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Submitted on 1 Jan 1994
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Limiteurs de courant supraconducteurs
T. Verhaege, M. Bekhaled, Y. Laumond, V. Pham, P. Thomas, P. Thérond
To cite this version:
T. Verhaege, M. Bekhaled, Y. Laumond, V. Pham, P. Thomas, et al.. Limiteurs de courant supra- conducteurs. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1994, 4 (4), pp.595-601. �10.1051/jp3:1994148�.
�jpa-00249126�
Classification
Physic-s Abstracts
74.60 74.65 74.90
Limiteurs de courant supraconducteurs
T. Verhaege ('), M. Bekhaled (2), Y. Laumond (2), V. D. Pham (3), P. Thomas (4) et P. G. Thdrond (4)
(') Alcatel Alsthom Recherche, route de Nozay, 91460 Marcoussis, France
(~) GEC Alsthom Electromdcanique, 3 avenue des Trois Chdnes, 90018 Belfort, France
(~) GEC Alsthom Transport et Distribution, 130 rue Ldon Blum, 69611Villeurbanne, France
(4j EDF-DER, avenue du Gdndral de Gaulle, 92141Clamart, France (Rega le 3 juin 1993, acceptd le 27 octobre J993j
Rdsumd. L'dlectrotechnique industrielle h 50-60 Hz reprdsente pour les supraconducteurs un marchd potentiel considdrable. Parrni les applications envisageables, la limitation des courants de d6faut sera probablement la premibre h trouver un essor industriel. Les propr16t6s mises en jeu sont tout h fait spdcifiques des supraconducteurs, h savoir le grand contraste existant entre un stat passant h haute densitd de courant, et un dtat bloquant h haute rdsistivitd, obtenu dks que le courant
ddpasse un seuil donna. Il est ainsi possible de garantir le rdseau contre toute excursion du courant au-dell d'une valeur spdcifide, avec un impact important sun sa protection, son dimensionnement,
son degrd d'interconnexion. La technologie du limiteur de courant est assez complexe diverses
structures ont dtd proposdes et testdes, rdsistives ou inductives, h base de supraconducteurs
BT~ ou HT~. Le candidat le plus avancd h ce jour est une structure de type rdsistif, utilisant des conducteurs h filaments ultra-fins de niobium-titane et h matrice de cupronickel, dont on donne ici les caractdristiques essentielles.
Abstract. -50-60 Hz electrical engineering represents a considerable potential market for superconductors. Fault current limitation will probably be the first among the possible applications,
to find an industrial opening. Exploited features are very specific of the superconductors, namely the large contrast existing between an on-state with high current density and an off-state with high
electrical resistivity, obtained as soon as the current reaches a specified level. It thus becomes possible to warrant the grid from any current excursion over a specified value, with considerable impact on the protection and dimensions of conductors and devices, and increased possibilities of
interconnexion. The current limiter technology is rather complex different structures have been
proposed and tested they are resistive or inductive, based on low-T~ or high-T~ superconductors.
The most advanced candidate to date is a resistive structure, using conductors made of ultra-fine niobium-titanium filaments in a coppernickel matrix, whose essential features are described hereunder.
1. Intdrkt des limiteurs de courant.
Les rdseaux de transmission et de distribution dlectrique ont h supporter occasionnellement des courts-circuits en ligne, entre phases ou h la terre. Le courant de court-circuit peut atteindre des
JOURNAL DE PHYSIQUE 'I' -T 4 N'4 APRIL 1994 2~
596 JOURNAL DE PHYSIQUE III N° 4 valeurs extrdmement dlevdes, avec des consdquences ndfastes pour la ligne, les transfor-
mateurs, ou les gdndrateurs :
. ddgradation d'origine thermique, due h1°effet Joule intense ;
. ddgradation d'origine mdcanique, due aux forces dlectromagndtiques intenses ;
. enchainement catastrophique, si les capacitds du matdriel de coupure sont ddpassdes.
La ddgradation d'origine therrnique peut en gdndral dtre rdduite, si le matdriel de coupure
agit effectivement aprds quelques altemances ; par contre~ le matdriel de coupure ne protdge
pas des ddgradations d'origine mdcanique, qui peuvent se produire dds (es premidres
altemances.
Un matdriel limitant le courant de court-circuit peut donc devenir ndcessaire pour dliminer (es risques de ddgradation mdcanique, et/ou pour dviter une ddfaillance par surcharge du
matdriel de coupure.
La limitation des courants de court-circuit intdresse en premier lieu (es producteurs et distributeurs d'dlectricitd, comme en tdmoigne l'effort qu'ils consacrent sur ce sujet, mais
dgalement les installations industrielles, pour la protection des machines de production. Elle
peut encore intdresser les constructeurs et utilisateurs de matdriel dlectrique, car les conditions
de court-circuit sont ddterminantes pour la conception, le dimensionnement et le co0t des matdriels.
