Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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The natural and almost instantaneous transition of a superconductor from a non-resistive state to a dissipative state when exceeding a given current provides the superconductor with its unique and intrinsic function of limiting fault currents. The various superconducting limiters are reviewed, including those that only use the absence Joule losses in a superconductor. The basic design of a superconducting resistive fault current limiter is presented. After having described several locations for superconducting limiters in electrical grids, this article presents certain recent and ongoing projects.
Auteur(s)
-
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 Ic . Sans pratiquement de résistance en-dessous de Ic , 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 Ic 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.
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KEYWORDS
cryogenic | superconductivity | current limitation
VERSIONS
- Version archivée 1 de nov. 1997 par Yves BRUNET, Pascal TIXADOR
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6. Supraconducteurs possibles pour la limitation
Le NbTi a montré d'excellentes performances de limitation, notamment à travers les projets Alsthom, mais la cryogénie 4 K constitue un verrou pour tout déploiement industriel. Par ailleurs, les temps de récupération des enroulements NbTi restent très longs.
Le MgB2 présente une température critique (39 K) inférieure à celles des supraconducteurs à haute température critique (BSCCO et YBCO) mais des coûts bien inférieurs. Ce matériau reste très handicapé par une cryogénie plus coûteuse et moins industrielle que celle de l'azote liquide. Par ailleurs, les pertes AC sont plus élevées que pour l'YBCO tandis que le coût lié à la température de fonctionnement est bien plus élevé. Entre 77 K et 30 K, le coût cryogénique augmente d'un facteur 3 (facteur 5 pour 20 K, d'après les lois de Carnot). Les fluides de refroidissement (hydrogène, néon) pour une récupération rapide présentent des inconvénients. Le néon reste coûteux.
Les conducteurs BSCCO, conducteurs de première génération (1G), ne sont pas particulièrement bien adaptés à la limitation du courant du fait de leur matrice en argent qui conduit à des longueurs très importantes (résistance faible). Par contre, les conducteurs BSCCO sous forme massive conviennent bien ; ils sont utilisés dans les limiteurs préindustriels de NEXANS. Les barreaux BSCCO, recouverts d'un shunt resistif, sont usinés pour augmenter la longueur. La figure 15 montre un assemblage de barreaux BSCCO qui sont connectés en série pour atteindre la tension assignée.
La limitation avec des éléments BSCCO massifs n'est pas ultra rapide, le premier pic de courant est élevé (10 fois et 20 fois le courant assigné respectivement à 65 K et 77 K), mais cela peut être un avantage lorsque les contraintes de tenue en surcourants transitoires sont très sévères.
Les conducteurs YBCO déposés, conducteur de deuxième génération (2G), montrent des performances particulièrement attractives pour la limitation du courant. Ce sont des matériaux « sur étagère » qui peuvent être utilisés pour d'autres applications (câbles, transformateurs, machines électriques...), contrairement aux matériaux massifs BSCCO qui sont élaborés principalement pour cette seule application et les amenées de courant pour les bobines à basse température...
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Supraconducteurs possibles pour la limitation
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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