FR2730103A1

FR2730103A1 - Superconductor current limiter

Info

Publication number: FR2730103A1
Application number: FR9501134A
Authority: FR
Inventors: Pascal Estop; Christian Cottevieille; Jean Pierre Tavergnier; Thierry Verhaege; Van Doan Pham; Mohamed Bekhaled; Patrick Bonnet; Yves Laumond
Original assignee: GEC Alsthom T&D SA
Current assignee: Grid Solutions SAS
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-02
Also published as: FR2730103B1

Abstract

The current limiter, designed for high- and very high-tension use, consists of a number of assemblies linked in series, each comprising a superconductor winding divided into two coils (R1, R1') connected in series and each located in a separate cryostat (CR1, CR'). Each cryostat comprises two coaxial metal tubes (2, 2A; 2', 2A') with a vacuum between them, connected to their base so that they form a communicating joint (3, 3A) and filled with liquid helium. Each cryostat also as an epoxy tube (4, 4') with an outer diameter close to that of the inner metal tube and containing one of the coils, with an empty space left between the inner wall of the epoxy tube and the foil inside it.

Description

LIMITICI DZ COURANT SUPRACONDUCTZ=R
La présente invention est relative à un limiteur de courant supraconducteur utilisable dans un réseau à très haute tension, typiquement 225 kV.LIMITICI DZ CURRENT SUPRACONDUCTZ = R
The present invention relates to a superconducting current limiter usable in a very high voltage network, typically 225 kV.

Le problème majeur rencontré dans la conception des limiteurs de courant supraconducteurs à haute tension est celui de la tenue diélectrique dans le milieu cryogénique. The major problem encountered in the design of high-voltage superconductive current limiters is that of the dielectric strength in the cryogenic medium.

A ce jour, il n'a été proposé aucune solution permettant de réaliser un limiteur supraconducteur pouvant fonctionner aux niveaux de tension indiqués plus haut. To date, no solution has been proposed which makes it possible to produce a superconductive limiter capable of operating at the voltage levels indicated above.

L'idée de base qui préside à l'invention est de fractionner le cryostat et les bobines supraconductrices et de connecter électriquement les divers éléments de manière à répartir la tension, de sorte que chaque élément de l'ensemble du limiteur est soumis à une tension réduite. The basic idea behind the invention is to split the cryostat and the superconductive coils and electrically connect the various elements so as to distribute the voltage, so that each element of the entire limiter is subjected to a voltage scaled down.

Dans le mode de réalisation proposé, il est prévu une structure permettant de réduire au minimal la quantité de fluide cryogénique utilisée pour le fonctionnement de l'appareil, ce qui réduit donc les dépenses liées au fonctionnement de l'appareil. In the proposed embodiment, a structure is provided which makes it possible to minimize the amount of cryogenic fluid used for the operation of the device, which therefore reduces the expenses related to the operation of the device.

L'invention a pour objet un limiteur de courant supraconducteur utilisable aux hautes et très hautes tensions, caractérisé en ce qu'il comprend un nombre n d'ensembles reliés en série, chaque ensemble comprenant un enroulement supraconducteur fractionné en deux bobinages reliés électriquement en série et placés chacun dans un cryostat distinct, les cryostats étant mis au potentiel du point commun aux deux bobinages. The subject of the invention is a superconductive current limiter usable at high and very high voltages, characterized in that it comprises a number n of assemblies connected in series, each assembly comprising a superconductive winding divided into two windings electrically connected in series. and each placed in a separate cryostat, the cryostats being set to the potential of the point common to the two windings.

D'autres caractéristiques et particularités de l'invention aparaîtront à la lecture de la description de plusieurs exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel:
- la figure 1 est une vue en élévation d'un limiteur supraconducteur à deux ensembles en série,
- la figure 2 est une vue partielle en élévation en coupe d'un ensemble,
- la figure 3 est un élément à connecter en série avec un limiteur de l'invention.Other characteristics and particularities of the invention will appear on reading the description of several examples of implementation of the invention, with reference to the accompanying drawing in which:
FIG. 1 is an elevation view of a superconducting limiter with two sets in series,
FIG. 2 is a partial view in elevation in section of an assembly,
- Figure 3 is an element to be connected in series with a limiter of the invention.

