Bibliographie & annexes
Présentation
Auteur(s)
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Yves BRUNET : Professeur à l’Institut national polytechnique de Grenoble
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Pascal TIXADOR : Centre national de la Recherche scientifique CRTBT/LEG
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Lire l’articleINTRODUCTION
Associée aux propriétés de courant critique, la transition des supraconducteurs est une propriété intrinsèque de ces matériaux sans équivalent. Elle permet, en quelques microsecondes, de passer d’un état de résistivité nulle à un état de résistivité finie suffisamment importante pour limiter le passage d’un courant. En moyenne ou haute tension les appareils actuels, les disjoncteurs, ne limitent pas mais interrompent le courant de défaut lors d’un de ces passages par zéro. Le limiteur supraconducteur apparaît par conséquent comme un dispositif particulièrement intéressant pour les réseaux électriques. Outre les nombreux avantages qu’il apporterait aux réseaux, il permettrait d’améliorer la qualité de distribution de l’énergie électrique. Pour limiter un courant, continu ou alternatif, cette propriété peut être utilisée directement (limitation purement résistive) soit indirectement, l’élément supraconducteur étant alors un organe de détection et de déclenchement d’un processus auxiliaire de limitation.
Dans le cas des supraconducteurs à haute température critique (HTc), la transition peut être moins brutale, la résistivité liée à l’écoulement des lignes de flux (flux flow), qui apparaît dès que l’on dépasse la densité de courant critique, pouvant alors contribuer à la limitation du courant.
Plusieurs prototypes qui explorent les diverses dispositions possibles ont été étudiés, tant avec les supraconducteurs classiques à basse température qu’avec les HTc. Ils visent à atteindre les besoins en tension (quelques dizaines de kV) et en courant (quelques dizaines de kA) des applications industrielles : par exemple, en France, avec des conducteurs supraconducteurs alternatifs en NbTi, GEC Alsthom et Alcatel-Alsthom Recherche ont particulièrement étudié les dispositifs à limitation résistive, le CNRS-CRTBT explorant des limitations inductives et Schneider Electric s’intéressant aux propriétés des matériaux HTc ; ABB a installé dans une centrale en Suisse un limiteur supraconducteur triphasé de 1,2 MVA utilisant des tubes massifs (Bi-2212) ; aux États-Unis, plusieurs industriels (Intermagnetics-IGC, Lookheed Martin, Power Superc.) sont engagés dans des projets de plusieurs MVA.
Associés aux régulateurs supraconducteurs basés sur le stockage de l’énergie magnétique (SMES), les limiteurs supraconducteurs devraient être les premiers dispositifs supraconducteurs intégrés aux réseaux électriques.
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VERSIONS
- Version courante de août 2013 par Pascal TIXADOR
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Fonction limiteur de courant1. Intérêt des limiteurs de courant
1.1 Réponses aux besoins
Les besoins en énergie électrique augmentent tant en quantité qu’en qualité. Cela entraîne une croissance de la puissance des équipements installés dans les réseaux et le développement de l’interconnexion. Cette tendance implique une augmentation notable de la puissance de court-circuit qui rend plus difficile la maîtrise des procédés de coupure des courants en cas de défaut. Elle impose, d’autre part, d’introduire une meilleure sélectivité de façon à n’isoler que les zones de défaut sans perturber le fonctionnement des zones restées saines.
Les valeurs très élevées des courants de court-circuit (ceux-ci peuvent atteindre 20 à 30 fois le courant nominal soit plus de 100 kA dans certains postes THT), qui apparaissent moins d’un quart de période (ª 5 ms) après le défaut, entraînent des contraintes mécaniques intenses sur les matériels (générateurs, transformateurs, jeux de barre...) et peuvent, si les capacités des appareils de coupure sont dépassées, conduire à une mise hors service de portions importantes de réseau.
L’introduction de limiteurs de courant capables de limiter les courants de défaut à 3 ou 4 fois le courant nominal (figure 1) apporterait une marge de sécurité supplémentaire au fonctionnement des réseaux et devrait permettre de ne plus dimensionner les équipements en fonction des courants de court-circuit qui devient alors une notion théorique. En ce qui concerne les transformateurs, par exemple, toute réduction des pics de courant conduit à une réduction des contraintes électromécaniques internes et permet d’augmenter leur durée de vie. Elle permettrait de réduire la taille et les contraintes imposées aux disjoncteurs en limitant, par exemple, les effets des surtensions qui apparaissent à l’ouverture.
La présence de ceux-ci reste néanmoins nécessaire pour éliminer les défauts, isoler les zones en défaut et limiter les échauffements, mais la taille requise pour ces opérations est très inférieure à celle requise pour couper les courants de court-circuit puisqu’ils n’auront à interrompre que le courant limité. Ils doivent néanmoins rester très rapides, et agir en moins de 20 ms pour limiter l’énergie Joule dissipée dans les composants traversés par les courants de défaut, en particulier dans le limiteur...
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Intérêt des limiteurs de courant
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FLEISHMAN (L.S.) et al - Design considerations for an inductive HTc SC fault current limiter, - IEEE Trans on Appl SC 3-1, 570 (1993).
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(2) - VITHAYATHIL (J.J.) et al - HVDC circuit breaker development and field tests, - IEEE PAS 104-10 (1985).
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(3) - BOENIG (H.J.), PAICE (D.A.) - Fault current limiter using a SC coil, - IEEE Trans Mag, 19-3, 1051 (1983).
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(4) - BRUNET (Y.), TIXADOR (P.) - Small scale experiments on static devices using ac superconductors, - El Pow Syst Res, 12, 149 (1987).
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(5) - KOGA (T.) et al - Fundamental test of a new fault current limiter utilizing LC resonance circuit composed of a SC coil and capacitor, - Proc of ASC 96-Pittsburgh, 1996.
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(6) - RAJU (B.P.) et al - A current limiting device using superconducting dc bias applications and prospects, - IEEE T PAS 101-9, 3173 (1982).
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