L'objectif principal de cette thèse est la modélisation de matériaux supraconducteurs, et plus particulièrement, de ceux dits à haute température critique. Ce travail est divisé en deux parties distinctes : dans un premier temps, nous nous intéressons à la reconstruction de la distribution dynamique du courant dans la section d'un ruban supraconducteur à l'aide d'un modèle décrivant son comportement global. Ensuite, nous nous focalisons sur la modélisation électromagnétique et thermique par éléments finis des supraconducteurs en régime sur-critique, c'est à dire au-delà du courant critique Ic. Une introduction à la supraconductivité est faite dans le premier chapitre de ce travail, présentant les propriétés physiques principales que possède un matériau supraconducteur. Ensuite, nous décrirons les différents modèles existants permettant de décrire le comportement d'un échantillon supraconducteur. En se basant sur le modèle de Bean, nous proposons une nouvelle méthode permettant d'évaluer la distribution du courant dans la section d'un ruban monofilamentaire à partir de la mesure du profil magnétique à sa surface. Les résultats obtenus sont comparés avec ceux données par une modélisation certes plus précise, mais aussi plus complexe : l'utilisation de la méthode des éléments finis. Cette dernière sera largement utilisée dans la seconde partie de ce travail, qui traite de la modélisation de matériaux en régime sur-critique. Ceci nécessite d'introduire une formulation différente de l'habituelle loi de puissance Ec(J/Jc)^n pour décrire le comportement électrique du matériau dans une plage de courant plus importante, incluant les régimes sur-critiques. Pour cela, nous proposons une méthode originale, permettant d'approcher des mesures effectuées sur des échantillons d'YBCO et autorisant la description de la transition de l'état supraconducteur vers l'état normal. La dépendance en température a aussi été introduite afin d'étudier les phénomènes thermiques qui se produisent. Il est ainsi possible de résoudre de manière couplée les équations électromagnétiques et thermiques du problème : la résolution d'un pas de temps électromagnétique conduit à la connaissance des pertes locale. Ces pertes sont injectées dans le modèle thermique, et permet de calculer l'augmentation de température correspondante. Ce résultat est alors utilisé pour modifier les paramètres électriques en vue de la résolution du prochain pas de temps. Finalement, cette méthode a été utilisée afin de simuler le comportement d'un limiteur de courant supraconducteur. Le comportement global du système peut être reproduit par le modèle numérique implémenté, autorisant ainsi l'étude des variables locales, telles que la densité de courant ou le profil de température. Les résultats obtenus peuvent être utilisés afin d'optimiser les performances du dispositif selon des critères spécifiques. C'est ainsi que nous avons proposé une modification de la géométrie permettant d'éviter un possible emballement thermique qui pourrait conduire à la destruction du système. Sur la base de cette proposition, des modifications ont été apportées au design du dispositif, et sont actuellement testées.

Dans le cadre de la libéralisation du marché de l'énergie électrique, les réseaux DC offrent de nombreux avantages par rapport aux réseaux alternatifs, mais leurs protections nécessitent l'utilisation de nouveaux appareils. Les limiteurs supraconducteurs de courant permettent, par le dépassement d'un courant critique, de limiter le courant de défaut à une valeur prédéfinie, inférieure à la valeur théorique du court-circuit. Les conducteurs déposés offrent d'excellentes perspectives pour ces applications. Nous avons ainsi travaillé sur la mise en oeuvre de ces matériaux et réalisé un banc de mesures. Des essais en limitation de courant ont été réalisés afin d'étudier l'homogénéité des transitions pour différents paramètres de court-circuit. Un point important est la mesure de température par des sondes déposées directement sur le ruban, donnant des résultats conformes aux modèles théoriques. Nos essais ont confirmé l'amélioration des transitions pour les fonctionnements proches de la température critique. Nos résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes de la limitation de courant par des conducteurs déposés.

