2~ 3
self-inductance propre de l'enroulement E2 conçu en
conséquence.
Le flux ~2 correspondant à un courant I2 = 3 In
est nettement predominant devant ~l. Le flux ~2 traverse
alors la branche 3l supportant l'enroulement El et peut
créer à la fois une tension importante aux bornes de la
varistance V et aux bornes des enroulements E3 et E4. La
varistance V est choisie pour fonctionner à une tension de
valeur relativement faible et pour laisser circuler ainsi
un courant assez élevé. Le flux ~l augmente rapidement et
s'oppose à ~2. Ces deux flux tendent alors à passer dans
la branche médiane 35 créant ainsi un champ magnétique. Le
noyau plongeur 37 est attiré vers la partie de la branche
médiane qui lui fait face et ferme l'entrefer 36. Le flux
~2 se referme, pour une grande partie, à travers la
branche médiane 35. La tension aux bornes de l'enroulement
El diminue et sa valeur approche de la tension appliquée à
l'enroulement E2, c'est-à-dire la tension de défaut
phase-terre. Il en est de même de la tension aux bornes de
la bobine B.
Pour favoriser le passage du flux ~2 à travers la
branche médiane 35, il est avantageux de réaliser un
circuit magnétique tel que la section de la branche 3l
supportant l'enroulement El soit plus petite que les
sections des branches 32 et 35.
Avec un tel limiteur, le disjoncteur D peut
s'ouvrir environ 60 millisecondes après l'apparition du
défaut sur la ligne et couper ainsi le courant de défaut
résiduel (~gal environ à 3 In). Le ressort 40 ramène
alors le noyau plongeur 37 à sa position initiale de repos.
L'invention s'applique à la réalisation de
limiteurs pour les réseaux ou installations électriques à
haute et moyenne tension.
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