Dans la figure 1, on a représenté un limiteur comprenant n = 2 éléments El et E2 connectés en série et insérés dans une ligne à protéger L. In Figure 1, there is shown a limiter comprising n = 2 elements El and E2 connected in series and inserted in a line to be protected L.

Chaque élément comprend deux cryostats identiques, respectivement CR1, CR1' et CR2, CR2', enfermant chacun un bobinage R1, R1' et R2, R2' Les bobinages sont tous comparables géométriquement et électriquement. Each element comprises two identical cryostats, respectively CR1, CR1 'and CR2, CR2', each enclosing a coil R1, R1 'and R2, R2' The coils are all geometrically and electrically comparable.

Les 2n bobinages sont de préférence réalisés conformément au bobinage décrit dans la demande de brevet français nO 94 12162 et comportent donc plusieurs conducteurs asociés en parallèle, bobinés chacun sur une seule couche, cette disposition évitant la présence de champ électrique en partie basse du cryostat. Les conducteurs utilisés sont dimensionnés comme il est indiqué dans la demande de brevet français nO 94 12 163, de sorte que le produit de leur résistance à l'état non supraconducteur R par leur courant de blocage Ib soit sensiblement égal à
U/2n, U étant la tension crête de la ligne. De la sorte chacun des bobinages ne peut avoir à supporter qu'une tension inférieure ou égale à U/2n, que la transition soit totale ou localisée.The 2n windings are preferably produced in accordance with the winding described in French patent application no. 94 12162 and therefore comprise several conductors associated in parallel, each wound on a single layer, this arrangement avoiding the presence of an electric field in the lower part of the cryostat. The conductors used are dimensioned as indicated in French patent application No. 94 12 163, so that the product of their resistance in the non-superconductive state R by their blocking current Ib is substantially equal to
U / 2n, U being the peak voltage of the line. In this way each of the windings can only have to support a voltage less than or equal to U / 2n, whether the transition is total or localized.

Pour garantir la tenue diélectrique des cryostats, ceux-ci, dans chaque élément, sont portés à la tension du point commun aux deux bobinages qu'ils renferment. To guarantee the dielectric strength of the cryostats, these, in each element, are brought to the voltage of the point common to the two windings which they contain.

intermédiaire. De la sorte, la tension entre le cryostat et le bobinage correspondant est au plus égale à U/2n.intermediate. In this way, the voltage between the cryostat and the corresponding winding is at most equal to U / 2n.

Les cryostats sont placés sur des supports isolants S, par exemple en céramique, calculés pour supporter une tension égale à la moitié de la tension de la ligne. The cryostats are placed on insulating supports S, for example ceramic, calculated to withstand a voltage equal to half the line voltage.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de deux éléments tels que décrits ci-dessus; on pourrait envisager de constituer un limiteur avec trois ou davantage d'éléments. Of course, the invention is not limited to the use of two elements as described above; one could consider constituting a limiter with three or more elements.

On peut aussi concevoir un limiteur avec un seul élément, et c'est cet exemple qui est maintenant décrit en référence à la figure 2. It is also possible to design a limiter with a single element, and it is this example which is now described with reference to FIG. 2.

Dans cette figure, on n'a représenté que l'amorce du support isolant au sommet duquel sont placés les cryostats. In this figure, only the start of the insulating support has been shown at the top of which the cryostats are placed.

Les condensateurs, facultatifs, n'ont pas été représentés. Les organes communs aux figures 1 et 2 ont reçu les mêmes références. Les organes homologues des deux cryostats ont reçu des numéros qui se différencient par le signe prime ('). Dans la suite, on ne décrira qu'un seul cryostat puisque l'autre est tout à fait identique. The optional capacitors have not been shown. The bodies common to Figures 1 and 2 have been given the same references. The homologous organs of the two cryostats have been given numbers which are differentiated by the prime sign ('). In the following, only one cryostat will be described since the other is completely identical.

