Ce travail porte sur la modélisation des supraconducteurs à haute temperature critique (SHTC) et il est realisé dans le cadre du projet européen BIG–POWA. Ce projet réunit partenaires industriels et universitaires et a comme objectif la conception et l'exploitation de nouveaux câbles SHTC à base de fil OPIT Bi-2223, en particulier pour usage alternatif. Le but de ce travail est l'amélioration du modèle numérique supraconducteur récemment introduit dans le logiciel de calcul par éléments finis Flux3D®. Le modèle numérique utilise des modèles macroscopiques et permet accéder aux différentes grandeurs électromagnétiques. Pour faire évoluer le modèle on a integré le caractère anisotrope des phénomènes et on a pris en compte le caractère axisymetrique de certains dispositifs. Une approche expérimentale (mesures de pertes AC, études en régime de surintensité) permet de valider et de compléter la partie modélisation.

L'apparition des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 puis leur développement permet maintenant leur utilisation en électrotechnique. Il devient important de connaître précisément leur comportement électromagnétique et notamment leurs pertes. Pour cela, un modèle numérique (éléments finis) a été implanté dans FLUX3D. Les supraconducteurs y sont représentés comme étant parfaitement amagnétiques et régis par une loi en puissance entre le champ électrique et la densité de courant. Cette loi est pour l'instant indépendante de l'induction magnétique. Nous avons été amenés à étudier et comparer différentes formulations (A,3A/3t,fo,TT0O,Âcouplée avec les équations de circuit) permettant d'imposer un champ magnétique extérieur, un courant voire d'inclure un supraconducteur dans un circuit électrique. Le modèle numérique a ensuite été utilisé pour des études quantitatives d'une part, puis qualitatives d'autre part. Une étude détaillée, en champ propre, sur un fil OPIT de Bi-2223 a été menée numériquement, analytiquement et expérimentalement. Ceci a permis de valider l'hypothèse du couplage entre les filaments et a également été l'occasion de comprendre la méthode électrique de mesure de pertes. Le cas d'une bobine possédant deux couches de fils supraconducteurs a ensuite été étudiée. Un modèle analytique de calcul des pertes pour une bobine possédant n couches a alors été développé. Toutes les études de ce mémoire ont également permis de mieux cerner le domaine de validité du modèle de Bean. Les limites d'une loi en puissance avec un courant critique indépendant de l'induction et de la température sont également apparues.

La découverte des supraconducteurs à Haute Température Critique en 1986 relance l'intérêt porté à la supraconductivité. Ces matériaux sont arrivés à un stade où leur utilisation dans des dispositifs électrotechniques est envisageable. Néanmoins, il est primordial de connaître leurs pertes AC précisément pour dimensionner correctement les dispositifs. C'est pourquoi nous avons étudié dans un premier temps ces pertes AC dans un supraconducteur. Un modèle analytique applicable à une géométrie cylindrique (bobinages) a été ainsi développé et comparé à un modèle numérique. Nous avons réalisé des mesures expérimentales afin de comparer ces différents modèles. Dans le cadre du projet Européen READY, un transformateur supraconducteur monophasé HTC de 41 kVA a été entièrement dimensionné sur les plans électromagnétiques, thermiques et mécaniques. Ce transformateur, entièrement froid, pourra fonctionner dans l'azote liquide jusque vers 65 K ou l'hélium gazeux pour atteindre des températures inférieures. H sera refroidi par un tube puisé. De nombreuses expériences ont été faites pour valider nos choix et nous apporter certaines données expérimentales indispensables comme les pertes fer à froid où la résistance thermique de contact. Enfin, une étude très préliminaire sur différents transformateurs supraconducteurs d'une puissance de 30 MVA a permis de montrer l'intérêt de la technologie supraconductrice sur ces dispositifs.

Dans le contexte d'un contrat de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) avec la société Nexans, le CRTBT-CNRS a développé une bobine supraconductrice de stockage d'énergie, ou SMES Superconducting Magnetic Energy Storage), avec des rubans PIT Bi-2212 pour un fonctionnement à 20 K. L'utilisation d'un bobinage supraconducteur permet de stocker l'énergie électrique sous forme magnétique sans conversion d'énergie, ceci pendant des temps très longs. Le bobinage stocke 800!kJ à décharger en 1 s pour atteindre une puissance de 500 kW sur la charge, ce qui génère une tension maximale de 5 kV. La cryogénie est réalisée avec des pièces en cuivre qui relient les cryoréfrigérateurs et le bobinage, avec différence de température de 2 K au maximum. L'interface HT (Haute Tension) entre les drains et le bobinage a une tenue diélectrique de 5 kV et permet de refroidir efficacement les amenées de courant et les 26 galettes, soit 40 km de ruban. L'énergie dissipée dans le cuivre et le bobinage pendant la décharge représente 1 l'énergie stockée. Des mesures thermiques à 20 K ont été réalisées sur des échantillons pour mesurer l'interface!HT par exemple, puis sur un bobinage de dimensions réduites pour valider les solutions retenues. Le procédé de coétamage des rubans supraconducteurs développés par Nexans permet d'adapter la géométrie du conducteur à sa situation dans le bobinage. Les essais des dix premières galettes bobinées a validé la cryogénie développée. L'étude d'extrapolation pour un SMES de 20 MJ présente une géométrie torique adaptée à un refroidissement par thermosiphon avec un câble bi-étagé Rutherford / 6+1 en fils ronds de Bi-2212.