2. Intdrkt de la supraconductivitd pour la limitation de courant.
Il existe diffdrents moyens de maitriser les courants de ddfaut, prdsentant chacun ses avantages
et inconvdnients :
. les disjoncteurs ultra-rapides (10 h 20 ms) permettent de rdduire les effets thermiques de sur-courants, mais n'excluent pas les risques de ddgradation mdcanique ; ils sont eux-mEmes soumis h certaines limitations, concemant leur pouvoir de coupure ;
. les fusibles, qui prdsentent une inertie thermique, ont les mEmes inconvdnients, auxquels s'ajoute leur caractdre mono-coup, supposant un remplacement manuel ;
. l'inductance de fuite des gdndrateurs et transformateurs peut Etre accrue, ou compldtde
par des rdactances sdrie les distributeurs d'dlectricitd n'y sont pas favorables~ h cause de la
puissance rdactive consommde et de la chute de tension occasionnde, qui varie avec la charge la compensation h l'aide de capacitds est possible, mais particulidrement ondreuse.
3. Supraconducteurs BT~ ou HT~ ?
Le choix du matdriau supraconducteur utilisd dans un limiteur de courant est fortement
ddpendant des ddlais fixds, et du type de structure choisi.
Les conducteurs utilisant des supraconducteurs h basse tempdrature critique sont d'ores et
ddjh opdrationnels, y compris pour les applications telles que le limiteur de courant~ qui supposent de faibles pertes h 50 ou 60 Hz, et une matrice fortement rdsistive les brins h filaments sub-microniques de niobium-titane dans une matrice de cupro-nickel sont produits
industriellement, supportent le rdgime 50 Hz avec des pertes de l'ordre de 10-5 W/Am, et
prdsentent h l'dtat normal une rdsistivitd de 4 x10~? Q.m. Leur transition s'accompagne
d'une rapide dldvation de tempdrature, d'ob son caractdre irrdversible, et l'existence de
probldmes de protection du conducteur, qui sont toutefois assez bien maitrisds. Leur utilisation
ndcessite cependant un environnement cryogdnique h basse tempdrature (hdlium liquide h
4,2 K).
Les conducteurs h base de supraconducteurs h haute tempdrature critique (YBCO,
BSCCO, ) n'ont pas atteint le mEme degrd de maturitd, et ne peuvent donc Etre considdrds pour des projets de limiteurs de courant industriels qu'h un horizon plus lointain. Leurs
avantages majeurs sont de permettre une cryogdnie simplifide (azote liquide h 77 K), et de
prdsenter une plus grande stabilitd. Les performances (rdsistivitd, densitd de courant critique)
obtenues sur petits dchantillons, sont suffisantes pour l'application au limiteur de courant, la difficultd principale dtant de reproduire ces performances sur conducteurs industriels.
L'utilisation de conducteurs de grande longueur suppose qu'on puisse trouver un substitut h la
gaine d'argent, trop conductrice pour l'application du limiteur. Des massifs (faible longueur et forte section) pourraient Etre utilisds, sous rdserve de progrds notables sur la valeur du produit
p. J~ de la rdsistivitd h l'dtat normal par la densitd de courant critique.
Il semble donc possible de ddvelopper dds aujourd'hui la technologie des limiteurs h base de
BT~, tout en considdrant avec intdrEt, pour des applications plus lointaines, les progrds des conducteurs en massifs h base de HT~.
4. Limiteurs de courant rdsistifs.
D#FINITION. La limitation rdsistive dU CoUrant Utilise le fort Contraste eXistant, pOUr Certains
conducteurs supraconducteurs, entre un dtat passant h haute densitd de courant critique
J~(A/m~), et un dtat bloquant h haute rdsistivitd p (Q. m).
La transition de l'dtat passant h l'dtat bloquant est Obtenue lorsque la densitd de courant transportde J m J~.
La transition est fortement irrdversible lorsque le produit p.J) est dlevd, car elle
s'accompagne alors d'une dldvation rapide de tempdrature. Dans le cas contraire, la transition peut Etre partielle et rdversible, l'dnergie dissipde dtant alors dvacude par le fluide cryogdnique,
sans dchauffement excessif; la limitation dans ce cas est life h la caractdristique courant-
tension du conducteur au-dell du courant critique, h la tempdrature du bain.
' 121
~ j,
I
' ,,
,
, ,
'-, t
court.circui lc
Fig. I. Limitations irrdversible (I) et rdversible (2) du courant.
[Irreversible (I) and reversible (2) current limitations.]
Dans son concept le plus simple, la limitation rdsistive est obtenue par le montage, en sdrie
sur la ligne h protdger, du conducteur supraconducteur.