Chaque cryostat comprend deux portions tubulaires métalliques coaxiales 2, 2A entre lesquels règne le vide d'isolation. La base du tube extérieur 2 est conformée de manière à prendre appui sur un socle reposant sur les supports isolants S. Each cryostat comprises two coaxial metallic tubular portions 2, 2A between which the insulation vacuum prevails. The base of the outer tube 2 is shaped so as to bear on a base resting on the insulating supports S.

Les cryostats sont reliés à par des prolongements à angle droit des tubes 2-2A, 2'-2'A constituant une jonction 3-3A permettant leur communication. Dans l'exemple décrit, la communication est réalisée à la partie inférieure des cryostats, mais cette réalisation préférentielle n'est nullement obligatoire. The cryostats are connected to by right angle extensions of the tubes 2-2A, 2'-2'A constituting a junction 3-3A allowing their communication. In the example described, the communication is carried out at the lower part of the cryostats, but this preferred embodiment is in no way obligatory.

Les cryostats sont partiellement remplis d'un liquide cryogénique, tel que l'hélium liquide, jusqu'à un niveau 36. The cryostats are partially filled with a cryogenic liquid, such as liquid helium, up to a level 36.

Le bobinage R1 est disposé dans un tube en verre époxy 4 dont le diamètre extérieur est voisin du diamètre intérieur du tube 2A; le diamètre intérieur du tube 4 est supérieur d'environ 1cm au diamètre extérieur du bobinage
R1, de manière à ménager un canal de refroidissement pour la couche extérieure du bobinage Ri. The winding R1 is placed in an epoxy glass tube 4, the outside diameter of which is close to the inside diameter of the tube 2A; the inside diameter of the tube 4 is approximately 1cm greater than the outside diameter of the winding
R1, so as to provide a cooling channel for the outer layer of the winding Ri.

A titre d'exemple, l'épaisseur du verre époxy est d'environ 50mm. For example, the thickness of the epoxy glass is approximately 50mm.

La partie du tube en verre époxy 4 qui surmonte le cryostat 2-2A est munie d'ailettes isolantes 7 de préférence en élastomère. Une ferrure inférieure 8 permet la fixation, selon une technique connue, du tube 7 sur la bride supérieure 9 du cryostat 2-2A. Une ferrure supérieure 10 permet la fixation d'un couvercle métallique 11 équipé de soupapes de sécurité 12. The part of the epoxy glass tube 4 which surmounts the cryostat 2-2A is provided with insulating fins 7 preferably made of elastomer. A lower fitting 8 allows the fixing, according to a known technique, of the tube 7 on the upper flange 9 of the cryostat 2-2A. An upper fitting 10 allows the fixing of a metal cover 11 fitted with safety valves 12.

On note que le tube en verre époxy 4 s'étend jusqu'au couvercle 11. Note that the epoxy glass tube 4 extends to the cover 11.

Le courant de la ligne L est amenée par une barre 14 à une borne 15 comprenant une plaque métallique 16 surmontée d'un dôme métallique 17. De la plaque 16 part une descente de courant 19 placée à l'intérieur d'un tube 20. La descente de courant est reliée à l'extrémité supérieure du bobinage
R1. L'extrémité basse du bobinage R1 est reliée par une jonction 22, supraconductrice ou non, à l'extrémité basse du bobinage R1', de sorte que les bobinages R1 et R1' sont connectés électriquement en série. Selon une caractéristique de l'invention, les cryostats 2-2A, 2'-2A' sont portés au potentiel du point commun aux bobinages R1 et R1' par une connexion 23.The current from line L is brought by a bar 14 to a terminal 15 comprising a metal plate 16 surmounted by a metal dome 17. From the plate 16 there is a current downflow 19 placed inside a tube 20. The current drop is connected to the upper end of the winding
R1. The lower end of the winding R1 is connected by a junction 22, superconductive or not, to the lower end of the winding R1 ', so that the windings R1 and R1' are electrically connected in series. According to a characteristic of the invention, the cryostats 2-2A, 2'-2A 'are brought to the potential of the point common to the coils R1 and R1' by a connection 23.