Afin de réaliser l'isolement galvanique d'une partie d'un sous-système électrique suite à une manœuvre ou l'apparition d'un défaut (surcharge, court-circuit), les propriétés de limitation de l'arc électrique, sont exploitées afin de forcer un retour rapide au zéro de courant. La modélisation de ce processus est complexe car il met en jeu un grand nombre de phénomènes physiques (rayonnement, changement de phase, électromagnétisme, mécanique des fluides, physique des plasmas). La volonté de privilégier une résolution fortement couplée de ces phénomènes et l'analyse de leurs constantes de temps caractéristiques ont conduit à privilégier la méthode des volumes finis afin d'aboutir à une résolution numérique robuste. Celle-ci a tout d'abord été mise en œuvre dans le cadre de problèmes intrinsèques d'électromagnétisme (électrocinétique, magnétostatique – y compris des milieux non-linéaires – et magnétodynamique) pour lesquels des considérations énergétiques ont conduit à élaborer des critères de précision basés sur des conservations locales. Les modèles ainsi validés ont été implémentés avec succès dans le code de coupure utilisé par Schneider Electric et ont permis de faire progresser significativement la modélisation des appareils de coupure développés par Schneider Electric.

Les limiteurs de courants de court-circuit supraconducteurs sont des appareillages à fort potentiel pour les réseaux électriques. En effet, ils offrent une limitation efficace dès les premiers instants du court-circuit. On peut qualifier la limitation de "naturelle", c’est-à-dire qu’elle est intrinsèquement liée aux caractéristiques du matériau et ne nécessite pas de commande particulière. Afin de faciliter la conception et l’intégration des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs (rSFCL) destinés aux réseaux électriques, il est nécessaire de disposer de modèles de simulation précis. Ces derniers doivent prendre en compte et simuler correctement (et le plus précisément possible) les phénomènes électriques et thermiques du rSFCL en présence de surintensités de courant, qu’il s’agisse d’un court-circuit franc ou d’un phénomène temporaire de plus faible amplitude. Il est difficile d’envisager la planification de l’intégration d’un rSFCL sans passer par des outils numériques qui permettent la simulation d’un tel dispositif dans un réseau électrique en régime transitoire. Il est alors plus facile d’appréhender et de prédire le comportement transitoire du limiteur dans des conditions de stress réalistes, qui peuvent comprendre une grande variété de surintensités, tant en durée qu’en amplitude. Néanmoins, les rSFCL sont des dispositifs fortement non-linéaires caractérisés par un couplage électrique et thermique très fort. L’implémentation d’un tel modèle dans un logiciel de simulation de type “circuits électriques” en régime transitoire présente un certain défi. Bien que des modèles de rSFCL existent déjà, des améliorations doivent être apportées pour prendre en compte i) l’ensemble des phénomènes physiques liés à la limitation (thermiques et électriques), ii) les propriétés géométriques des rubans supraconducteurs utilisés et iii) la possibilité de réaliser des études globales (impact du limiteur sur le réseau) et iv) l’influence de l’architecture du ruban en présence de phénomènes locaux (points chauds). Cette thèse se concentre donc sur le développement d’un modèle de rSFCL basé sur des rubans supraconducteurs de deuxième génération. Ce modèle est développé dans le logiciel EMTP-RV, qui est un outil utilisé par un grand nombre de compagnies d’électricité dans le monde. Le modèle proposé dans cette thèse repose sur une analogie qui fait le lien entre les phénomènes électriques et thermiques, et qui permet une modélisation entièrement basée sur des éléments de circuits électriques. Le modèle permet de prendre également en compte les propriétés non linéaires des matériaux, tant au niveau électrique qu’au niveau thermique, avec l’utilisation de dipôles non-linéaires. Le modèle a été développé pour offrir un niveau de généricité intéressant pour la modélisation des rubans supraconducteurs. Il permet un fonctionnement avec une excitation AC ou DC en tension ou en courant et tient compte de la non-uniformité de courant critique, qui est typiquement observée dans la longueur des rubans disponibles commercialement. Il est également possible de représenter des variantes d’architectures (géométries et matériaux), avec une souplesse de modélisation qui est basée sur un assemblage de blocs “élémentaires” dont les dimensions peuvent être différentes. Cela permet alors d’évaluer, dans une même simulation, l’architecture du limiteur à une échelle submillimétrique (points chauds) et à une échelle “systémique”, tel que le comportement de plusieurs centaines de mètres de ruban. Des comparaisons ont permis de vérifier que le modèle circuit avait un comportement similaire à son équivalent en éléments finis, seulement si la taille des éléments électrothermiques de base (dans EMTP-RV) est adéquate. Le modèle équivalent circuit permet de réaliser des simulations de différentes architectures de rubans supraconducteurs, avec ou sans résistance d’interface, entre les couches tampons et la couche de (RE)BCO par exemple [...] / Superconducting fault current limiters (SFCL) are a promising technology for power systems, i.e. they provide efficient current limitation from the very beginning of the fault without requiring any control system. In fact, the current limiting characteristics