Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
La transition naturelle, et quasi instantanée d'un supraconducteur d'un état sans résistance à un état dissipatif par dépassement d'un certain courant, donne au supraconducteur la fonction unique et intrinsèque de limiter les courants de défaut. Les différents limiteurs supraconducteurs sont passés en revue, y compris ceux qui utilisent seulement l'absence des pertes Joule d'un supraconducteur. Est présenté le dimensionnement de base d'un limiteur supraconducteur résistif. Après avoir exposé plusieurs emplacements des limiteurs supraconducteurs dans les réseaux électriques, quelques projets récents ou en cours sont décrits.
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Pascal TIXADOR : Professeur à Grenoble INP - Laboratoire de Génie électrique de Grenoble (G2Elab) et Institut Néel, Grenoble
INTRODUCTION
Le limiteur de courant de défaut est le « Graal » pour les concepteurs de réseaux électriques. Cet appareil permet de concevoir un réseau idéal, c'est-à-dire avec une puissance de court-circuit infinie théoriquement, mais avec des courants de défauts maitrisés grâce justement au limiteur. Or, l'augmentation de la puissance de court-circuit des réseaux est une demande actuelle forte pour notamment améliorer la qualité de tension et augmenter la part maximale des énergies distribuées, renouvelables entre autres. Il n'existe pas aujourd'hui de solution industrielle satisfaisante comme limiteur de courant de défaut en haute tension en particulier.
Un supraconducteur possède une fonction limitation de courant intrinsèque via sa caractéristique fortement non linéaire de son champ électrique en fonction du courant. Nul ou extrêmement faible en dessous d'un certain courant ajustable, son courant critique, le champ électrique augmente très fortement au-delà de I c . Sans pratiquement de résistance en-dessous de I c , donc transparent pour le réseau, un élément supraconducteur devient automatiquement et naturellement, sans aucune action extérieure et pratiquement immédiatement, une résistance élevée au-dessus de I c qui limite le courant en moins d'une milliseconde. Le limiteur supraconducteur garantit l'absence de courant au-delà d'une certaine valeur
, réduisant le surdimensionnement coûteux de nombreux appareils, calculés sinon pour supporter les courants de court-circuit, nettement supérieurs à
. Il est intrinsèquement sûr. Sa résistance disparaît à nouveau après un certain temps dès qu'il est isolé du défaut. Un limiteur supraconducteur de courant de défaut apporte donc une solution technique particulièrement séduisante. Les conducteurs supraconducteurs à haute température critique de 2e génération, en cours de développement industriel, renforcent l'attractivité des limiteurs supraconducteurs.
Plusieurs limiteurs supraconducteurs de courant de défaut ont été mis en service avec succès dans le réseau européen notamment. Il reste à démontrer la viabilité économique du limiteur supraconducteur et à augmenter le retour d'expérience sur cet appareil, véritable rupture technologique.
L'expertise technique et scientifique de référence
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1997 par Yves BRUNET, Pascal TIXADOR
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Contraintes des réseaux
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1. Intérêt de la limitation du courant
Une erreur de manipulation, une pièce qui tombe sur des barres nues, une tempête qui fait se toucher des lignes électriques, la foudre qui tombe sur un pylône : voici quelques exemples d'événements qui conduisent à un défaut de type court-circuit dans un réseau électrique. Des courants très élevés peuvent alors apparaître, jusqu'à 20 à 30 fois le courant assigné, la valeur maximale en régime permanent. Les efforts électrodynamiques, proportionnels au carré du courant, deviennent extrêmement importants et peuvent endommager voire détruire le matériel (figure 1), même si celui-ci est théoriquement dimensionné pour résister à de tels efforts extrêmes (400 à 900 fois plus élevés qu'en régime normal). Les pertes Joule, considérables également, peuvent conduire à des élévations dangereuses de température si le défaut dure. En général, notamment dans les réseaux haute tension, le courant de défaut n'est pas limité, mais seulement interrompu par un disjoncteur qui coupe le courant alternatif lors d'un passage par zéro. Outre la durée nécessaire pour détecter le défaut et donner l'ordre au disjoncteur, la coupure du courant prend du temps si bien que la durée entre le défaut et l'isolation du circuit est au minimum de 50 ms environ, souvent plus long. Les disjoncteurs sont par ailleurs limités en capacité de coupure à environ 80 kA.
L'absence de passage par zéro des courants continus rend leur coupure particulièrement difficile et la coupure est réalisée coté alternatif quand cela est possible.
La valeur du courant de défaut dépend entre autres du type de court-circuit (monophasé, triphasé), de la localisation sur le réseau et de la configuration du réseau (impédance homopolaire par exemple) ainsi que de ses composants.
Les défauts triphasés sont rares (les défauts monophasés sont de très loin majoritaires) mais sont à l'origine des valeurs maximales. La figure 2 donne une représentation extrêmement simplifiée d'un réseau en régime équilibré ramenée aux points du court-circuit franc. Il s'agit simplement d'une source de tension E (phase-neutre) en série avec une impédance Z cc , appelée impédance de court-circuit (théorème de Thévenin). Z cc...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - NOE (M.), STEURER (M.) - High-temperature superconductor fault current limiters : concepts, applications, and development status. - Superconductor Science and Technology, vol. 20, p. R15-R29 (2007).
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(2) - SCHMITT (H.), AMON FILHO (J.), ADAPA (R.), BRAUN (D.), BRISSETTE (Y.), BUCHS (G.), CVORIC (D.), DARMANN (F.), EDWARDS (K.), FERNANDEZ (P.), FOLTS (D.), HARTUNG (K.H.), HYUN (O.), JÄGER (J.), IIOKA (D.), KAMEDA (H.), KIM (Y.), KLEIMAIER (M.), LAMBERT (F.), MARTINI (L.), NOE (M.), PARK (K.), RASOLONJANAHARY (J.-L.), STEURER (M.), VAN DER BURGT (J.) - Application and feasibility of fault current limiters in power systems. - CIGRE, Technical Brochure, p. 497 (2012).
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(3) - HOBL (A.), GOLDACKER (W.), DUTOIT (B.), MARTINI (L.), PETERMANN (A.), TIXADOR (P.) - Design and production of the ECCOFLOW resistive fault current limiter. - IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 23, p. 5601804 (2013).
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(4) - DOMMERQUE (R.), KRÄMER (S.), HOBL (A.), BÖHM (R.), BLUDAU (M.), BOCK (J.), KLAUS (D.), PIEREDER (H.), WILSON (A.), KRÜGER (T.), PFEIFFER (G.), PFEIFFER (K.), ELSCHNER (S.) - First commercial medium voltage superconducting fault-current limiters: production, test and installation. - Superconductor Science and Technology, vol. 23, 034020, 6 p. (2010).
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