La différence de potentiel entre la bride 9 du cryostat et le ferrure 10 n'excédant pas U/2n, le nombre et les dimensions des ailettes 7 sont choisis pour obtenir la ligne de fuite requise pour ce niveau de tension. Since the potential difference between the flange 9 of the cryostat and the fitting 10 does not exceed U / 2n, the number and the dimensions of the fins 7 are chosen to obtain the creepage distance required for this voltage level.

Le dôme 16 est relié à au moins un tuyau d'évacuation 25 des vapeurs d'hélium produites par les amenées de courant; ces vapeurs passent dans le tube 21 et pénètrent dans le dome par un trou dans la plaque 17. Les tuyaux 25 sont munis d'ailettes d'isolation; les tuyaux 25 et les tuyaux 25' de l'élément voisin sont reliés à un collecteur 30 relié à un liquéfacteur non représenté. Une canne 34, isolée thermiquement et portée au potentiel de la plaque 11, s'étendant verticalement dans le cryostat jusqu'au niveau 36 de l'hélium, et prolongée extérieurement au cryostat par un ou plusieurs éléments 37 isolés électriquement et thermiquement et décrits dans la demande de brevet français nO 93 06841, récupère les.vapeurs d'hélium au niveau du bain d'hélium et les envoie vers un réfrigérateur non représenté. The dome 16 is connected to at least one pipe 25 for evacuating the helium vapors produced by the current leads; these vapors pass through the tube 21 and enter the dome through a hole in the plate 17. The pipes 25 are provided with insulation fins; the pipes 25 and the pipes 25 'of the neighboring element are connected to a manifold 30 connected to a liquefier not shown. A rod 34, thermally insulated and brought to the potential of the plate 11, extending vertically in the cryostat to the helium level 36, and extended externally to the cryostat by one or more elements 37 electrically and thermally insulated and described in French patent application No. 93 06841, collects the helium vapors from the helium bath and sends them to a refrigerator, not shown.

Cette technique de fonctionement permet d'améliorer le bilan thermique du limiteur et ne nécessite pas l'utilisation de machines cryogéniques trop puissantes.This operating technique improves the thermal balance of the limiter and does not require the use of overly powerful cryogenic machines.

Pour mettre le gaz hors champ électrique en régime de limitation, le tube en verre époxy 4 est recouvert extérieurement d'une métallisation 32, de la ferrure inférieure 8 jusqu'au bas du bobinage R1, et intérieurement d'une métallisation 33, s'étendant du couvercle 11 jusqu'au voisinage du haut du bobinage R1. To put the gas out of the electric field in limiting mode, the epoxy glass tube 4 is covered externally with a metallization 32, from the lower fitting 8 to the bottom of the coil R1, and internally with a metallization 33, s' extending from the cover 11 to the vicinity of the top of the winding R1.

La plaque 11 est surmontée d'une demi-sphère métallique 40 contenant le dôme 16 et la plaque 17. Cette forme est tout à fait bien adaptée à l'uniformisation du champ électrique. La demi-sphère 40 est percée de trous 41 permettant l'évacuation des vapeurs d'hélium produites en régime de limitation, et qui provoquent l'ouverture des soupapes 12. The plate 11 is surmounted by a metallic half-sphere 40 containing the dome 16 and the plate 17. This shape is quite well suited to the uniformization of the electric field. The hemisphere 40 is pierced with holes 41 allowing the evacuation of the helium vapors produced under limiting conditions, and which cause the valves 12 to open.

On note qu'à l'intérieur du tube époxy 4 sont disposés, de place en place, des écrans thermiques horizontaux 44 munis de parties 45 escamotables en régime de limitation. Note that inside the epoxy tube 4 are arranged, from place to place, horizontal heat shields 44 provided with retractable parts 45 in limitation mode.

Une canne 50, décrite dans la demande de brevet français nO 93 06841, au potentiel des cryostats, assure l'alimentation en hélium liquide de ces derniers. A rod 50, described in French patent application No. 93 06841, at the potential of the cryostats, supplies the latter with liquid helium.