are directly connected to the physical properties of superconducting materials. There is a need for accurate models to help designing resistive-type SFCLs (rSFCL) and planning their integration into electrical networks. Such models have to take into account the physics involved for simulating (as accurately as possible) the electrical and thermal behaviours for a wide range of fault conditions, i.e. high and low short-circuit currents that can be of various durations. It is difficult to see how the planning and integration of SFCLs can be realized without using numerical tools, especially tools that allow realizing power system transient simulations, such as EMTP-RV. In fact, such software packages support engineers in predicting the behaviour of SFCLs in realistic network conditions, which may comprise a wide variety of overcurrent or fault situations. However, rSFCLs exhibit highly non-linear behaviours with a strong coupling between thermal and electrical phenomena. The implementation of such a model in power systems simulation tools is therefore challenging. Although some models have been already developed over the years, improvements are needed to take into account i) all the phenomena linked to the current limitation (electrical and thermal), ii) geometric properties of superconducting tapes that are used in rSFCLs, and iii) the possibility to perform simulations at the system level, and iv) the influence of the tape architecture in relationship to local phenomena (hot spots). This thesis hence focuses on the development of a models for resistive-type SFCLs based on second generation high temperature superconducting coated conductors (2G HTS CCs), i.e. (RE)BCO tapes. The models are implemented in EMTP-RV, a tool that is used by many utilities around the world. However, the modeling technique can be adapted to other simulation tools as well. The model proposed in this thesis is based on an electro-thermal analogy, which allows modeling thermal effects with non-linear electrical circuit elements such as resistors and capacitors. The model has been developed with the aim of providing flexibility. Hence, it can be used with an AC or DC excitation, and can also take into account non-uniformity in critical critical current density typically observed along length of the conductors (i.e. tapes). It also allows modeling virtually any tape architecture using modular and flexible electrical and thermal basic building blocks that can be different in size. This in turn also allows modeling SFCLs with different level of discretization, i.e. from hot spot modeling with local heat transfer to several meters of (RE)BCO tape. It therefore becomes possible to analyze in the same simulation phenomena happening at the sub-millimetric scale, such as hot-spot phenomena, and at the system-scale, such as the impact on the network of several hundred meters of superconducting tape. In order to validate the EMTP-RV circuit model, comparisons with results obtained with finite elements have been carried out. A similar behavior could be observed, as long as the discretization size of the electro-thermal elements were appropriate. The EMTP-RV circuit model allows performing optimizations of the tape architecture for various thicknesses of stabilizer, in presence or not of an interfacial resistance layer, e.g. between the superconductor and the substrate. While the circuit model was developed to allow representing heat transfer and current distribution in 3D, simulations are still limited to 2D cases because the size of the nodal matrix is otherwise exceeded in EMTP-RV. Simulation results also show that neglecting heat transfer along the thickness of the tape can be risky, [...]

Les courants de court-circuit n'ont cessé de croître sur les réseaux de distribution électrique pour répondre à l'augmentation de la consommation et pour pènnettre de fournir une meilleure qualité de service grâce à la plus grande interconnexion du réseau. Les limiteurs de courant supraconducteurs apportent une solution sans aucun équivalent classique pour réduire, avant l'ouverture des protections, ces courants de défauts. La découverte des supraconducteurs à haute température critique en 1986 a pennis de réduire leur coût d'utilisation dans des applications industrielles. Dans cette optique, nous avons étudié la transition des supraconducteurs à base de Bismuth ou d'yttrium pour l'appliquer à la réalisation du prototype de limiteur de courant résistif"Aster" : 100 A - 1 kV. Un limiteur de courant peut être dans trois états différents, en fonction du courant qui le traverse: état passant, état de limitation ou état de récupération. En régime nominal ou état passant, les pertes proviennent soit des pertes en courant alternatif tant que le courant est inférieur au courant critique, soit de la résistance due au début de la transition du supraconducteur. La résistance développée lors de la transition du supraconducteur pennet de limiter les courants de court-circuit. Cette transition se pass~ en deux étapes pour les matériaux frittés: elle est d'abord initiée au niveau des joints de grains, puis, lorsque le matériau a atteint sa température critique, il transite en masse. Une fois le courant limité, le limiteur est isolé du réseau pour pennettre au matériau de retrouver son état supraconducteur. Enfin nous avons réalisé et testé un appareil "limiteur de courant" autonome et répétitif. Les tests sous 500 V puis 1 kV nous ont pennis de valider le principe et le fonctionnement de l'ensemble.

