Etude expérimentale et numérique des rubans 2G HTS dans le but de développer des conducteurs de R-SFCL à hautes performances

Les niveaux de courants de défaut vont certainement dépasser les calibres des organes de protection du réseau électrique dans un futur proche. Une mise à jour très couteuse de ces composants sera alors nécessaire pour assurer la protection du réseau. Une alternative est le limiteur supraconducteur de courants de défaut de type résistif (R-SFCL). Presque électriquement invisible en fonctionnement normal, il devient intrinsèquement dissipatif lors d’un défaut. De plus, l’utilisation de la seconde génération de supraconducteurs à haute température critique (2G HTS) est bien adaptée à cette technologie du fait de son courant critique et de sa résistance linéique élevés ainsi que de la possibilité de fonctionner dans l’azote liquide où les coûts de cryogénie sont faibles.Cependant, le coût des 2G HTS est identifié comme étant le frein majeur pour faire passer le R-SFCL à l’état de produit commercial. Le projet européen Fastgrid répond à cette problématique à travers le développement de conducteurs avec de hautes performances. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans ce cadre et a pour objectifs, d’une part, de contribuer à la connaissance du fonctionnement des conducteurs à base de 2G HTS durant leur transition inhomogène et d’autre part, de contribuer au développement de conducteurs avec de hautes performances pour diminuer la quantité requise dans un R-SFCL. Ce travail entreprend une démarche couplant fortement modélisation et expériences.L’utilisation d’un modèle 1D non-linéaire de conducteurs 2G HTS dans le cadre du R-SFCL permet de formaliser le fonctionnement de ces conducteurs en régime de limitation et en régime de points chauds. Cette formalisation s’avère être un outil puissant pour concevoir un conducteur de R-SFCL.Une première direction de recherche est dédiée à une meilleure connaissance du conducteur fonctionnant en régime de points chauds. Un dispositif expérimental adapté, couplant l’utilisation d’une caméra ultra-rapide pour visualiser l’ébullition sur la surface d’un échantillon de conducteur avec des mesures électriques, a permis de mettre en évidence l’existence du régime de points chauds. Cependant, la dissipation à la surface d’un 2G HTS s’avère être inhomogène dans les premiers instants d’une transition pour tous courants prospectifs. Les images enregistrées montrent que la propagation thermique se déroule dans un premier temps dans sa largeur puis dans un second temps, dans sa longueur. Une collaboration avec un groupe effectuant des mesures magnétiques locales a permis de corréler les positions où l’ébullition a lieu en premier avec l’existence de défauts dans la structure du conducteur. Grâce à l’usage d’un modèle 3D éléments finis du conducteur, développé par des partenaires de l’Ecole Polytechnique de Montréal, le mécanisme de transition est recréé pour avoir accès à la distribution de courant durant un tel évènement.Le second axe de recherche se concentre sur le développement de conducteurs avancés. Durant ce doctorat, une importante contribution a été d’accompagner l’industrialisation du procédé de fabrication du « conducteur Fastgrid ». Cela se traduit par la caractérisation de nombreux échantillons. Un résultat important issu de ces caractérisations est la validation de la conception de ce conducteur sur un échantillon court permettant de diminuer considérablement le coût total du conducteur dans un R-SFCL. D’autres architectures innovantes de issues de ce projet sont aussi étudiées. Ces caractérisations sont réalisées sur des échantillons de quelques dizaines de centimètres. Une discussion est alors ouverture à propos de leur représentativité lorsqu’il s’agit de valider la conception d’un conducteur qui fera plusieurs dizaines de mettre dans un R-SFCL. Une approche probabiliste, utilisant le modèle 1D déjà mentionné, montre que plus le conducteur est long, plus le régime de points chauds est sévère. Une méthode est alors proposée pour concevoir un conducteur en fonction de la longueur requise.

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