Transformateur limiteur de courant supraconducteur à haute température critique : design, construction et test

Classical transformers generate losses by Joule eect ( 80% at full load) and by various other mechanisms in their ferromagnetic core ( 20% at full load). Despite the overall high eciency reached by modern power transformers (typically 98% to 99%), the latter can still be improved by using high temperature superconductors (HTS). Indeed, when used in coils, superconductors allow reducing the Joule losses thanks the extremely low resistance they offer to the electric current. If the generation is based on fossil fuels, even a slight improvement of the eciency can have a signicant on reducing CO2 emissions when considering the whole life cycle of the transformer. The properties of HTS materials can also add a new functionality to transformers in comparison with classical transformers, namely fault current limitation. Indeed, because the superconductor suddenly becomes very resistive when the transport current goes beyond the critical current of the wire, it provides an intrinsic, passive and failsafe fault current limitation mechanism. This behavior is likely to be highly desirable for the reliability of future electrical networks, as fault current levels steadily increase and lead to important investments in upgrades of protection systems or in network reconguration. The main objectives of this project were to: i) familiarize ourselves with the design challenges associated with the use of HTS wires in power transformers, and ii) verify the fault current limiting properties that allow such a transformer. Through the complete design and realization of a real 10 kVA prototype, we explored the operating conditions of the HTS transformer and the constraints of using HTS wires in a real application. We also compared our HTS transformer (actually, it is just partially superconducting since only 25% of the secondary winding is superconducting) with a full copper version, in order to see how both designs behave under fault current conditions. The design of the prototype took into account many constraints related to the use of superconducting materials. In fact, such materials are sensitive to mechanical constraints during construction and overcurrent conditions.

Résumé

Malgré un rendement eleve pouvant atteindre 98% ou 99%, les transformateurs modernes avec des enroulements en cuivre ou aluminium génèrent des pertes d'origines électrique (eet Joule, 80% a pleine charge) mais aussi magnétique ( 20%). L'utilisation de supraconducteurs pour les bobines permettrait, grâce aux propriétés intrinsèques du matériau, de reduire fortement les pertes du fait de l'absence de résistance au passage du courant électrique. L'impact environnemental est donc réduit avec l'amélioration du rendement. Cela signifie globalement moins d'emissions de CO2 si la production est basée sur des énergies fossiles. Les propriétés des matériaux supraconducteurs permettent également d'ajouter une nouvelle fonction aux transformateurs supraconducteurs par rapport a leurs homologues classique. En cet, les matériaux supraconducteur deviennent tres resistif lorsque le courant est supérieur au courant critique, cela permet d'obtenir une limitation naturelle et automatique du courant de court-circuit. La capacite de limitation de courant en cas de court-limitation est un sérieux avantage pour les transformateurs supraconducteurs, permettant ainsi diverses économies au niveau de la protection, de même qu'un maillage accru des réseaux, ce qui permet en général d'en améliorer la abilite. L'objectif principal de ce mémoire est i) d'évaluer de facon préliminaire les dicultes de l'intégration des matériaux supraconducteurs dans un transformateur limiteur de courant de court-circuit, ii) de verier les capacités de limitation qu'ore un tel transformateur. Afin de veriter ces possibilites, il a d'abord ete necessaire de concevoir et construire un prototype de transformateur (10kVA). Ce prototype a permis d'observer les contraintes liees a l'emploi de materiau supraconducteur dans une application concrête. Le comportement lorsqu'un court-circuit apparait au secondaire du transformateur a ete observe. On y compare le transformateur supraconducteur, dont l'enroulement secondaire est hybride ( 20% de ruban supraconducteur et 80% de cuivre), avec son equivalent comportant uniquement du cuivre.