Dans ce travail de thèse, nous souhaitons exploiter les interactions non-linéaires entre le signal micro-onde de forte puissance à émettre et des micro-décharges plasmas intégrés dans les circuits ou antennes micro-ondes de l’émetteur (e.g., émetteur de télécommunications, RADAR, ...) pour obtenir sa reconfigurabilité. Une telle problématique adresse un ensemble de compétences à l’interface entre la physique des plasmas et les micro-ondes. Elle concerne aussi bien des problématiques amont que des considérations d’ingénierie. Le travail à réaliser au cours de ce projet doit permettre de progresser en deux tâches de recherche qui structureront les activités de la thèse. En premier lieu, la caractérisation des micro-décharges plasmas sera effectuée puis il sera possible d'identifier et de développer des dispositifs micro-ondes reconfigurables. / In this project, the non-linear interactions between the high-power microwave signal and micro-discharges plasmas integrated in the microwave circuits or antennas of the transmitter (for example,Telecommunication transmitter, RADAR, ...) will be exploited to obtain its reconfigurability. Such a problem addresses a set of competences at the interface between plasma physics and microwaves. It concerns both upstream and engineering considerations. The work to be carried out during this project should make it possible to progress in two research tasks that will structure the activities of the thesis. First, the characterization of microdischarge plasmas will be perform then it will possible to identify and develop reconfigurable microwave devices.

Ce mémoire traite de la limitation de courant à partir de supraconducteurs HTc. L'utilisation de la transition naturelle d'un état supraconducteur vers un état dissipatif est envisagée pour limiter les courants de défaut sur les réseaux de distribution électrique. Cette application de la supraconductivité est très prometteuse puisque aucune solution conventionnelle ne réalise cette fonctionnalité pour la haute tension. Le gain réalisé par l'installaton de limiteurs de courant serait une densification des réseaux électriques et une amélioration de la qualité de l'énergie distribuée. Cette étude se scinde en deux points. Le premier concerne l'étude expérimentale du comportement de différents matériaux supraconducteurs HTc pour la limitation de courant. Cette caractérisation a été menée en régime nominal alternatif (mesures des pertes) et en régime de défaut. Dans le cadre de cette étude, le matériau YBCO mono domaine a fait l'objet d'une analyse approfondie à haute température. Un travail de modélisation numérique visant à prédire les conséquences d'une transition inhomogène et à estimer les pertes en régime assigné a également été mené. Afin de valider la faisabilité d'un appareillage haute tension, un démonstrateur 1 kV / 100 A constitué de 43 méandres d'YBCO texturé a été testé à une température de 90,5 K. Cette étude s'est également focalisée sur la dynamique de la transition des matériaux supraconducteurs. Nos expériences semblent montrer que la transition est plus homogène au voisinage de Tc. Cette observation est principalement justifiée par la faible valeur de Jc au voisinage de Tc, par des considérations thermiques (meilleure propagation du front de transition) et magnétiques (ancrage magnétique et mécanisme avalancheux de la transition différents près de Tc). Des résultats expérimentaux mettent également le doigt sur l'importance des échanges thermiques latéraux sur la transition des supraconducteurs. L'analyse menée montre que l'énergie dissipée au sein du matériau étudié semble l'être de façon localisée.

