La thèse portera sur le développement expérimental d’un prototype de câble supraconducteur et principalement sur la plateforme de caractérisation associée, répondant à la fois aux contraintes imposées par les fabricants de câble et par l’application destinée au réseau ferroviaire. Un autre volet de la thèse lié au projet SuperRail concernera l’essai de composants d’électronique de puissance en environnement cryogénique pour une utilisation potentielle conjointe avec les supraconducteurs sur le réseau électrique ferroviaire.
Plusieurs étapes sont prévues afin d’aboutir au prototype de câble supraconducteur limiteur de courant et de sa plateforme de test et caractérisation en environnement cryogénique, parmi lesquelles :
• La réalisation d’un porte échantillon et la mise en œuvre d’une d’instrumentation permettant d’étudier un câble supraconducteur refroidi par de l’azote liquide à 77 K.
• La mise en œuvre d’un système cryogénique permettant de tester le câble supraconducteur en limitation de courant dans un bain d’azote sous-refroidi et avec une circulation d’azote forcée.
Concernant les composants et systèmes d’électronique de puissance en environnement cryogénique. Il s’agira de caractériser et d’étudier le comportement de plusieurs composants d’électronique de puissance disponibles sur étagère afin d’identifier les meilleurs candidats possibles pour réaliser des convertisseurs d’électronique de puissance fonctionnant avec plus d’efficacité en environnement cryogénique.

L’augmentation du trafic ferroviaire représente un enjeu important pour les futurs développements de la SNCF. La continuité de service visant à assurer la mobilité des personnes est aujourd’hui au cœur des préoccupations sociétales. La SNCF est impliquée dans de nombreux renforcements d’électrifications notamment en zones ultra denses, comme par exemple à Paris. Ce renforcement doit aussi se réaliser en assurant la sécurité des utilisateurs et du personnel de la SNCF.
Le réseau ferroviaire fonctionne principalement en continu avec une valeur de tension de 1 750 V. Afin d’apporter suffisamment d’énergie au réseau, il est nécessaire de faire transiter des courants de fonctionnement pouvant atteindre 20 kA. Dans cette optique, la solution d’utiliser des câbles supraconducteurs est particulièrement adaptée car elle permet le transport de puissances importantes sans dissipation d’énergie ni chute de tension. De plus, cette technologie utilise des conducteurs de section fortement réduite par rapport à des conducteurs résistifs conventionnels, ce qui permet de diminuer considérablement le droit passage.
Sujet de la thèse
Le travail de la thèse concerne le développement d’outils et de méthodes permettant le dimensionnement de câbles supraconducteurs à courant continu pour le réseau ferroviaire, en prenant en compte des contraintes industrielles et des spécificités du réseau français.
Dans un premier temps, ce travail devra apporter plusieurs éléments de réponse sur : la structure du câble, le type et le nombre de conducteurs à utiliser, les moyens de refroidissement nécessaires, les différents coûts (CAPEX, OPEX), etc. Dans un second temps, on s’intéressa au dimensionnement d’un câble limiteur de courants de défaut. En effet, une des particularités d’un conducteur supraconducteur est de pouvoir limiter le courant à une valeur désirée grâce à un changement de résistance parfaitement maitrisé. Cette propriété supplémentaire du câble supraconducteur nécessite un dimensionnement électromagnétique et thermique relativement complexe afin que le câble ne joue pas le rôle d’un simple fusible et pour qu’il puisse être remis en service dans un temps compatible avec les contraintes liées au réseau. Avant la fin de la thèse, une expérience sur un câble supraconducteur DC à limitation de courants de défaut de plusieurs mètres de long et de plusieurs kA devra être mise en œuvre et testée. L’insertion d’un câble supraconducteur sur le réseau électrique ferroviaire est une solution de rupture technologique, totalement inédite en France, offrant de nombreuses opportunités tant en termes de solutions techniques que de coûts.

