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Développement d'outils pour l'étude de la distribution du courant critique dans des rubans supraconducteurs de type ReBCO

Olivier Lavergne

Master's thesis (2021)

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Abstract

Resistive superconducting current limiters (rSFCLs) are promising devices for Second Gen-eration (2G) High Temperature Superconductors (HTS) Coated Conductors (CCs). The intrinsic behavior of superconductors is favorable for this kind of application since it is pos-sible to use the transition from the superconducting state to a highly electrically resistive state, commonly called the quench. The current limiter would therefore be ideal in normal operation since it would not add impedance to the network. In addition, the current limiter does not require an external control to operate, it is passive. The basic CC architecture en-sures that current transfers to the stabilizing layers that surround the superconductor when there is a short circuit on the network. The rFSCL is extremely non-linear and there is a strong coupling between the thermal and electrical parts of the device. A slight modification in the architecture of the tape can greatly modify the reaction of the current limiter during a short-circuit because it is necessary to consider the thermal mass, the electrical conductivity during the quenching as well as the thermal conductivity, all that in a system evolving over time. It is necessary to have tools allowing to simulate and test the selected architecture before implementing it in large-scale electricals networks. In addition, other variables complicating the problem are added when the tapes are manufactured. Despite the e˙orts from the producers, there are still local irreg-ularities in the current that can circulate in the rSFCL. Depending on the magnitude of the fault, this makes the appearance of hot spots possible, regions that will quench before the rest of the tape. Finally, it is also necessary to deal with the interface between the layers, which can either be a native oxide or a deposited material. The presence of a resistive interface has been shown to be favorable for accelerating the propagation of heat in rSFCLs, which is used to minimize the e˙ect of hot spots on the device. RFSCLs must be able to operate under various power grid conditions. It can be a current surge as well as a complete short circuit. The magnitude as well as the duration of time of the incident can vary the reaction of the current limiter. The types of quench fall into two categories. First there is the inhomogeneous quench which appears when the current surge is not suÿcient to a˙ect the complete tape where there are various hot spots. The other category is uniform quenching which occurs when the current is high enough to a˙ect the entire tape all at once.

Résumé

Les limiteurs de courants supraconducteurs de type résistif (rSFCLs) sont des dispositifs prometteurs pour les Second Generation (2G) High Temperature Superconductors (HTS) Coated Conductors (CCs). Le comportement intrinsèque des supraconducteurs est favorable pour ce genre d'application puisqu'il est possible d'utiliser la transition de l'état supraconducteur vers un état hautement résistif électriquement, communément appelé le quench. Le limiteur de courant serait donc idéal en opération normale puisqu'il n'ajouterait pas d'impédance au réseau. De plus, le limiteur de courant ne nécessite pas de contrôle externe pour fonctionner, celui-ci étant passif. L'architecture de base du CC assure que le courant transfère vers les couches stabilisatrices qui enrobent le supraconducteur lorsqu'il y a un court-circuit sur le réseau. Le rSFCL est extrêmement non-linéaire et il y a un fort couplage entre les parties thermique et électrique du dispositif. Une modification légère au niveau de l'architecture du ruban peut grandement modifier la réaction du limiteur de courant lors d'un court-circuit parce qu'il faut considérer la masse thermique, la conductivité électrique lors du quench ainsi que la conductivité thermique, tout cela dans un système évoluant dans le temps. Il est nécessaire d'avoir des outils permettant de simuler et tester l'architecture sélectionnée avant de l'implémenter dans des réseaux électriques à grande échelle. De plus, d'autres variables complexifiant le problème s'ajoutent lors de la fabrication des rubans. Malgré les efforts des producteurs, il reste des irrégularités locales au niveau du courant critique pouvant circuler dans le rSFCL. Selon l'amplitude du courant de défaut sur le réseau électrique, cela rend possible l'apparition de points chauds. Finalement, il faut aussi traiter l'interface entre les couches, qui peut autant être un oxyde natif ou un matériau déposé. La présence d'une interface résistive a été démontrée favorable pour accélérer la propagation de la chaleur dans les rSFCLs, ce qui permet de minimiser l'impact des points chauds sur le dispositif. Les rFSCLs doivent être en mesure de fonctionner sous diverses conditions du réseau électrique. Il peut s'agir d'un sursaut de courant aussi bien qu'un court-circuit complet. L'amplitude ainsi que la durée de l'incident peuvent faire varier la réaction du limiteur de courant. Les types de quenchs se divisent en deux catégories. Il y a d'abord le quench non-homogène, qui apparaît lorsque le sursaut de courant n'est pas suffisant pour affecter le ruban complet. Il y a alors création de divers points chauds.

Department: Department of Electrical Engineering
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Frédéric Sirois and Yves-Alain Peter
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9963/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Apr 2022 11:39
Last Modified: 23 May 2023 15:06
Cite in APA 7: Lavergne, O. (2021). Développement d'outils pour l'étude de la distribution du courant critique dans des rubans supraconducteurs de type ReBCO [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9963/

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