Lorsque la longueur de conducteur ndcessaire le justifie, celui-ci peut Etre bobind, gdndralement en mode « aselfique », ce qui minimise les pertes rdactives h l'dtat passant.
Afin de garantir sa protection, on doit gdndralement associer au limiteur un disjoncteur rapide. Grfice h la prdsence du limiteur, le pouvoir de coupure du disjoncteur peut Etre rdduit h
une valeur moddrde, trds infdrieure au courant de court-circuit thdorique.
Enfin, le schdma dlectrique peut comporter, en parallkle avec le supraconducteur, une
impddance Z~~~~,, qui a pour fonction d'ajuster l'impddance globale du systdme limiteur.
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Z shunt
Disjoncfeur
'iJ -vers la charge
~supraconducfeur
Fig.
[Basic cheme the esistive fault
current limiter.]
DIMENSIONNEMENT DU CONDUCTEUR. La section S du Conducteur est ddterminde par le
courant de blocage I~ et la densitd de courant critique J~, selon S
= I~/J~. Afin d'assurer la limitation du courant sous un seuil spdcifid1 ~ I~, la longueur L du conducteur doit, quant h elle, ddpasser
V~ S V~ 16
L~,~ =
= (V~ = tension r£seaU
P Imax PJC Imax
Le volume de conducteur ndcessaire est ainsi supdrieur Ou dgal h Vn~)
v~,n =
~ ~~'~ ~ ~'~
On voit ici que le produit p J) joue un r61e tout h fait ddterminant pour la compacitd du
dispositif.
PERTES ET BESOINS CRYOG#NIQUES. La puissance rdactive Consommde par le limiteur
rdsistif peut Etre rdduite h un niveau trds faible (0,1 h I §b), si le bobinage est congu de fagon h
prdsenter une trks faible inductance. On atteint ce rdsultat dans un bobinage comportant un grand nombre de couches de sens de rotation altemds.
Cette disposition h trds faible inductance est dgalement utile pour minimiser les pertes par courants de Foucault dans les dldments mdtalliques de structure (amendes de courant, etc.) et dans la paroi du cryostat, si celle-ci est dgalement mdtallique.
La disposition h trds faible inductance minimise dgalement le champ magndtique auquel est
soumis le supraconducteur, et donc ses pertes AC. Ces pertes peuvent Etre abaissdes aux
environs de 10-? fois la puissance de la ligne, dans le cas d'utilisation de brins supraconduc-
teurs Bas T~ optimisds pour le rdgime 50 Hz ; ceci correspond h un cofit cryogdnique
(consommation dlectrique du liqudfacteur) infdrieur h 10-4 fois la puissance de la ligne.
Le bilan cryogdnique serait mains favorable pour les supraconducteurs HT~ h leur niveau de
perforrnance actuel, malgrd la tempdrature de fonctionnement plus dlevde.
Le limiteur rdsistif prdsente dgalement des pertes actives et besoins cryogdniques au niveau des amendes de courant, c'est-h-dire des conducteurs qui assurent le passage de la tempdrature
ambiante h la tempdrature cryogdnique.
Les amendes de courant pour rdgime altematif ne sent pas couramment rdpandues. Par
rapport aux amendes pour rdgime continu Ou lentement variable, des prdcautions suppldmentai-
res sent h prendre pour minimiser les consdquences de l'effet de peau et des courants de
Foucault. II est thdoriquement possible d'approcher les perforrnances des amendes DC, rdsumdes dans le tableau I. Dans le cas d'un limiteur BT~ fonctionnant h la tempdrature de l'hdlium liquide (4,2 K), l'utilisation d'amendes mixtes, dans lesquelles la transition entre 77 K (azote liquide) et 4,2 K est assurde par un supraconducteur massif HT~, permettrait une
rdduction considdrable des besoins cryogdniques.
Tableau I. Consommation approximative d'une paire d'amendes de courant optimisde.
[Rough consumption of an optimised pair of leads.]
~ ~ ~,~~~~~~ ~~ ~ mdtallique mixte
~~ 4,2 K 4,2 K
Pertes actives 0, W/A 0, 16 W/A 0, W/A
Consommation dlectrique de la
machine cryogdnique I W/A 8 W/A 2 W/A
Les consommations, qui sent proportionnelles au courant nominal et inddpendantes de la tension, deviennent prohibitives pour des applications Basse Tension, pour lesquelles le limiteur rdsistiflinductif doit dtre prdfdrd au limiteur purement rdsistif. Elles deviennent acceptables au-dell de quelques kV, et trds secondaires pour les applications Haute Tension.
