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

Experimental and numerical study of 2G HTS tapes to develop high-performance R-SFCL conductors

• Auteur / Autrice : Alexandre Zampa
• Direction : Pascal Tixador, Arnaud Badel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/10/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe de recherche Matériaux, machines et dispositifs électromagnétiques avancés (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Bourgault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Obradors, Philippe Vanderbemden
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marco Breschi, Jean Lévêque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs

Réseaux électriques (énergie) -- Protection

Mots clés libres

2g hts

R-Sfcl

Quench

2g hts

Points chauds

Protection du réseau

2g hts

R-Sfcl

Transition

2g hts

Hot-Spot

Grid protection

Résumé

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.

The fault levels might exceed the capacities of the components of the network ensuring the protection in a near future. Costly updates of the power grids are required to meet this increase of the fault current levels. One response to this issue is the resistive-type Superconducting Fault Current Limiter (R-SFCL). Almost electrically invisible in normal operation, it becomes intrinsically dissipative in the event of a fault. The use of the second generation of high-temperature superconductors (2G HTS) is particularly well adapted to this technology with its high critical current, high linear resistance and low cryogenics costs due to the possibility to operate in liquid nitrogen.However, the high cost of 2G HTS tape is identified as the largest bottleneck for the R-SFCL to move from prototypes to commercial products. The European project FASTGRID addresses this issue through the development of cost-effective conductors. This PhD thesis falls within this framework and it aims, on one hand, to add elements to the capital of knowledge about the operation of 2G HTS conductors during inhomogeneous quenches and, on the other hand, to contribute to the development of high-performances conductors to decrease the quantity required in a R-SFCL to meet the specifications of the utilities. This work is undertaken coupling modeling and experimental tests.The use a 1D non-linear and lightweight modeling of 2G HTS conductor in the framework of a R-SFCL enables to formalize the operation of the conductor in limitation regime and in hot-spot regime. This formalization is a powerful tool to design R-SFCL conductors.A first axis of research is devoted to a better understanding of the conductor operation in hot-spot regime. The development of a dedicated set-up coupling high-speed imaging to record bubble generation and electrical measurements enables to experimentally highlight the existence of the hot-spot regime. Nevertheless, looking to the tape operation itself, it appears that quench is always inhomogeneous at the very beginning for any prospective current. The recorded images also show that the heat propagation first occurs in the width of the tape and then along its length. A collaboration with a group carrying out Scanning Hall Probe Microscopy in TU Vienna made it possible to correlate the positions of these thermal instabilities with the positions of defects in the structure of the conductor. With the use of a 3D FEM modelling of 2G HTS conductor, developed by partners in Ecole Polytechnique de Montréal, the quench mechanism is then recreated to present the current distribution in such event.The second axis of research is the development of advanced conductors for R-SFCL applications. One way to decrease the cost of R-SFCL is to develop high-performances conductors. During this PhD, one main action has been to support the Fastgrid project in the industrialization of the manufacturing process of the “Fastgrid conductor”. This translates through the characterization of many samples. One important result is the validation on a small length sample of its design. This leads to a dramatic decrease of the conductor cost in a R-SFCL. Other innovative architectures from this same project are also studied. These characterizations are carried out on samples showing a length at the maximum equals to few tens of centimeters. A discussion is then initiated about the representativeness of these characterizations considering a R-SFCL showing tens of meters of conductors. A probabilistic approach based on the use of the already mentioned 1D modeling highlights that the longer the conductor is, the more severe the hot-spot regime is. This result initiates the idea to propose a method of design of R-SFCL conductor depending on the length of the conductor.