L’intégration des supraconducteurs dans les systèmes de puissance est très limitée, notamment en ce qui concerne les machines électriques à courant alternatif où leur utilisation est généralement restreinte à la fonction d’inducteurs dans les machines synchrones. Les raisons sont non seulement liées aux contraintes techniques de réalisation, mais également à la méconnaissance du comportement de ces matériaux dans un environnement électromagnétique complexe. En effet, le passage de l’élément au système n’est pas trivial, car le comportement d’un élément isolé peut être très différent lorsqu’il est intégré dans un système.
Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans la suite des travaux réalisés au GREEN dans le domaine de la modélisation et la caractérisation des matériaux supraconducteurs. L’étude portera sur le comportement électromagnétique d’une bobine supraconductrice en champ alternatif afin de reproduire le comportement d’un induit supraconducteur dans une machine à courant alternatif hybride ou entièrement supraconductrice :
• Caractérisation des pertes en alternatif : en courant de transport et en champ appliqué avec différentes orientations pour l’étude de l’influence de la réaction magnétique de l’induit.
• Montées en fréquences pour l’étude de l’effet des harmoniques en alimentation alternative non sinusoïdale (association avec un convertisseur par exemple), en étudiant les limites d’une telle approche étant donnée la non linéarité électrique de ces matériaux.
• La prise en compte de l’influence de la proximité de matériaux actifs conventionnels (conducteurs et ferromagnétiques) qui modifient l’environnement électromagnétique du supraconducteur.
Le travail comportera les aspects modélisation (analytique – numérique) et mesures, en passant par la réalisation d’un banc expérimental en Laboratoire.

Les limiteurs de courants de court-circuit supraconducteurs sont des appareillages à fort potentiel. En effet, ils offrent une limitation efficace dès les premiers instants du court-circuit que l'on peut qualifier de "naturelle", c'est-à-dire qu'elle est intrinsèquement liée aux caractéristiques du matériau et ne nécessite pas de commande. Afin de faciliter la conception et l'intégration des limiteurs de courant de court-circuit supraconducteurs résistifs (rL3CS) dans les réseaux électriques, il est nécessaire de disposer de modèles de simulation précis. Ils doivent prendre en compte et simuler correctement les phénomènes électriques et thermiques du rL3CS en présence de surintensité de courant, qu'il s'agisse d'un court-circuit ou d'un phénomène temporaire de plus faible amplitude. Il est difficile d'envisager la planification de l'intégration d'un rL3CS sans passer par des outils numériques qui permettent la simulation d'un tel dispositif dans un réseau électrique. 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. Néanmoins, les rL3CS sont des dispositifs fortement non-linéaires caractérisés par un couplage électrique et thermique fort. L'implémentation d'un tel modèle dans un logiciel de simulation de type circuit-électrique présente un certain enjeu. Bien que des modèles de rL3CS existent déjà dans cet environnement, des améliorations demeurent possibles. On se concentre donc sur le développement d'un modèle de rL3CS basé sur des rubans supraconducteurs. Ce modèle est développé dans EMTP-RV. Le modèle proposé dans cette thèse repose sur une analogie entre les phénomènes électriques et thermiques, et qui autorise une modélisation entièrement basée sur des éléments de circuits électriques. Cela permet de prendre également en compte les propriétés non linéaires des matériaux. 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 et tient compte des inhomogénéités de courant critique. Il est également possible de représenter des variantes d'architectures, avec une souplesse de modélisation basée sur un assemblage de blocs ``élémentaires''. Cela permet alors d'évaluer, dans une même simulation, l'architecture du limiteur à une échelle sub-millimétrique et à une échelle ``systémique''. Le modèle circuit a été validé par comparaison avec son équivalent en éléments finis. Les résultats de simulation montrent qu'il est important de prendre en compte les transferts de chaleur dans l'épaisseur du ruban, et particulièrement lorsque le courant I circulant dans le limiteur est légèrement supérieur au courant critique Ic, plus précisément lorsque I est dans la fenêtre 1-2Ic. La technique d'homogénéisation doit donc être utilisée avec prudence, car le risque d'engendrer des erreurs d'interprétation est présent. Les simulations ont mis en avant des lacunes de caractérisation qu'il serait nécessaire de combler. Les simulations mettent en avant l'importance de la dynamique du refroidissement, qui a un impact sur la réponse transitoire du rL3CS, et sur la vitesse de propagation de la zone normale. Il est possible d'opter pour des méthodes de simulation de type "Power-Hardware-In-The-Loop" (PHIL) avec un simulateur temps réel. Les résultats de nos essais montrent que la méthode implémentée ici présente un compromis qui n'est pas bien adapté aux variations rapides d'impédance. Les deux méthodes testées présentent chacune leurs inconvénients. La première nécessite des efforts pour alléger le modèle et de caractérisation du ruban. La seconde méthode mérite que l'on s'attarde sur l'interface entre le monde réel et la simulation pour améliorer la dynamique et la précision en minimisant les impacts sur la stabilité.