L'ensemble qui vient d'être décrit en référence à la figure 2 permet de réaliser des limiteurs dans laquelle la tension maximale sur chaque bobinage est égale au quotient de la tension Un de la ligne par un nombre pair (2, 4, etc..). Dans certains cas d'application, il peut être intéressant de réaliser un limiteur dans lequel la tension maximale sur chaque bobinage est égale au quotient de la tension Un de la ligne par un nombre impair (3, 5, etc...). The assembly which has just been described with reference to FIG. 2 makes it possible to produce limiters in which the maximum voltage on each winding is equal to the quotient of the voltage Un of the line by an even number (2, 4, etc. .). In certain application cases, it may be advantageous to produce a limiter in which the maximum voltage on each winding is equal to the quotient of the voltage Un of the line by an odd number (3, 5, etc.).

Pour réaliser un tele limiteur, on connectera en série un limiteur constitué par le nombre approprié d'ensembles du type décrit dans la Fig. 2 avec un élément de limiteur tel que décrit maintenant en préférence à la Fig.3. To make a tele limiter, a limiter consisting of the appropriate number of sets of the type described in FIG. 2 with a limiter element as described now preferably in FIG. 3.

Ce dernier comprend un cryostat 2-2A avec un bobinage R1 identiques à ceux décrits en référence à la Fig. 2, à la partie gauche de celle-ci. La partie droite de la Fig. 2 est remplacée par une traversée décrite maintenant. The latter includes a 2-2A cryostat with an R1 winding identical to those described with reference to FIG. 2, on the left side of it. The right part of Fig. 2 is replaced by a crossing described now.

La traversée comprend un cryostat avec deux parties coaxiales 60, 60A entre lesquelles règne le vide d'isolation. Ces parties sont reliées en partie basse au cryostat 2-2A par la jonction 3-3A. Le cryostat est fermé à sa partie supérieure par un couvercle 61. On note que le diamètre du cryostat 60-60A, qui ne contient pas de bobinage, est inférieur à celui du cryostat 2-2A. A l'intérieur du cryostat est disposé simplement, dans l'axe, une amenée de courant 62 constituée d'une pluralité de conducteurs supraconducteurs ou non, reliés à la jonction 22; l'amenée de courant se prolonge au-dessus du niveau 36 de l'hélium, par une portion en cuivre reliée extérieurement au cryostat à une prise 63. Un tube 65 s'étendant depuis le voisinage du niveau d'hélium jusqu'à l'extérieur du cryostat permet de recueillir les vapeurs d'hélium produites par l'amenée de courant. Ce tube est relié par un conduit isolé 67 au collecteur 30. Un autre conduit 68, relié au conduit 67, permet de recueillir les vapeurs d'hélium du cryostat. The bushing includes a cryostat with two coaxial parts 60, 60A between which the insulation vacuum prevails. These parts are connected at the bottom to the 2-2A cryostat by the 3-3A junction. The cryostat is closed at its upper part by a cover 61. It is noted that the diameter of the cryostat 60-60A, which does not contain a coil, is less than that of the cryostat 2-2A. Inside the cryostat is simply arranged, in the axis, a current supply 62 consisting of a plurality of superconductive conductors or not, connected to the junction 22; the current supply extends above the helium level 36, by a copper portion externally connected to the cryostat at a socket 63. A tube 65 extending from the vicinity of the helium level to 1 he outside of the cryostat collects the helium vapors produced by the current supply. This tube is connected by an insulated conduit 67 to the collector 30. Another conduit 68, connected to the conduit 67, makes it possible to collect the helium vapors from the cryostat.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on s'écarte de l'invention. En particulier on pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. Of course, the invention is not limited to the embodiment described and shown, but it is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art without departing from the invention. In particular, without departing from the scope of the invention, any means can be replaced by equivalent means.

Claims

1 / Superconducting current limiter usable at high and very high voltages, characterized in that it comprises a number n of sets connected in series, each set comprising a superconductive winding split into two windings (R1, R1 ') connected in series and each placed in a separate cryostat (CR1, CR1 '), the cryostats being set to the potential of the point common to the two windings.

