Bibliographie & annexes
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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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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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- Version courante de août 2013 par Pascal TIXADOR
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Objectifs à atteindre et problèmes à résoudre4. Transition de l’état supraconducteur à l’état normal
Les matériaux supraconducteurs présentent une transition de résistivité entre l’état normal et l’état supraconducteur. Cette transition peut être induite par dépassement d’une des grandeurs critiques : la température critique Tc, le champ critique Hc ou la densité de courant critique Jc. Une fois cette transition amorcée, elle peut se propager, soit naturellement grâce à l’effet Joule induit localement dans le supraconducteur, soit en assistant cette propagation.
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T >Tc
La transition par dépassement de la température critique semble la plus naturelle. Elle est utilisée pour réaliser des interrupteurs supraconducteurs mais est pourtant mal adaptée au limiteur de courant, compte tenu des constantes de temps thermiques et des problèmes d’isolation que poserait l’insertion d’un élément de chauffage. L’apport d’énergie par rayonnement électromagnétique (rayon X) est difficilement envisageable.
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H >Hc
L’application d’une impulsion de champ magnétique supérieur à Hc permet de faire transiter le supraconducteur. Dans le cas des supraconducteurs industriels à basses températures critiques (BTc), les champs critiques, de l’ordre de quelques teslas, demanderaient des commandes de taille très importante. Par contre, cette technique est envisagée [11] pour forcer la transition de barreaux massifs de HTc [composé BSCCO 2223 : (BiPb)2Sr2Ca2Cu3O10), dont la caractéristique Jc(B) est très sensible à l’induction magnétique B.
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J >Jc
La transition par dépassement du courant critique est à la base même du principe du limiteur de courant supraconducteur. Elle permet de s’affranchir de tout système de détection ou de commande, le courant en ligne jouant le rôle de déclencheur de la limitation. En modifiant la section des conducteurs, on peut calibrer simplement le courant seuil.
En fait, la condition J >Jc ne conduit pas directement le supraconducteur à l’état normal (cf. alinéa suivant), mais dans un état dissipatif intermédiaire. Il peut y avoir emballement thermique (cas des BTc), conduisant, après un certain délai, à la situation T>Tc.
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Transition de l’état supraconducteur à l’état normal
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).
-
(2) - VITHAYATHIL (J.J.) et al - HVDC circuit breaker development and field tests, - IEEE PAS 104-10 (1985).
-
(3) - BOENIG (H.J.), PAICE (D.A.) - Fault current limiter using a SC coil, - IEEE Trans Mag, 19-3, 1051 (1983).
-
(4) - BRUNET (Y.), TIXADOR (P.) - Small scale experiments on static devices using ac superconductors, - El Pow Syst Res, 12, 149 (1987).
-
(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.
-
(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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