Numerical Electromagnetic Modeling of HTS Power Transmission Cables

Cette thèse de doctorat est divisée en deux parties. L'objectif de la première partie était de développer un modèle numérique rapide et précis pour résoudre le problème électromagnétique de conducteurs en ruban bobinés de façon hélicoïdale. Cette méthode peut être utilisée pour trouver la distribution de courant et les pertes AC dans des applications utilisant des matériaux supraconducteurs à haute température critique (HTS) destinés aux réseaux électriques. Dans la seconde partie du projet, le modèle développé est utilisé pour réaliser des analyses paramétriques du comportement des pertes AC pour un agencement de rubans de HTS disposés sur une même couche, pour différents paramètres de conception. Le principal objectif de ces études était de minimiser les pertes AC en trouvant les paramètres optimaux pour divers agencements de rubans. Dans la production récente de câbles de puissance HTS, les "coated tapes" sont les conducteurs privilégiés. L'épaisseur de la couche supra est d'environ 1 à 2 μm. Selon l'application, sa largeur varie de 4 à 12 mm. Dans la conception de câbles, ces rubans sont bobinés de façon hélicoïdale en simple couche ou couches multiples, sur une forme (support) cylindrique central. La géométrie complexe des rubans ainsi que la non-linéarité de la résistivité de la couche supraconductrice rendent difficiles la résolution de ce problème électromagnétique. Dans la première partie de cette thèse, nous avons introduit une méthode numérique pour calculer la distribution du courant et du champ dans des conducteurs minces bobinés hélicoïdalement, lorsqu'un ou plusieurs de ces conducteurs sont assemblés de façon symétrique. D'après les considérations symétriques associées à la géométrie du problème, et en négligeant l'épaisseur des rubans, le vrai problème 3-D peut être réduit en un problème 1-D dont le domaine se situe sur l'axe central situé à la mi-épaisseur des rubans (suivant la largeur) constituant le câble. La version basse fréquence de l'équation des courant de Foucault est discrétisée dans le domaine réduit d'étude. Pour établir une relation directe entre la densité de courant et le vecteur potentiel dans la formulation du problème, la solution de l'intégrale de Biot-Savart est utilisée pour trouver le vecteur potentiel magnétique dans les couches de courant.