Etude des propriétés diélectriques de l'azote liquide et diphasique dans le cadre du limiteur de courant

The increasing number of interconnections in electrical networks and the massive integration of renewable energies nowadays comes with an increase of short circuit currents, and more constraints on high voltage circuit breaker during the current clearance. To solve this problem, a solution consists in inserting a fault current limiting device on electrical lines. Among the available technologies, the superconducting fault current limiter is ideal from the perspective of transmission system operator. However the design of this device is non-trivial, especially the electrical insulation, which is very specific to this apparatus: electrical insulation in a cryogenic environment (liquid nitrogen at - 196°C), superconducting tapes inducing electric field reinforcement, and strong transient heating generating numerous vapor bubbles.In this context, the aim of this work is to gather data and knowledge supporting the design of future superconducting fault current limiters. First, the case study of a fault current limiter model inserted on an electrical line allowed to deduce the main stresses on this device during its working sequence. These constraints are then reproduced within a high voltage cryostat. Experimental results gathered include breakdown voltages measured in various conditions of voltage type (DC or impulse voltage), pressure (from 1 to 4 bars), temperature (from 65 to 77 K), inter electrode gap (from 5 to 10 mm), with and without transient heating of the tape. The observation of boiling conditions and pre breakdown phenomena evidenced several new phenomena, and allowed to perform a qualitative interpretation of the breakdown voltages. An important result is the observation of the complex and sometimes adverse effect of subcooling (temperature decrease or pressure increase) on breakdown voltages, due to the variation of nitrogen bubbles size.L’interconnexion de plus en plus grande des réseaux électriques traditionnels AC et l’émergence de réseaux DC s’accompagne de courants de court circuit plus importants, et de contraintes plus fortes sur les disjoncteurs haute tension lors de la coupure du courant. L’une des solutions pour maitriser le courant de court circuit consiste à insérer un limiteur de courant en série sur les lignes haute tension. Parmi les technologies existantes, le limiteur de courant supraconducteur est un candidat idéal du point de vue du réseau, mais il fait face à de nombreuses contraintes de dimensionnement. Parmi elles, l’isolation électrique est particulièrement critique et très spécifique à cette application : milieu cryogénique (azote liquide à -196°C), rubans supraconducteurs générant des renforcements de champ électrique, et chauffage transitoire des rubans lors de la limitation de courant qui induit une forte ébullition de l’azote liquide.L’objectif de ce travail est de rassembler des données et des connaissances pour le dimensionnement de l’isolation des limiteurs de courant. Le cas d’étude d’un limiteur inséré sur une ligne électrique permet de mettre en évidence les principales contraintes que celui-ci subit durant son fonctionnement. Ces contraintes sont reproduites dans un dispositif expérimental associant cryogénie et haute tension. Les résultats expérimentaux incluent des mesures de tensions de claquage obtenues dans diverses conditions de tension (DC, choc impulsionnel) de pression (de 1 à 4 bar), et de température (de 65 à 77 K), de distance inter électrode (5 et 10 mm), avec et sans chauffage de l’électrode ruban. L’observation des phénomènes d’ébullition et de pré claquage met en évidence des phénomènes et paramètres nouveaux, et permet d’interpréter qualitativement les tensions de claquage observées. L’un des résultats importants de ces travaux est la mise en évidence de l’influence complexe et parfois délétère du sous refroidissement (diminution de la température ou augmentation de la pression) sur les tensions de claquage, liée à la variation de la taille des bulles d’azote gazeux