2 / Limiter according to claim 1, characterized in that each of the cryostats comprises two coaxial metal tubes (2-2A, 2'-2A ') between which the vacuum prevails, the tubes being connected in pairs at their base so as to constitute a communicating junction (3-3A) between the cryostats, the cryostats being filled with liquid helium.

3 / Limiter according to one of claims 1 and 2, characterized in that each cryostat comprises an epoxy tube (4, 4 ') whose outer diameter is close to the inner metal tube (2A, 2A') of the cryostat and containing l 'one of the windings (R1, R1').

4 / Limiter according to claim 3, characterized in that a space is left free between the inner wall of the epoxy tube (4, 4 ') and the coil (R1, R1') which is contained therein.

5 / Limiter according to one of claims 3 and 4, characterized in that the coils (R1, R1 ') are put in series by a link (22) disposed in the communicating junction (3-3A).

6 / Limiter according to one of claims 2 to 5, characterized in that the cryostats (2-2A, 2'-2A ') are brought to the potential of the point common to the windings (R1, R1') by an electrical connection ( 23) arranged in the junction (3-3A).

7 / Limiter according to one of claims 2 to 6, characterized in that the epoxy tube (4, 4 ') extends above the upper flange (9, 9') of the cryostat over a distance sufficient to ensure the dielectric strength .

8 / Limiter according to claim 7, characterized in that the portion of epoxy tube (4, 4 ') surmounting the flange (9, 9') of the cryostat is provided with fins (7, 7 ').

9 / Limiter according to one of claims 3 to 8, characterized in that the epoxy tube (4, 4 ') is coated with an external metallization (32, 32') extending from the bottom of the cryostat to the upper flange (9, 9 ') of the cryostat, and an interior metallization (33, 33') extending from the top of the epoxy tube (4, 4 ') to the vicinity of the level of liquid helium (36, 36' ).

10 / Limiter according to one of claims 3 to 9, characterized in that the epoxy tube (4, 4 ') contains heat shields (44, 44') arranged horizontally from place to place and provided with parts (45, 45 ') retractable in limitation mode.

11 / Limiter according to one of claims 3 to 10, characterized in that the epoxy tube (4, 4 ') is closed at its upper part by a cover (11, 11') provided with valves (12, 12 ') .

12 / Limiter according to one of claims 3 to 11, characterized in that the current is brought to the winding (R1, R1 ') by a current descent (19, 19') disposed in a supply tube (21, 21 ') coaxial with the epoxy tube (4, 4').

13 / Limiter according to claim 12, characterized in that the current drop (19, 19 ') is connected to the line (L) by a conductor (14, 14') and a terminal (15, 15 ') comprising a plate (17, 17 ') placed at the top of the supply tube (21, 21') and surrounded by a metal dome (16, 16 ').

14 / Limiter according to claim 13, characterized in that the interior of the dome is connected, by a pipe (25, 25 ') to a collector (30) connected to a liquefier.

15 / Limiter according to one of claims 2 to 14, characterized in that it comprises at least one cane (34, 34 ') for recovering helium vapors, one end of which is placed above the level of the liquid helium, the other end of which is connected by a pipe (37, 37 ') to a refrigerator.

16 / Limiter according to one of claims 5 to 15, characterized in that it comprises a helium supply rod (50).

17 / Limiter according to one of claims 11 to 16, characterized in that the cover (11, 11 ') is surmounted by a metallic half-sphere (40, 40') pierced with holes (41, 41 ').

18 / Limiter according to one of claims 1 to 17, characterized in that it further comprises, connected in series, an element comprising a first cryostat (2-2A) in which is placed a coil (R1) including a first one end is connected to a current drop 19, the other end of the winding being connected to a current supply.

19 / Limiter according to claim 18, characterized in that the current supply comprises a conductor (62) placed inside a second cryostat (60-60A) of diameter smaller than that of the first cryostat (2-2A ), said second cryostat being connected cryogenically to the first cryostat by a junction (3-3A).