PROTECTION. La transition du supraconducteur gdnbre par effet Joule des dchauffements
rapides et des champs dlectriques intenses. Il existe ainsi des risques de ddtdrioration par surchauffe du conducteur et/ou par claquage didlectrique. La maitrise de ces risqqes est d'autant plus ddlicate que la tension nominale est plus dlevde.
La protection active consiste h assurer une ddtection rapide de toute transition, qu'elle soit spontande ou provoqude par un court-circuit, pour commander l'ouverture d'un disjoncteur rapide.
Lorsque le produit pJ) est trds dlevd, il est ndcessaire de compldter la protection active par
une femme de protection passive, qui assure une ddcroissance rapide de courant aprds toute
amorce de transition [5].
RfcuPfRATioN. Pour un limiteur rdsistif de puissance consdquente, le temps de rdcupdra-
tion de l'dtat passant aprds limitation ne peut gudre descendre en dessous de quelques
secondes, dtant donna l'importance de l'dnergie libdrde. Il en est de mEme pour les limiteurs rdsistifslinductifs. Le recours h deux limiteurs devient ndcessaire lorsque les spdcifications imposent une reconnexion rapide.
5. Limiteurs de courant inductifs.
DffiNiTioN.- On emploie frdquemment le terme de
« limiteur inductif» pour ddsigner
diverses structures de limiteurs faisant appel, pour la limitation, h des rdactances. La plupart de
ces structures h l'exception du « limiteur h circuit magndtique saturd » sent toutefois basdes sur
la transition d'un supraconducteur, c'est-h-dire son passage h l'dtat rdsistif.
Malgrd la diversitd des structures proposdes, on peut considdrer qu'elles ant en commun les caractdres suivants
. l'dtat passant est obtenu par un schdma dlectrique de faible inductance dquivalente,
supposant le passage de courant dans un dldment supraconducteur ;
600 jOURNAL DE PHYSIQUE III N° 4
. l'dtat bloquant est Obtenu h partir du schdma prdcddent qui prdsente une forte inductance
lorsqu'apparait une rdsistance suffisante dans l'dldment supraconducteur.
Il est possible, par effet transforrnateur, de modifier le couple courant/tension que doit supporter le supraconducteur, sans toutefois modifier la puissance de commutation qui lui est
demandde. La conservation de la puissance de commutation, qui est toujours rdsistive~
justifierait donc la ddnomination de « structure rdsistivelinductive
».
Le transformateur limiteur mixte (Fig. 3) illustre bien les versions inductives la partie
froide se rdduit au secondaire en court-circuit d~un transformateur. Un cryostat composite sdpare ce secondaire du circuit magndtique et du primaire cuivre. Aucune amende de courant
n'est ici ndcessaire. Lorsque le courant primaire atteint un seuil donna, le secondaire atteint son
courant de blocage et transite. L'impddance ramende au primaire prend alors une valeur
dlevde, assurant la limitation.
primaire rksisfif
'~~ ~
secondaire supra
Fig. 3. Transformateur limiteur mixte.
[Transformer-like limiter.]
L'inconvdnient principal du transformateur limiteur, partagd avec toutes les versions inductives, rdside dans son encombrement et son poids : la limitation est Obtenue par une
inductance capable d'absorber une puissance comparable h celle du rdseau elle comporte un
bobinage cuivre qui doit supporter en permanence le courant nominal, et en rdgime impulsionnel le courant limitd le circuit magndtique, s'il existe, est peu efficace car trds
rapidement saturd en rdgime de limitation la version sans circuit magndtique semble plus acceptable, avec toutefois une masse de cuivre trks importante (ex. 3 tonnes pour 45 MVA).
6. Conclusions.
Le limiteur de courant supraconducteur peut constituer un dldment cld pour la protection des matdriels dlectriques, l'extension des puissances transitdes sur rdseaux existants, l'accroisse- ment du degrd d'interconnexion des rdseaux et de la qualitd du service.
Le phdnomdne exploitd est, sauf de rares exceptions, le passage de l'dtat supraconducteur h I'(tat rdsistif, Obtenu lorsque le courant atteint un certain seuil. Il est utilisd diversement, selon
la structure proposde. La version de base reste le
« limiteur rdsistif », qui prdsente de loin la meilleure compacitd.
Si de nombreuses ddmonstrations de laboratoire Ont ddjh vu le jour, des progrks significatifs
restent toutefois h faire pour atteindre l'objectif de produits h caractdre industriel.
Des efforts dans ce sens sent entrepris, tant au Japon oh Toshiba met au point des limiteurs 6,6 kV/1,5 kA, qu'en France, oh, aprds une ddmonstration au niveau 7,2 kV/I kA/3 kh,
un
projet commun h GEC ALSTHOM et Electricitd De France vise la ddmonstration sur rdseau d'un limiteur 63 kV/1,25 kA/5,3 kh.
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