Les futurs systèmes d'écoute pour la Guerre Electronique auront à résoudre des problèmes de plus en plus ardus liés à deux types de contraintes :<br />- détecter et reconnaître des signaux de plus en plus variés en puissance et en fréquence,<br />- se protéger contre les dispositifs de brouillage.<br />La fonction d'un limiteur de puissance, placé immédiatement après une antenne réceptrice, est d'éviter la saturation ou la mise hors fonction des éléments sensibles situés en aval, en particulier la chaîne d'amplification à faible niveau.<br />L'objectif de ces travaux financés par une bourse doctorale de la Délégation Générale pour l'Armement est de développer de tels dispositifs en conciliant ces deux contraintes dans une plus large mesure que les dispositifs existants en 2004. Ainsi, une synthèse bibliographique des développements en terme de sources micro-ondes de forte puissance associée à une étude système sera menée afin de déterminer les spécifications attendues du limiteur de puissance. Ces résultats seront ensuite comparés aux valeurs de certification aussi bien civile que militaire, montrant la vulnérabilité de certains systèmes et la nécessité d'un limiteur de puissance.<br />Diverses technologies de limiteurs de puissance, incluant les matériaux ferroélectriques, supraconducteurs ou bien l'utilisation de semi-conducteurs, seront ensuite analysées et comparées avec les spécifications et les contraintes liées aux applications. Il s'avèrera que ces technologies aussi variées soient elles ne répondent pas au cahier des charges lié aux applications militaires ou aéronautiques.<br />C'est ainsi que cette étude se propose d'évaluer une autre technologie basée sur l'utilisation d'électronique sous vide dont on rappellera les principales applications et fondements physiques comme les phénomènes d'émission électronique.<br />Le limiteur proposé s'appuie ainsi sur la dissipation progressive d'une onde électromagnétique le long d'une ligne de transmission chargée par une distribution de diodes à vide. Le dimensionnement de ce type de dispositif fera appel à des outils de simulation électromagnétique mais également particulaire.<br />Ces composants seront ensuite fabriqués en utilisant les moyens de la salle blanche située à l'ESIEE. Compte tenu de leur sensibilité à l'environnement, une encapsulation spécifique sera développée en associant couplage électromagnétique et soudure entre deux substrats afin de garantir une herméticité totale des dispositifs. En effet, la puissance pourra soit être dissipée par émission électronique par effet de champ, soit par la formation d'une décharge plasma. La prépondérance de l'un ou l'autre phénomène dépendra alors de l'environnement d'encapsulation.<br />Les performances hyperfréquences des dispositifs ont également été évaluées dans une bande de fréquences comprises entre 0 GHz et 40 GHz. Les pertes d'insertion liées à l'encapsulation et aux parties limitatrices ont ainsi été déterminées. Des limiteurs de puissance à très faibles pertes par rapport aux autres technologies peuvent ainsi être obtenus.<br />L'étude en puissance de ces limiteurs a également été menée. C'est ainsi que quelques échantillons ont subi une multitude d'impulsions de très forte puissance pouvant aller jusqu'à deux kilowatts à des fréquences situées en bande X. Les résultats de ces mesures montreront une limitation effective de la puissance et la validité du concept de limiteur de puissance basé sur l'utilisation d'électronique sous vide.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration dans le réseau électrique du limiteur supraconducteur de courant (SCFCL). Un modèle du ruban supraconducteur ont été développé et validé grâce à une comparaison avec des tests expérimentaux. Premièrement, ce modèle a permis le dimensionnement du SCFCL du projet Eoccoflow (projet européen). Dans un deuxième temps, le modèle de SCFCL est intégré dans différents types de réseau. D'une part, l'intégration du SCFCL dans les réseaux haute tension continu maillés rend vraisemblable la protection de tels réseaux. D'autre part, grâce au SCFCL de nouvelles architectures du réseau de distribution sont proposées permettant l'intégration massive de génération distribuée. Cette thèse se clot sur le dimensionnement et les tests d'un SCFCL pour un réseau à taille réduite.

Les travaux de cette thèse portent sur l'intégration dans le réseau électrique du limiteur supraconducteur de courant (SCFCL). Un modèle du ruban supraconducteur ont été développé et validé grâce à une comparaison avec des tests expérimentaux. Premièrement, ce modèle a permis le dimensionnement du SCFCL du projet Eoccoflow (projet européen). Dans un deuxième temps, le modèle de SCFCL est intégré dans différents types de réseau. D'une part, l'intégration du SCFCL dans les réseaux haute tension continu maillés rend vraisemblable la protection de tels réseaux. D'autre part, grâce au SCFCL de nouvelles architectures du réseau de distribution sont proposées permettant l'intégration massive de génération distribuée. Cette thèse se clot sur le dimensionnement et les tests d'un SCFCL pour un réseau à taille réduite. / This PhD deals with superconducting fault current limiter (SCFCL) network integration. A model of a superconducting tape had been developed and validated in comparison with experimental quench tests. This SCFCL model allowed us to design the SCFCL of the european project Eccoflow. Using this SCFCL model, SCFCLs are integrated in various types of networks. On one hand, SCFCL benefits are first studied in case of meshed HVDC networks. Indeed, the SCFCL makes realistic the protection of such networks. On the other hand, thanks to the SCFCL some new distribution network topologies are suggested in order to increase the distributed generation integration capacity. This PhD ends with the design and the test of a SCFCL in a downsize scale network.